光纤通信第二版第2章概述课件

1、第2章光纤和光缆2.1光纤结构和类型2.2光纤传输原理2.3光纤传输特性2.4光缆2.5光纤特性测量方法 2.1光纤结构和类型2.1.1光纤结构光纤(Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。图2.1示出光纤的外形。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。纤芯和包层的相对折射率差典型值=(n1n2)/n1，一般单模光纤为0.3%0.6%，多模光纤为1%2%。越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输

2、容量却越小。 图 2.1光纤的外形2.1.2光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英(SiO2)制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，图2.2示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下： 突变型多模光纤如图2.2(a)，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2，故又称为阶跃折射率型光纤。这种光纤一般纤芯直径2a=5080m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。渐变型多模光纤 如图2.2(b)，在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种

3、光纤一般纤芯直径2a为50 m，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 单模光纤如图2.2 (c)，折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有810 m，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式(两个偏振态简并)，所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 图 2.2三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； (c) 单模光纤 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125 m。实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF

4、之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性，可以在图2.2(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。 双包层光纤如图2.3(a)所示，折射率分布像W形，又称为W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a与纤芯直径2a的比值a/a2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.31.6 m之间色散变化很小的色散平坦光纤(DFF，Dispersion Flattened Fiber)，或把零色散波长移到1.55 m的色散移位光纤(DSF，Disper

5、sion Shifted Fiber)。 三角芯光纤如图2.3(b)所示，纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55 m有微量色散，有效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用，康宁公司称它为长距离系统光纤，这是一种非零色散光纤。椭圆芯光纤如图2.3(c)所示，纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性，即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态，因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。 图 2.3典型特种单模光纤(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 以上各种特征不同的光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大

6、，相应的带宽距离积只有1020 MHzkm，只能用于小容量(8 Mb/s以下)短距离(几千米以内)系统。渐变型多模光纤的带宽距离积可达12 GHzkm，适用于中等容量(34140 Mb/s)中等距离(1020 km)系统。大容量(622 Mb/s2.5 Gb/s)长距离(30 km以上)系统要用单模光纤。特种单模光纤能大幅度提高光纤通信系统的水平。1.55 m色散移位光纤实现了10 Gb/s 容量的100 km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。外差接收方式的相干光系统

7、要用偏振保持光纤，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 2.2光纤传输原理要详细描述光纤传输原理，需要求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程。但在极限(波数k=2/非常大，波长0)条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。不管是射线方程还是波动方程，数学推演都比较复杂，我们只选取其中主要部分和有用的结果。2.2.1几何光学方法用几何光学方法分析光纤传输原理，我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。 1. 突变型多模光纤数值孔径为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一

8、步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角c，当c时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径(NA，Numerical Aperture)。根据定义和斯奈尔定律NA=n0sinc=n1cosc，n1sinc=n2sin90(2.2)n0=1，由式(2.2)经简

9、单计算得到 (2.3) 式中=(n1n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，小于c的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 时间延迟现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图2.4，入射角为的光线在长度为L(0 x)的光纤中传输，所经历的路程为l(0y)，在不大的条件下，其

10、传播时间即时间延迟为 式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差近似为 (2.4) (2.5) 这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1 km，根据式(2.5)得到脉冲展宽=44 ns，相当于10 MHzkm左右带宽距离积(以下简称为带宽)。 2. 渐变型多模光纤渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、 增加带宽的优点。渐变型光纤折射率分布的普遍公式为n11=n 2ra 0ran(r)= (2.6)

11、式中，n1和n2分别为纤芯中心和包层的折射率，r和a分别为径向坐标和纤芯半径，=(n1n2)/n1为相对折射率差，g为折射率分布指数。在g的极限条件下，对于r0。如果w0，电磁场将在包层振荡，传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。w=0(=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止。其u、w和值记为uc、wc和c，此时V=Vc=uc。 对于每个确定的v值，可以从特征方程(2.26)求出一系列uc值，每个uc值对应一定的模式，决定其值和电磁场分布。当v=0时，电磁场可分为两类。一类只有Ez、Er和Hf分量，Hz=Hr=0，Ef=0，这类在传输方向无磁场的模式称为横磁

