影響光纖最大傳輸距離的主要因素是光纖的損耗和色散。在本節(jié)，主要討論光纖的損耗特性和色散特性。
一、光纖的損耗特性
光纖的傳輸損耗是光纖通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的問題，低損耗是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖通信的前提。
形成光纖損耗的原因和復(fù)雜，歸結(jié)起來主要包括兩大類：吸收損耗和散射損耗。
1.吸收損耗
吸收作用是光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失。
造成吸收損耗的原因很多，但都與光纖材料有關(guān)，下面主要介紹本征吸收和雜質(zhì)吸收。
(1) 本征吸收
它是光纖基本材料（例如純sio2）固有的吸收，并不是由雜質(zhì)或者缺陷所引起的。因此，本征吸收基本上確定了任何特定材料的吸收的下限。
吸收損耗的大小與波長(zhǎng)有關(guān)，對(duì)于sio2石英系光纖，本征吸收有兩個(gè)吸收帶，一個(gè)是紫外吸收帶，一個(gè)是紅外吸收帶。
（2）雜質(zhì)吸收損耗
它是由材料的不純凈和工藝的不完善造成的附加損耗。影響最嚴(yán)重的是：過渡金屬離子吸收和水的氫氧根離子吸收。
2.散射損耗
由于光纖的材料、形狀及折射指數(shù)分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光散射而產(chǎn)生的損耗稱為散射損耗。
散射損耗包括線性散射損耗和非線性散射損耗。所謂線性或非線性主要是指散射損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率是否成線性關(guān)系。
線性散射損耗主要包括：瑞利散射和材料不均勻引起的散射；
非線性散射主要包括：受激喇曼散射和受激布里淵散射等。
在這里，只介紹兩種線性損耗。
① 瑞利散射損耗
瑞利散射損耗也是光纖的本征散射損耗。這種散射是由光纖材料的折射率隨機(jī)性變化而引起的。材料的折射率變化是由于密度不均勻或者內(nèi)部應(yīng)力不均勻而產(chǎn)生散射。當(dāng)折射率變化很小時(shí)，引起的瑞利散射是光纖散射損耗的最低限度，這種瑞利散射是固有的，不能消除。
瑞利散射損耗與1/λ4成正比，它隨波長(zhǎng)的增加而急劇減小，如圖1中的散射損耗曲線所示。所以在長(zhǎng)波長(zhǎng)工作時(shí)，瑞利散射會(huì)大大減小。
② 材料不均勻所引起的散射損耗
結(jié)構(gòu)的不均勻性以及在制作光纖的過程中產(chǎn)生的缺陷也可能使光線產(chǎn)生散射。這些缺陷可能是光纖中的氣泡、末發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的原材料及纖芯和包層交界處粗糙等。這種散射也會(huì)引起損耗。
它與瑞利散射不同，主要是通過改進(jìn)制作工藝予以減少。
上面介紹了兩種主要損耗，即吸收損耗和散射損耗。除此之外，引起光纖損耗的還有：光纖彎曲產(chǎn)生的損耗以及纖芯和包層中的損耗等等。綜合考慮，發(fā)現(xiàn)有許多材料，如：純硅石等在1.31μm附近損耗最小，材料色散也接近零；還發(fā)現(xiàn)在1.55μm左右，損耗可降到0.2db/km；如果合理設(shè)計(jì)光纖，還可以使色散在1.55μm處達(dá)到最小。這對(duì)長(zhǎng)距離、大容量通信提供了比較好的條件。
圖1 瑞利散射損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系
二、光纖的色散特性
上面介紹了光纖的損耗特性，光纖色散是光纖通信的另一個(gè)重要特性。光纖的色散會(huì)使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量。因此制造優(yōu)質(zhì)的、色散小的光纖，對(duì)增加通信系統(tǒng)容量和加大傳輸距離是非常重要的。
1.光纖色散的概念
信號(hào)在光纖中是由不同的頻率成分和不同的模式成分?jǐn)y帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分有不同的傳播速度，從而引起色散。也可以從波形在時(shí)間上展寬的角度去理解，也就是光脈沖在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的加大，脈沖波形在時(shí)間上發(fā)生了展寬，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。
