通工专业-光纤通信技术-第二章-光纤光缆技术

1、第2章 光纤和光缆光纤的基本概念1光纤传输原理2光纤传输特性3本章内容2022/8/27光 缆42022/8/27预 备 知 识光波用频率(波长)、相位和传播速度来描述；频率：每秒传播的波数；波长：介质真空中传输一个波的距离；频率单位：Hz, MHz,GHz,THz波长单位： 微米 纳米频率光速波长1、当一束光线按照一定的角度射向一块平面镜时，它就会从镜面“反弹”出去，这种“反弹”现象就叫做光的反射，这种反射叫做菲涅尔反射。反射与折射 2、当光以一定的角度从某种介质进入另一种介质时，它 的传播方向也会改变，在两种介质的分界面上并不沿 直线传播,而是发生了偏折,光的这种偏折现象叫做折射。光的反射

2、服从反射定理: 1=2，即反射角等于入射角光的折射服从折射定律： ，即光线从折射率为n1的介质以入射角1射到两个介质的分界面，并以2进入折射率为n2的介质中时满足上述关系。3、折射率 光在均匀介质中沿直线传播，其传播速率为： V = c / n 式中：c = 2.997108 3.0108 m/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率，V是光在该种介质中的速度。光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率。折射率可由下式确定： n = c / V 在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n (0为光在真空中波长)。4、光在介质中的速度由这种介质的

3、折射率决定。不同的介质有不同的折射率，光在折射率小的介质中跑的快，在折射率大的介质中跑的慢。4、全反射定理：光从光密媒质（n1）进入到光疏媒质（n2），当入射角增大到一定的角度时，折射光就会全部消失。即 in =arcsin（n2 /n1 ）。 其中c arcsin （n2 /n1 ），称为临界角，即在第二种介质的折射角为90度时的入射角。 要产生全反射，必须有两个条件：第一，光必须从折射率大的介质射入折射率小的介质；其次，入射角必须大于临界角。二者缺一不可。光从折射率低的介质向折射率高的介质入射时，是绝对不会产生全反射的。5、光也是电磁波，是一种波长更短的电磁波。6、常用的单位1000pm（

4、picometer）=1nm（nanometer）1000um=1mm（milimeter）1000nm=1um1000mm = 1 m（meter）7、dBm = 10log2（P /1mW） 0dBm = 1 mW 3dBm = 2 mW 5dBm = 3 mW 10dBm = 10 mW 20dBm = 100 mW -3dBm = 0.5 mW -10dBm =100uW -30 dBm = 1uW -60 dBm = 1 nW2.1 光纤的基本概念2.1.1 光纤的结构 1. 光纤结构 光纤(Optical Fiber，OF )是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介

5、质构成，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，如图2.1所示。 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。 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。图2.1 光纤结构示意图2a纤芯包层涂覆层n1n2450m125m250m纤芯和包层的相对折射率差=(n12 -n22 )/2 n12 （n1-n2）/n1的典型值，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，但信息传输容量却越小。纤芯：极高纯度的SiO

6、2，其中掺入极少量的磷或锗掺杂剂，以提高纤芯的折射率ncore。纤芯的折射率一般是1.4631.467.单模光纤的纤芯直径d1为8 10m，多模光纤的纤芯直径d1= 50 m左右。包层：直径d2=125m，含有极少量掺杂剂的SiO2，掺杂剂为氟或硼，以降低包层的折射率nskin，使之略小于纤芯的折射率ncore，把光信号封闭在纤芯中传输。包层的折射率一般是1.451.46左右。涂敷层：其作用是保护光纤不受水气的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的机械强度和柔韧性。涂覆后的光纤外径约250m，通常所说的光纤为此种光纤。塑料外套：加在涂敷层外，起保护作用，外径约1.5mm。可分紧套光纤和松套光纤。2

7、.1.2 光纤的分类 光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类等。材料传输模式波长按截面上折射率分布用途按ITU-T建议1、按材料分类石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光 纤、全塑料光纤和氟化物光纤等。 特点：制造成本低廉、芯径较大、耦合效 率高、损耗较大、带宽较小只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链 路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。2、按传输模式的数量分类传播模式：光在光纤中传播时，若光纤纤芯的 几何尺寸远大于光波波长时，光在 光纤中会以几十种乃至几百种传播 模式进行传播