12、模(波)，记为TM0。另一类只有Hz、Hr和Ef分量，Ez=Er=0，Hf=0，这类在传输方向无电场的模式称为横电模(波)，记为TE0。在微波技术中，金属波导传输电磁场的模式只有TM波和TE波。 当v0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为混合模(波)。混合模也有两类，一类EzHz，记为HEv，另一类HzEz，记为EHv。下标v和都是整数。第一个下标v是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示在纤芯沿方位角绕一圈电场变化的周期数。第二个下标是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序数，称为径向模数，它表示从纤芯中心(r=0)到纤芯与包层交界面(r=a)电场变化的半周期数。模式远离截止当V时，w增加很快

13、，当w时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止，其u值记为u。 波动方程和特征方程的精确求解都非常繁杂，一般要进行简化。大多数通信光纤的纤芯与包层相对折射率差都很小(例如1)由HEv1和EHv1组成，包含4重简并。若干低阶LPv模简化的本征方程和相应的模式截止值uc和远离截止值u列于表2.1，这些低阶模式和相应的V值范围列于表2.2，图2.9示出四个低阶模式的电磁场矢量结构图。 表2.1LPv模截止值和远离截止值 表 2.2低阶(v=0和v=1)模式和相应的V值范围 图 2.9四个低阶模式的电磁场矢量结构图3. 多模渐变型光纤的模式特性渐变型光纤折射率分布的普遍公式用式(2.6)中

14、的n(r)表示。由于折射率是径向坐标r的函数，波动方程式(2.21)没有解析解。求解式(2.21)的近似方法很多，其中由Wentzel、Kramers和Brillouin提出的WKB法是常用的一种近似方法。我们不准备讨论这种方法的推导过程，只给出用这种方法得到的一些有用的结果。传输常数多模渐变型光纤传输常数的普遍公式为 (2.31) 式中，n1、g和k前面已经定义了，M是模式总数，m()是传输常数大于的模式数。经计算 由式(2.32)看到： 对于突变型光纤，g，M=V2/2； 对于平方律渐变型光纤，g=2，M=V2/4。(2.32a) (2.32b) 根据计算分析，在渐变型光纤中，凡是径向模数

15、和方位角模数v的组合满足q=2+v (2.33)的模式，都具有相同的传输常数，这些简并模式称为模式群。q称为主模数，表示模式群的阶数，第q个模式群有2q个模式，把各模式群的简并度加起来，就得到模式数m()=q2。模式总数M=Q2，Q称为最大主模数，表示模式群总数。用q和Q代替m()和M，从式(2.31)得到第q个模式群的传输常数光强分布多模渐变型光纤端面的光强分布(又称为近场)P(r)主要由折射率分布n(r)决定， 式中P(0)为纤芯中心(r=0)的光强，C为修正因子。 (2.34) (2.35) 4. 单模光纤的模式特性单模条件和截止波长从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加

16、而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为 (2.36) 由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长c，当c时，是单模传输，这个临界波c称为截止波长。由此得到 光强分布和模场半径通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分布近似为高斯分布(2.37) (r)=A exp 式中，A为场的幅度，r为径向坐标，w0为高斯分布1/e点的半宽度，称为模场半径。实际单模光纤的模场半径w0是用测量确定的，常规单

17、模光纤用纤芯半径a归一化的模场半径的经验公式为w0/a与V(或/c)的关系示于图2.10。图中是基模HE11的注入效率。由图可见，在3V1.4(0.8/c96%。 (2.38) 0.651.619V1.52.879V60.650.434 0.0149图 2.10用对LP01模给出最佳注入效率的高斯场分布时，归一化模场半径w0/a和注入效率与归一化波长/c或归一化频率V的函数关系 双折射和偏振保持光纤前面的讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想的圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此，HE11(LP01)模的x偏振模(Ey=0)和y偏振模(Ex=0)具有相同的传输常数(x=y)，两

18、个偏振模完全简并。但是实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数(xy)。因此，在传输过程要引起偏振态的变化，我们把两个偏振模传输常数的差(xy)定义为双折射，通常用归一化双折射B来表示，式中，=(x+y)/2为两个传输常数的平均值。把两个正交偏振模的相位差达到2的光纤长度定义为拍长 (2.40) (2.39) 存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。许多单模光纤传输系统都要求尽可能地减小或消除双折射。一般单模光纤B值虽然不大，但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难。合理的解决办法是通过光纤设计，人为地引入强双折射，把B值增