2. 用時(shí)延差表示色散的程度
下面分兩步來討論如何用時(shí)延差表示色散的大小。
（1）什么是時(shí)延
設(shè)有一個(gè)單一的載頻f0，攜帶一個(gè)調(diào)制信號(hào)，當(dāng)光波頻率很高，相對(duì)調(diào)制帶寬很窄時(shí)，它在傳輸過程中的速度可用群速度表示，則它傳輸每一單位長(zhǎng)度時(shí)，所需要的時(shí)間就稱作每單位長(zhǎng)度的時(shí)延，即
由于群速
因此
又由于
所以
式（2-74）就是單位長(zhǎng)度的時(shí)延表示式。
（2）什么是時(shí)延差
不同速度的信號(hào)，傳輸同樣的距離，需要不同的時(shí)間，即各信號(hào)的時(shí)延不同，這種時(shí)延上的差別，稱為時(shí)延差，用δτ表示。
時(shí)延差可由不同的頻率成分引起，也可由不同的模式成份引起。下面只介紹由不同頻率成分引起的時(shí)延差。
由于光源不是單色光，有一定的帶寬，設(shè)其帶寬為，則單位帶寬上引起的時(shí)延差為，因此帶寬上引起的時(shí)延差應(yīng)為
將代入，得
如將的關(guān)系代入式（2-76），則可得出
式（2-76）和式（2-77）均為時(shí)延差的表示式。
從式中可以看出，信號(hào)的時(shí)延差與信號(hào)源的相對(duì)帶寬成正比，光源的相對(duì)帶寬越小，信號(hào)的時(shí)延差就越小，則引起的色散就越小。
因此，可以得出結(jié)論：時(shí)延并不代表色散的大小，色散的程度用時(shí)延差來表示，時(shí)延差越大，色散就會(huì)越嚴(yán)重。時(shí)延差的單位是ps/km.nm。
3.光纖中的色散
各種色散在不同情況下，有不同的重要性。對(duì)于單模光纖來說，主要是材料色散和波導(dǎo)色散；而對(duì)于多模光纖來說，模式色散占主要地位。
材料色散、波導(dǎo)色散和模式色散，在光纖中往往交織在一起，很難截然分開。為了將每一種色散的概念討論清楚，把光纖分成三種情況：即材料為無窮大、單模光纖和多模光纖，分別討論各種色散特性。
（1） 無界材料中的色散
在無窮大的材料中，不存在模式問題，只有材料色散。
材料色散是由于材料本身的折射率隨頻率而變化，使得信號(hào)各頻率成分的群速不同引起的色散。
下面首先求出在這種情況下，時(shí)延差的表示式，進(jìn)而討論材料色散特性。在推導(dǎo)無界材料中的色散的表達(dá)式時(shí)，要根據(jù)的一般關(guān)系式，即式（2-77），由于在此式中有一項(xiàng)，故需先找出無界情況下的表示式。
在無界材料中，平面波的相位常數(shù)為
則
n稱為材料的群指數(shù)，它表征材料的特征。
將此式代入式（2-77），得出
從式（2-80）可以看出：時(shí)延差和成正比，即越小，則材料色散就越小。如果令為色散系數(shù)，圖2-18 給出了色散系數(shù)與波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線。對(duì)于用sio2材料制造的光纖，在波長(zhǎng)1.31μm附近時(shí)的色散系數(shù)為零。從而時(shí)延差為零，這時(shí)沒有時(shí)延展寬，這個(gè)波長(zhǎng)叫做材料的零色散波長(zhǎng)。
（2） 單模光纖中的色散
由于單模光纖中只有基膜傳輸，因此，不存在模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散
所謂波導(dǎo)色散，是對(duì)于光纖某一個(gè)模式而言，在不同的頻率下，相位常數(shù)β不同，使得群速不同而引起的色散?？梢钥闯?，材料色散和波導(dǎo)色散都是由于光波的相位常數(shù)β隨頻率變化而引起的色散，因此，這兩種色散都屬于頻率色散。
下面僅針對(duì)纖芯折射率分布是均勻的階躍型單模光纖，討論其色散特性。
（3） 多模光纖的色散
當(dāng)光纖的歸一化頻率v>2.40483以后，單模傳輸條件被破壞，將有多個(gè)導(dǎo)波模式傳輸，v值越大，模式越多，這樣，多模光纖的色散除了材料色散和波導(dǎo)色散以外，還有模式色散。在多模光纖中，一般模式色散占主要地位。
所謂模式色散，是光纖中不同模式在同一頻率下的相位常數(shù)βnm不同，因此群速不同而引起的色散。它是以光纖中傳輸?shù)淖罡吣Ｊ脚c最低模式之間的時(shí)延差來表示的。
對(duì)于多模光纖來說，纖芯中折射率分布不同時(shí)，其色散特性不同。下面分兩種情況來討論，即纖芯折射率呈均勻變化和呈漸變型變化的情況。