8、，这些不同的光束称 为模式。实质描述的是电磁场的 场型结构分布。多模光纤 （Multi-Mode Fiber，MMF）单模光纤 （Single Mode Fiber，SMF）多模光纤（MMF）当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。纤芯较粗(50m左右)；模间色散：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。限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重，因此只适合短距离传输。单模光纤（SMF）当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1 ）较小，与光波

9、长在同一数量级，如芯径d1 在4m10m范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。纤芯细(芯径一般为410m)；只能传输一种模式的光；在1.31m波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小正好相等。这也就是说在1.31m波长处，单模光纤总色散为零。材料色散：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，其传播时间不同而产生。波导色散：由于波导结构参数与波长有关而产生。谱宽窄、稳定性好特种单模光纤 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下图所示： (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 双

10、包层光纤: 色散平坦光纤（DFF） 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。 色散移位光纤（DSF）G.653 超大容量超长距离系统。使用于密集波分复用和孤子传输的长距离系统。 三角芯光纤: 改进的色散移位光纤 椭圆芯光纤: 双折射光纤或偏振保持光纤。提高接收灵敏度，增加传输距离。3、按波长分类短波长光纤(0.80.9m)：0.85m长波长光纤(1.01.7m)：1.31m、1.55m超长波长(2m)光纤4. 按光纤截面上折射率分布分类图2.2 光纤的折射率分布光纤折射率变化可用折射率沿半径的分布函数n(r)表示(2-1)(2-2)阶跃型光纤：光纤的纤芯折射率高于包层折射率

11、，使得输入的光能在纤芯与包层交界面上不断产生全反射而前进。纤芯到包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称阶跃光纤。特点：模间色散少，光纤带宽宽，传输距离长。单模光纤大都采用阶跃型光纤。渐变型光纤：纤芯到包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播。特点：模间色散高，传输频带不宽，传输速率低。多模光纤多为渐变型光纤。5、按用途分类掺铒光纤（EDF）：增益大，平坦特性好。同时，铒纤涂层有特种碳保护，光纤的长期稳定性得到保障。色散补偿光纤（DCF）：可以补偿不同光纤在不同波段的色散，同时可以提供正或负色散值。保偏光纤：保偏光纤的工作波长包括了从480nm到 1550nm波段，采用了双层的涂

12、层覆盖，可 以选用不同涂层原料，涂层外径有 250um,400um以及900um等。6、按ITU-T建议分类按照ITU-T 关于光纤类型的建议，可将光纤分成：G.651光纤：多模渐变型光纤，中小容量、中短距离。G.652光纤：标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤。G.653 光纤(DSF:Dispersion Shift Fiber )：也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。G.654光纤(CSF：Cut-off Shift Fiber )：G.654光纤是截

13、止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。G.655光纤(NZ-DSF)：由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。7、按光纤的套塑形式分类按套塑方式(二次涂覆层)可以将光纤分为：松套光纤：就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由

14、活动。紧套光纤：紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。目前，实用的石英光纤主要有三种基本类型： 阶跃型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF）：只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF）：适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）：用在大容量长距离的系统。 图 2.2三种基本类型的光纤(a) 阶跃型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 2.2 光纤传输理论2.2 光纤传输理论2.2.2 光纤传输的几何光学解释 几

15、何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径 时间延迟 分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤 渐变型多模光纤光线分类子午平面：通过光纤中心轴的任何平面都称为子午平面。均匀平面波波阵面：空间相位相同的点构成的曲面，即等相位面平面波：等相位面为无限大平面的电磁波均匀平面波：等相位面上电场和磁场的方向、振幅都保持不变的平面波均匀平面波是电磁波的一种理想情况，其分析方法简单，但又表征了电磁波的重要特性均匀平面波在均匀理想介质中的传播特性可通以下3个参量（传播速度v，波阻抗Z 和相位常数k）均匀平面波的传播特性传播速度v：平面波的传播速度是指在平面波的传播方向

16、上等相位面的传播速度，故又称为相速。其表达式为：（2.5）式中 为介质的介电系数， 为介质的导磁率。波阻抗Z：电场强度仅有x分量，而磁场强度仅有y分量，电场 和磁场之比所得到的Z具有阻抗的量纲，称为波阻抗。其表达式为： (2.6) 相位常数k： k代表了在单位长度上相位变化了多少，称之为相位常数，也称为波数。其表达式为：(2.7)其中 为角频率， 为光波在介质中的波长。平面波可分成水平极化波和垂直极化波：电场矢量与分界面平行的平面波叫做水平极化波，磁场矢量与分界面平行的平面波叫做垂直极化波。1. 阶跃型多模光纤 数值孔径 为简便起见，以阶跃型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输