19、加到足以使偏振态保持不变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输。强双折射光纤和单模单偏振光纤为偏振保持光纤。获得偏振保持光纤的方法很多，例如引入形状各向异性的椭圆芯光纤。 2.3光纤传输特性光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真)，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输带宽。本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据。2.3.1光纤色散1. 色散、 带宽和脉冲展宽色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号

20、，由于不同成分的光的传播时间不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、 材料色散和波导色散。模式色散是由于不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其传播时间不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。从频域上看，色散限制了传输信号的带宽(Bandwith)； 从时域上看， 色散

21、引起信号脉冲的展宽(Pulse Broadening)。所以，色散通常用3 dB光带宽f3 dB或脉冲展宽表示。用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成=(2n+2m+2w)1/2 式中n、m、w分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论。如果光纤可以按线性系统处理，其输入光脉冲功率Pi(t)和输出光脉冲功率Po(t)的一般关系为 (2.41) (2.42) 当输入光脉冲Pi(t)=(t)时，输出光脉冲Po(t)=h(t)，式中(t)为函数，h(t)称为光纤的冲击响应。冲击响应h(t)的傅里叶(Fourier)变换为 一般，频率响应|H

22、(f)|随频率的增加而下降，这表明输入信号的高频成分被光纤衰减了。受这种影响，光纤起了低通滤波器的作用。将归一化频率响应|H(f)/H(0)|下降一半或减小3 dB的频率定义为光纤3 dB光带宽f3 dB，由此得到 (2.43) (2.44a) 或T(f)10 lg | H(f3 dB)/H(0)|3 (2.44b)一般，光纤不能按线性系统处理，但如果系统光源的频谱宽度比信号的频谱宽度s大得多，光纤就可以近似为线性系统。光纤传输系统通常满足这个条件。光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设 Po(t)h(t)exp式中，为均方根(rms)脉冲宽度。对式(2.45)进行傅里叶变换，代入式(

23、2.44a)得到(2.45) 由式(2.46)得到3 dB光纤带宽为用高斯脉冲半峰值全宽度(FWHM)=2 =2.355，代入式(2.47a)得到式(2.47)脉冲宽度和是信号通过光纤产生的脉冲展宽，单位为ns。 (2.46) (2.47a) (2.47b) 输入脉冲一般不是函数。设输入脉冲和输出脉冲为式(2.45)表示的高斯函数，其rms脉冲宽度分别为1和2，频率响应分别为H1( f )和H2( f )，根据傅里叶变换特性得到由此得到，信号通过光纤后产生的脉冲展宽=或=，1和2分别为输入脉冲和输出脉冲的半峰值全宽度(FWHM)。 光纤3 dB光带宽f3 dB和脉冲展宽、的定义示于图2.11。

24、 (2.48) 图 2.11光纤带宽和脉冲展宽的定义2. 多模光纤的色散多模光纤折射率分布的普遍公式用式(2.6)的n(r)表示，第q阶模式群的传输常数用式(2.34)的q表示。单位长度光纤第q阶模式群产生的时间延迟 式中，c为光速 ，k=2/，为光波长。设光源的功率谱很陡峭，其rms光谱宽度为，每个传输模式具有相同的功率，经复杂的计算，得到长度为L的多模光纤rms脉冲展宽为 (2.49) (2.50a) (2.50b) 模间为模式色散产生的rms脉冲展宽。当g时，相应于突变型光纤，由式(2.50a)简化得到 模间(g) 当g=2+时，相应于rms脉冲展宽达到最小值的渐变型光纤，由式(2.50

25、a)简化得到模间(g=2+) 由此可见，渐变型光纤的rms脉冲展宽比突变型光纤减小/2倍。 (2.50c) (2.50d) 模内为模内色散产生的rms脉冲展宽，其中第一项为材料色散，第三项为波导色散，第二项包含材料色散和波导色散的影响。对于一般多模光纤，第一项是主要的，其他两项可以忽略，由式(2.50b)简化得到 图 2.12示出三种不同光源对应的rms脉冲展宽和折射率分布指数g的关系。由图可见，rms脉冲展宽随光源谱宽的增大而增大，并在很大程度上取决于折射率分布指数g。当g=g0时，达到最小值。g的最佳值g0=2+，取决于光纤结构参数和材料的波长特性。当用分布反馈激光器时，最小约为0.018

26、 ns，相应的带宽达到10 GHzkm。(2.50e) 模间图 2.12三种不同光源的均方根脉冲展宽与折射率分布指数的关系 3. 单模光纤的色散色度色散理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。材料色散和波导色散总称为色度色散(Chromatic Dispersion)，常简称为色散，它是传播时间随波长变化产生的结果。由于纤芯和包层的相对折射率差s，且光谱不受调制的影响。实际上，这相当于多纵模半导体激光器的情况。考虑rms谱线宽度为的高斯型光源，其功率谱密度为式中，0为中心波长。利用/2的条件下，输出光脉冲仍保持高斯型，设其rms脉冲宽度为2，由式(2.54)、式(2.53)和式(2.

27、48)得到 (2.55a) 由长度为L的单模光纤色度色散产生的脉冲展宽为作为一级近似，| C0 |L。由式(2.47)可以计算出3 dB光带宽，图2.14示出常规单模光纤带宽和波长的关系。 (2.55b) 图 2.14常规单模光纤带宽和波长的关系单色光源： 设无调制时光源的频谱宽度和调制带宽s相比可以忽略(s)，且中心波长不受调制的影响。实际上，这相当于锁模激光器和稳定的单频激光器。在长度为L的单模光纤上，输入和输出的光脉冲都是高斯型，其rms脉冲宽度分别为1和2，经计算得到上式右边第二项为光纤产生的脉冲展宽。和多色光源不同，单色光源脉冲展宽与输入脉冲宽度1有关。根据式(2.56a)，可以选取

28、使输出脉冲宽度2最小的最佳输入脉冲宽度1 (2.56a) 由此得到最佳输出脉冲宽度中等谱宽：设光源的频谱宽度和调制带宽s相近(s)，这相当于频谱宽度较大的单纵模激光器。在这种情况下 (2.56b) (2.56c) (2.57) 式中，为光源的rms频谱宽度(用角频率表示)。同样可以选取使2最小的最佳1。偏振模色散在理想完善的单模光纤中，HE11模由两个具有相同传输常数相互垂直的偏振模简并组成。但实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双折射色散。偏振模色散取决于光纤的双折射，由=xynxknyk得到， (2.5

29、8) 式中，nx和ny分别为x和y方向的等效折射率。偏振模色散本质上是模式色散，由于模式耦合是随机的，因而它是一个统计量。目前虽没有统一的技术标准，但一般要求偏振模色散小于0.5 ps/km。由于存在偏振模色散，即使在色度色散C()=0的波长，带宽也不是无限大，见图2.14。2.3.2光纤损耗由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管是模拟信号还是数字信号，其幅度都要减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示 式中，是损耗系数。设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，根据式(2.59)，输出光功率应为Po=Pi

30、exp(L)(2.60)习惯上的单位用dB/km，由式(2.60)得到损耗系数 1. 损耗的机理图2.15是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。 (2.59) (2.61a) 图 2.15单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。由材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外(UV)区(7 m)，由于SiO2是非晶状材料，两种吸收带从不同方向伸展到可见光区。由此而产生的固有吸收很小，在0.81.6 m波段，小于0.1 dB/km，在1.31.6 m波段，小于0.03 dB/km。光纤中的杂质

31、主要有过渡金属(例如Fe2+、Co2+、Cu2+)和氢氧根(OH)离子，这些杂质是早期实现低损耗光纤的障碍。由于技术的进步，目前过渡金属离子含量已经降低到其影响可以忽略的程度。由氢氧根离子(OH)产生的吸收峰出现在0.95 m、1.24 m和1.39 m波长，其中以1.39 m的吸收峰影响最为严重。目前OH的含量已经降低到109以下，1.39 m吸收峰损耗也减小到0.5 dB/km以下。 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。瑞利散射损耗R与波长四次方成反比，可用经验公式表示为R=A/4，