17、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)。 图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理 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。 图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理由此可见，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的正弦值为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律 NA=n

18、0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2)n0=1，又由sin2c +cos2c=1经简单计算得到(2.3) 图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理 式中=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。 光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率n1和n2 ，与光纤的直径无关。 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，在c内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

19、使用场合，选择适当的NA。 例题： 设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。求: （1）相对折射率差； （2）数值孔径NA； （3）入射临界角max 。 解：（1）相对折射率差：0.01（2）数值孔径NA：0.21（3）入射临界角max12.12o42定义沿 z 轴方向传播单位距离的时间为光线的传播时延，用表示，则有：子午光线在光纤中的传播rLpzpQPn1n20z需要时间:ZP = LP COS 对于子午光线而言，它在纤芯中按锯齿状路径传播，设如下图所示， Lp 为光线路径P、Q 间距离， 为光线与 z 轴的夹角，则光线在 z 方向行进的距离为: 3. 传播时延和时延

20、差43 所有可能存在的子午光线中，路径最短的光线是沿 z 轴方向直线传播的光线，其 0。路径最长的光线则是沿全内反射临界角行进的光线，其 arccos-1(n1/n2)，它们的单位距离时延差为最大值： 可见，光线传播时延在纤芯折射率n1一定时，仅与光线与 z 轴的夹角 有关，若在纤芯中有两条束缚光线，与 z 轴的夹角分别为 1 和 2，则它们沿 z 轴方向传输单位距离时在纤芯中走过路径不同，因而传播时延也不同，用 表示两条路径光线传播时延差，则有: 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。

21、2. 渐变型多模光纤 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，=(n1-n2)/n1为相对折射率差，g为折射率分布指数。通过改变g可获得各种折射率的光纤。 g， (r/a)0的极限条件下，式(2.6)表示突变型多模光纤的折射率分布。 g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤的折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小。 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-=n2 ra 0ran(r)= (2.6) 由于渐变型多模光纤折射率分布是径向

22、坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax 我们也可以用NA表示光纤内的功率密度即：(2.22)用此公式原理我们可测量非均匀光纤的折射率指数分布，这也是近场测量法的原理。 渐变型多模光纤的光线轨迹 射线方程的解用几何光学方法分析渐变型多模光纤要求解射线方程，射线方程一般形式为(2.23) 式中，为特定光线的位置矢量，s为从某一固定参考点起的光线长度。选用圆柱坐标(r, ，z)，把渐变型多模光纤的子午面(r - z)示于图2.13。 解2.25式，并经适当近似可得：（2.30）= cos(Az) (2.31) 由此可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是

23、传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角 ，其周期=2/A=2a/ ，取决于光纤的结构参数(a,)，而与入射角 无关。这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，这种现象称为自聚焦(Self Focusing)效应。自聚焦效应不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为自聚焦效应渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。 用几何光学分析法可以解释渐变折射率光纤中光线的传播方式。渐变折射率光纤的纤芯折射率为变量，在中心轴线处最高，之后沿径向逐渐减小。可

24、将光纤纤芯分成若干同心圆柱层，每层折射率看作常数，图中三层同心圆柱折射率满足n n n ，光线由第一层向第二层入射时，也即由光密介质向光疏介质入射时有 ，同理 ，光在每层传输后，方向都要发生变化，故渐变折射率光纤中光线会向轴线方向发生弯曲现象，而且越靠近轴线弯曲程度就越高，渐变折射率光纤对光的这种作用称为自聚焦。51渐变折射率光纤中光线的传播方式纤芯包层 n2nnnn11-2(r/a)1/2波动理论从光波的本质特性（电磁波）出发，通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁场的场分布，具有理论上的严谨性;未作任何前提近似，因此适用于各种折射率分布的单模光和多模光波导。2.2.3 光纤传输的波动

25、光学解释波动方程波导场方程：波动光学方法的最基本方程。它是一个典型的本征方程。当给定波导的边界条件时，求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。通常将本征解定义为“模式”。基本概念模式：波动理论的概念。波动理论一种电磁场的分布称之为一个模式。射线理论一个传播方向的光线对应一种模式。导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。 辐射模：从纤芯向外辐射的模式。基本概念模式： 所谓的光纤模式，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，电磁场的稳态分布。光纤中有多个传输模式，它与波长，光纤结构，纤芯和包层的折射率有关。导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面