32、瑞利散射系数A取决于纤芯与包层折射率差。当分别为0.2%和0.5%时，A分别为0.86和1.02。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。如果=0.2%，在1.55m波长，光纤最低理论极限为0.149 dB/km。 2. 实用光纤的损耗谱根据以上分析和经验，光纤总损耗与波长的关系可以表示为式中，A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW()、IR()和UV()分别为杂质吸收、 红外吸收和紫外吸收产生的损耗。图2.16示出三种实用光纤和一种优质单模光纤测量的损耗谱。 = +B+CW()+IR()+UV() (2.61b) 图 2.16光纤损耗谱(a) 三种实用光纤；

33、 (b) 优质单模光纤 由图2.16看到： 从多模突变型(SIF)、 渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。在0.81.55 m波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长增加而迅速减小。在1.39 m OH吸收峰两侧1.31 m和1.55 m存在两个损耗极小的波长“窗口”。另一方面，从色散的讨论中看到： 从多模SIF、 GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。石英单模光纤的零色散波长在1.31 m，还可以把零色散波长从1.31 m移到1.55 m，实现带宽最大损耗最小的传输。正因为这些特性，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85 m)“窗口”

34、发展到长波长(1.31 m和1.55 m)“窗口”，使系统技术水平不断提高。 2.3.3光纤标准和应用制订光纤标准的国际组织主要有ITU-T(国际电信联盟-电信标准化机构)，即原CCITT(国际电报电话咨询委员会)和IEC(国际电工委员会)。表2.3列出了ITU-T已公布的光纤特性的标准。表 2.3光纤特性的标准 * 括号内的数字是已经达到的水平。 G.651多模渐变型(GIF)光纤，这种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中小容量、 中短距离的通信系统。G.652常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。目前世界上已敷设的光纤线路90%采用

35、这种光纤。这种光纤的缺点是，在零色散波长1.31 m损耗(0.4 dB/km)不是最小值。在1.31 m光纤放大器投入使用之前，要实现长距离通信系统，只能采用电/光和光/电的中继方式。 G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m 色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统，特别是20世纪80年代末期1.55 m分布反馈激光器(DFB-LD)研制成功，90年代初期1.55 m掺铒光纤放大器(EDFA)投入应用，突破通信距离受损耗的限制，进一步提高了大容量长距离通信系统的水平。G.6541.55 m损耗最小的单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，在1

36、.55 m色散为 1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。这种光纤实际上是一种用于1.55 m改进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。 此外, 还有色散补偿光纤，其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。这种光纤是针对波长1.31 m常规单模光纤通信系统的升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器(EDFA)以增加传输距离时，必须把工作波长从1.31 m移到1.55 m。用色散补偿光纤在波长1.55 m的负色散和常规单模光纤在1.55 m的正色散相互抵消，以获得线路总色散为零损耗又最小的效果。 G.655非零色散光纤，是一种改进的色散移

37、位光纤。在密集波分复用(WDM)系统中，当使用波长1.55 m色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的有害的频率分量，它使信道间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为消除这种效应，科学家开始研究了非零色散光纤。这种光纤的特点是有效面积较大，零色散波长不在1.55 m，而在1.525 m或1.585 m。在1.55 m有适中的微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统中的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10 Gb/s以上。非零色散光纤具有常规单模光纤

38、和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。康宁(Corning)公司开发的这种新型光纤称为长距离系统光纤(Long Haul System Fiber)，其结构见图2.3(b)。AT&T(美国电报电话)公司开发的这种光纤称为真波光纤(True Wave Fiber)。 2.4光缆对光缆的基本要求是保护光纤的机械强度和传输特性，防止施工过程和使用期间光纤断裂，保持传输特性稳定。为此，必须根据使用环境设计各种结构的光缆，以保证光纤不受应力的作用和有害物质的侵蚀。2.4.1光缆基本要求保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑

39、料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料(例如紫外固化的丙烯酸树脂)进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料(例如高强度聚酰胺塑料)进行二次被覆。 应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为p，作用时间为tp(设为1 s)； 长期使用时，容许施加的应力为r，作用时间为tr，断裂概率为106 km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间(光纤使用寿命)tr和应力比r/p的关系示于图2.17。图中n为疲劳因子，其数值随环境条件而变化，例如充气光缆n=20，不充气光缆n=1320。由图可见，为保证20年的光纤使用寿命，应力比被限制为0.