26、引导前进，这种波称为导波。 传导模：能从高光纤的一端传到另一端，在光纤中长距离传播的模式称为导模。 注意！导波不等以波导麦克斯韦方程及波动方程麦克斯韦方程及波动方程 选用圆柱坐标(r，z)，使z轴与光纤中心轴线一致，如图所示。 (1a)(1b)一、波动方程和电磁场表达式 均匀光纤中的标量场方程 将式(1)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez 、磁场的 z分量Hz的波动方程为：(2a)(2b) 求解Ez 和Hz，通过麦克斯韦方程组导出电磁场横向分量Er、Hr和E、H的表达式。均匀光纤中的标量场方程 设光沿光纤轴向(z轴)传输，其传输常数为，则Ez(z)应为exp(-jz)。 由于光纤的圆对称性

27、，Ez()应为方位角的周期函数， 设为exp( jv)，v为整数。 Ez(r)为未知函数，利用这些表达式，电场z分量可以写成: Ez(r,z)=Ez(r)ej(v-z) (3) 把式(3)代入式(2)得到:均匀光纤中的标量场方程 式中，k0=2/=2f /c=/c，和f为光的波长和频率。 设纤芯(0ra)折射率n(r)=n1，包层(ra)折射率n(r)=n2，为求解方程(4)，引入无量纲参数u, w和V。 (4) u2=a2(n21k02 -2) (0ra) w2=a2(2-n22k02) (ra) V2=u2+w2=a2k02(n21-n22) (5)均匀光纤中的标量场方程及标量解 式(6a

28、)的解应取v阶贝塞尔函数Jv(ur/a)，而式(6b)的解则应取v阶修正的贝塞尔函数Kv(wr/a)。 Jv(u)类似振幅衰减的正弦曲线，Kv(w)类似衰减的指数曲线。(0ra) (ra) (6a)(6b)利用这些参数， 把式(4)分解为两个贝塞尔微分方程：均匀光纤中的标量场方程及标量解（a)贝赛尔函数；（b)修正的贝赛尔函数Jv(u)1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6432102 4 6 8 10 uv=1v=0v=2(a)(b)v=11 2 3 4 5 wkv(w) 在纤芯和包层的电场Ez(r, , z)和磁场Hz(r, , z)表达式为: Ez1(r, , z) (

29、0ra)Hz1(r, , z)= Ez2(r, , z) Hz2(r, , z) (0Vc，则这种模式的光信号可在光纤中导行；若VVc，截止条件：V2m时特强烈。光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起损耗。 0.4m 时特强烈。受激拉曼和受激布里渊散射使输入光信号的部分能量转移到其他频率分量上。瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。弯曲损耗： 光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。光缆的生产、接续和施

30、工过程中，不可避免出现弯曲。微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起。2.3.1 光纤的损耗光纤的损耗谱0.81.01.21.41.61.8波长(um)0.010.050.10.5151050100 损耗dB/km波导缺陷紫外吸收红外吸收瑞利散射实验值OH-吸收决定光纤衰减系数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，弯曲损耗对光纤衰减系数的影响不大 。光纤的典型损耗特性850nm3dB/km1310nm0.30.4dB/km(典型值为0.35dB/km)1550nm0.3dB/km以下(典型值为0.2d

31、B/km）(理论极限值0.154dB/km)单模与多模光纤损耗对比单模光纤损耗要小一些原因包括以下几点：光能量主要在纤芯中传输纤芯所需原料少，更易保证其纯度纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减小包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中纤芯小，弯曲损耗更低商用的多模光纤与单模光纤的损耗谱比较多模光纤的损耗大于单模光纤：- 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 (本征散射大)- 由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤单模光纤2.3.1 光纤的损耗微弯损耗和宏弯损耗机理宏弯损耗曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲微弯损耗光纤成缆时产生，沿轴向的随机性弯曲消逝场q qcqRqqClad