40、200.35。经验确定，陆上光缆敷设后，长期使用应力(用应变表示)r=0.17%，因此要求筛选应力p=0.5%0.9%，海底光缆要求更高，p2%。 图 2.17光纤使用寿命和应力比的关系即使进行应力筛选，软塑料一次被覆光纤的机械强度，对于成缆的要求还是不够的。因此要用硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、 松套、 大套管和带状线光纤四种，见图2.18。 图 2.18二次被覆光纤(芯线)简图(a) 紧套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 带状线把一次被覆光纤装入硬塑料套管内，使光纤与外力隔离是保护光纤的有效方法。在工程应用中，光缆不可避免要遭受一定的拉力而伸长，或者遭遇低温而收缩。因

41、此，松套管内的光纤要留有一定的余长，使光纤受拉力或压力的作用。图2.19表示松套管光纤无应力“窗口”。 图 2.19松套管光纤的无应力“窗口”2.4.2光缆结构和类型光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1. 缆芯缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。加强件通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳纶纤维(Kevlar)做成。光缆类型多种多样，图2.20给出了若干典型实例。根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。图 2.20光缆类型的典型实例层绞式把松套光

42、纤绕在中心加强件周围绞合而构成。这种结构的缆芯制造设备简单，工艺相当成熟，得到广泛应用。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。带状式把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状式缆芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网

43、。2. 护套护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。不同使用环境和敷设方式对护套的材料和结构有不同的要求。根据使用条件，光缆又可以分为许多类型。一般光缆有室内光缆、 架空光缆、 埋地光缆和管道光缆等。特种光缆常见的有： 电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)，跨越海洋的海底光缆，易燃、 易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。 2.4.3光缆特性光缆的传输特性取决于被覆光纤。对光缆机械特性和环境特性的要求由使用条件确定。光缆生产出来后，对这些特性的主要项目，例如拉

44、力、 压力、 扭转、 弯曲、 冲击、 振动和温度等，要根据国家标准的规定做例行试验。成品光缆一般要求给出下述特性，这些特性的参数都可以用经验公式进行分析计算，这里我们只作简要的定性说明。1. 拉力特性光缆能承受的最大拉力取决于加强件的材料和横截面积，一般要求大于1 km光缆的重量，多数光缆在100400 kg范围。 2. 压力特性光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧压力在100400 kg/10 cm。3. 弯曲特性弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差以及光缆的材料和结构。实用光纤最小弯曲半径一般为2050 mm，光缆最小弯曲半径一般为200500 mm，

45、等于或大于光纤最小弯曲半径。在以上条件下，光辐射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小弯曲半径，附加损耗则急剧增加。4. 温度特性光纤本身具有良好的温度特性。光缆温度特性主要取决于光缆材料的选择及结构的设计，采用松套管二次被覆光纤的光缆温度特性较好。温度变化时，光纤损耗增加，主要是由于光缆材料(塑料)的热膨胀系数比光纤材料(石英)大23个数量级，在冷缩或热胀过程中，光纤受到应力作用而产生的。在我国，对光缆使用温度的要求，一般在低温地区为40+40，在高温地区为5+60。 2.5光纤特性测量方法光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、 光学特性和传输特性三类。几何特性包括纤芯与包层的直径、 偏

46、心度和不圆度； 光学特性主要有折射率分布、 数值孔径、 模场直径和截止波长； 传输特性主要有损耗、 带宽和色散。每个特性参数有多种不同的测量方法，国际标准和国家标准对各个特性参数规定了基准测量方法和替代测量方法。在光纤通信系统的应用中，当使用条件变化时，几何特性和大多数光学特性基本上是稳定的，一般可以采用生产厂家的测量数据。损耗、 带宽(色散)和截止波长，不同程度地受使用条件的影响，直接关系到光纤传输系统的性能，也是我们要特别关注的指标。 本节介绍光纤损耗、 带宽(色散)和截止波长的测量原理和测量方法。这些特性参数的测量的共同的特点是用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或