32、dingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加宏弯带来的应用局限：Verizon的烦恼Verizon钟爱光纤：花费230亿美元配置了12.9万公里长的光纤，直接连到180万用户家中，提供高速因特网和电视服务。光纤到户使Verizon遇到困境：宏弯引起信号衰减。2.3.1 光纤的损耗新技术：抗宏弯的柔性光纤Photonic Crystal FiberPhotonic Bandgap Fiber康宁公司帮组Verison解决了问题：可弯曲、折返、打结，已在2500万户家庭中安装。日本NTT也完成了这种光纤的研制。2.3.1 光纤的损耗柔性光纤的优点：1. 对光的约束增强2. 在任意波段均可

33、实现单模传输：调节空气孔径之间的距离3. 可以实现光纤色散的灵活设计4. 减少光纤中的非线性效应5. 抗侧压性能增强2.3.1 光纤的损耗降低光纤损耗的方法工作波长选择选择在低损耗窗口超纯原料降低过渡金属离子浓度生产工艺减小不均匀性减小OH-离子的引入光纤保护使用过程中光纤的损耗变化变化趋势损耗增大原因热胀冷缩光纤受水分侵蚀OH-吸收损耗增大光纤分子缺陷增多损耗的补偿办法：放大电放大光电光2.5 0.6 0.6 m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3掺铒光纤放大器2.3.1 光纤的损耗2.3.2 光纤的色散1. 色散、 带宽和脉冲展宽 色散(Dispersion)是在光纤

34、中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。 色散的种类： 模式色散 材料色散 波导色散材料色散和波导色散通称为色度色散（波长色散）2.3.2 光纤的色散色散对光纤通信系统的影响对于模拟光纤通信系统：使得波形重叠、信号失真，限制系统带宽对于数字光纤通信系统：产生脉冲展宽，产生码间干扰、增加误码率，影响光纤的传输带宽、通信容量。色散的表示色散的大小常用3dB光带宽f3dB或时延差(脉冲展宽)来表示，而时延差是光脉冲的不同模式或不同波长成分传输同样距离所需的时间。用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成 n 模式色散； m材料色散； w 波导色散 所引起的脉冲展宽的均方根值。色散

35、的分类模式色散：多模光纤中每种模式的群速度不同，产生时延差。材料色散:光纤材料的折射率随光的波长的不同而变化，各种波长的光传播速度不同，引起时延差。对于普通的单模光纤， 材料色散在波长 =1.27 m左右时为零， 1.27 m时有正的色散， 12.3.2 光纤的色散单模光纤的色散 单模光纤的色散常用D() 表示，即单位波长间隔（1nm）的两个频率成分在光纤中传播1km时所产生的群时延差。在工程中将称为色散系数。即定义为：Dm 为材料色散;上式右边第二项 DW 为波导色散在已知材料色散系数的前提下，材料色散的表达式可根据色散系数的定义导出，材料色散用m表示。m()=Dm()L式中：为光源的谱线宽

36、度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。 材料色散和波导色散都是因为光源不是理想的单色光，光源谱线具有一定的宽度。因此有的教科书上把模内色散又称为频率色散或波长色散。 多模光纤中，模式色散占主要地位，模内色散很少，实际应用中可以不考虑，因此多模光纤的色散用时延差表示。单模光纤中只传输基模，不存在模式色散，此时模内色散地位就凸显出来了。当波长在1.31m附近，模内色散接近零。2.3.2 光纤的色散从多模SIF、 GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。极化色散（偏振模色散PMD） 极化色散也称为偏振模色散，用p表示，从本质上讲属于模式色散。 单模光纤

37、中可能同时存在LP01x和LP01y两种基模(理想单模光纤中简并)，也可能只存在其中一种模式，并且可能由于激励和边界条件的随机变化而出现这两种模式的交替。 由于光纤并非理想性产生双折射时，基模光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称为偏振模色散。2.3.2 光纤的色散 偏振模色散非常小，与材料色散和波导色散相比小得多，在目前的单模光纤通信中可以忽略不计，所以单模光纤的时延表示为= m+ w，但在某些光纤通信器件中，以及未来的超高速(10Gbit/s)、超大容量的光纤通信中，偏振模色散必须考虑。2 色散的表示通常用时延差表示色散，下面我们来讨论。时延设有一单一载频 ，携带一个