47、幅度、 相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理来实现。测量系统一般包括发射光源、 注入装置和接收与数据处理设备。测量仪器要求稳定、 可靠，并有足够的精确度。测量的详细技术规范由国际标准(例如ITU-T，即原CCITT G650)或国家标准确定。 2.5.1损耗测量光纤损耗测量有两种基本方法： 一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。1. 剪断法光纤损耗系数由式(2.61a)确定，即 (2.62a) 式中，L为被测光纤长度(km)，P1和P2分别为输入光功率和输出光功率(mW或W)。由此可见，只要测量长度为L2的长光纤输出光功率P2，保

48、持注入条件不变，在注入装置附近剪断光纤，保留长度为L1(一般为23 m)的短光纤，测量其输出光功率P1(即长度为L=L2L1这段光纤的输入光功率)，根据式(2.62a)就可以计算出值。 问题是由于高阶模式的损耗比低阶模式的更大，在光纤中传输的(对数)光功率lgP与光纤长度L的关系不是线性关系。如图2.21所示，测得的值与注入条件和光纤长度有关，但不能惟一代表光纤的本征特性。由图可见，只有在稳态模式分布(注入光束数值孔径NAb和被测光纤数值孔径NAf相匹配)的注入条件下，lgP与L才是线性关系。在满注入(NAbNAf)或欠注入(NAbNAf)的条件下，被测短光纤的长度要等于或大于光纤耦合长度(L

49、1Lc)，才能获得稳态模式分布。只有在稳态模式分布的条件下，才能得到惟一代表光纤本征特性的值。 图 2.21光功率和光纤长度的关系获得稳态模式分布有三种方法： (1) 建立NAbNAf的光学系统； (2) 建立稳态模式模拟器，一般包括扰模器和包层模消除器； (3) 用一根性能和被测光纤相同或相似的辅助光纤，代替光纤耦合长度的作用，这种方法在现场应用得非常方便。 图2.22示出剪断法光纤损耗测量系统的框图。光源一般采用光谱宽度足够窄的激光器。在整个测量过程中，光源位置、 强度和波长应保持稳定。注入装置的功能是保证多模光纤在短距离内达到稳态模式分布。对于单模光纤，应保证全长为单模传输。接收一般包括

50、光敏面积足够大的光检测器、 放大器和电平测量或数据显示，通常用光功率计来实现。根据测得的P1和P2计算值。 图 2.22剪断法光纤损耗测量系统框图对于损耗谱的测量要求采用光谱宽度很宽的光源(例如卤灯或发光管)和波长选择器(例如单色仪或滤光片)，测出不同波长的光功率P1()和P2()，然后计算()值。剪断法是根据损耗系数的定义，直接测量传输光功率而实现的，所用仪器简单，测量结果准确，因而被确定为基准方法。但这种方法是破坏性的，不利于多次重复测量。在实际应用中，可以采用插入法作为替代方法。插入法是在注入装置的输出和光检测器的输入之间直接连接，测出光功率P1，然后在两者之间插入被测光纤，再测出光功率

51、P2，据此计算值。这种方法可以根据工作环境，灵活运用，但应对连接损耗作合理的修正。 2. 后向散射法瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。设在光纤中正向传输光功率为P，经过L1和L2点(L1P2)，从这两点返回输入端(L=0)。光检测器的后向散射光功率分别为Pd(L1)和Pd(L2)，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数(2.62b) 式中右边分母中因子2是光经过正向和反向两次传输产生的结果。后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。显然，式中，c为真空中的光速，n1为光纤的纤芯折

52、射率，t为光脉冲的往返传播时间。 (2.63) 图2.23示出后向散射法光纤损耗测量系统的框图。光源应采用特定波长稳定的大功率激光器，调制的脉冲宽度和重复频率应和所要求的长度分辨率相适应。耦合器件把光脉冲注入被测光纤，又把后向散射光注入光检测器。光检测器应有很高的灵敏度。 图 2.24是后向散射功率曲线的示例，图中(a)输入端反射区；(b)恒定斜率区，用以确定损耗系数；(c)连接器、接头或局部缺陷引起的损耗；(d)介质缺陷(例如气泡)引起的反射；(e)输出端反射区，用以确定光纤长度。图 2.23后向散射法光纤损耗测量系统框图图 2.24后向散射功率曲线的示例用后向散射法的原理设计的测量仪器称为光时域反射仪(OTDR)。这种仪器采