38、调制信号，当光波频率很高，而调制信号带宽相对较窄时，它在传输过程中的速度可用群速度 表示，则在单位时间内所用的时间 叫做单位长度的时延，即 (2.83) 代入群速度 (2.84)式中，c为光在正空中的光速， 为光波中心频率。 时延差不同速度的信号，传输相同的距离，所用时间是不同的，即存在时延差，这个时延差可用 表示。由于光源不是单色光，存在一点带宽 ，则单位带宽上引起的时延差为 ，那么由 引起的时延差为 (2.85) 代入2.51式中的 ，并考虑 ，将2.52整理后得到 (2.86)从上式可见，时延差与信号源的相对带宽 有关，相对带宽越小，时延差越小，引起的色散也越小。结论：时延并不代表色散的

39、大小，色散的大小是用时延差 表示的，时延差越大，色散越大。时延差的单位为 。 光纤的色散和带宽对通信容量的影响光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减，如图所示。 通常把调制信号经过光纤传输1km后，光功率下降一半(即3dB)时的调制频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下降3dB时对应的频率，故也称为3dB光带宽。光功率总是要用光电子器件来检测，而光检测

40、器输出的电流正比于被检测的光功率，于是因此，3dB光带宽对应于6dB电带宽。（3）码间干扰（ISI） 色散将导致码间干扰。由于各波长成分到达的时间先后不一致，因而使得光脉冲加长了（T+T），这叫作脉冲展宽，如图所示 。脉冲展宽将使前后光脉冲发生重叠，形成码间干扰，码间干扰将引起误码，因而限制了传输的码速率和传输距离。色散最终导致的信号结果：光纤的其他特性包括几何特性、光学特性、热特性、机械特性等。1 光纤的几何特性光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度和光纤翘曲度等。芯直径:芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多模光纤的芯直径为503m。包层直径:包层直径指光纤

41、的外径，ITU-T规定，多模及单模光纤的包层直径均要求为1253m。 2.3.3 光纤的其他特性纤芯/包层同心度和不圆度:纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从0.8m的规格提高到0.5m的规格。不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。ITU-T规定，纤芯/包层同心度误差6%（单模为1.0m），芯径不圆度6%，包层不圆度（包括单模）2%光纤翘曲度:光纤翘曲度指在特定长度光纤上测量到的弯曲度，可用曲率半径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数值越大，意味着光纤越直。注：纤芯/包层同心度对接续损耗的影响最大，其次是翘曲度。 2 光纤的光学特性光纤的光学特性

42、有折射率分布、最大理论数值孔径、模场直径及截至波长等。折射率分布光纤折射率分布，可用下式表示：(2.96)其中，n1=n(0)纤芯最大折射率（r=0处），n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开纤芯中心的径向距离，为相对折射率差，=(n1 n2 )/ n1 。 最大理论数值孔径（NAmax）最大理论数值孔径的定义为：（2.97）其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。光纤的数值孔径（NA）对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。 模场直径和有效面积模场直径是指描述单模光纤中光

43、能集中程度的参量。有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。图2.22所示为模场直径示意图 图2.22 模场直径截止波长理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。注：几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施工对它们

44、不产生变化，而传输特性则相反，它不影响施工，但施工对传输特性将产生直接的影响。 3 光纤的机械特性光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。光纤的抗拉强度光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。 影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。 预制棒的质量。 拉丝炉的加温质量和环境污染。 涂覆技术对质量的影响。 机械损伤。 光纤断裂分析存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如图2.23所示。图2.23 光纤断裂和应力关系示意图 光纤的寿命习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂

45、寿命。光纤的机械可靠性一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。 4 光纤的温度特性光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。如图2.24 所示。 图2.24 光纤低温特性曲线2.3.4 光纤标准和应用G.651多模渐变型(GIF)光纤 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。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色散接近零，损耗又最小。这种光

46、纤适用于大容量长距离通信系统。 G.654 1.55 m损耗最小的单模光纤 其特点是在1.55 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。 色散补偿光纤 其特点是在波长1.55m具有大的负色散。G.655非零色散光纤 是一种改进的色散移位光纤。表2.3 光纤特性的标准2.4 光缆 2.4.1 光缆结构和类型 光缆一般由缆芯、护层和加强芯三部分组成。 1. 光缆的结构 缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。 护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。 加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。 2.光缆类型 根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本形式：（1）层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。 2.4.1 光缆结构和类型图2.25 6芯紧套层绞式光缆图2.26 12芯松套层绞式直埋光缆光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V形、U 形或其它形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。骨架：聚乙烯材料，抗侧压性能好（2）骨架式我国及欧亚