光纖通信第三章

1、光纖的傳輸特性3.1光纖的損耗特性3.1.1吸收損耗3.1.2散射損耗3.1.3彎曲損耗3.1.4光纖的損耗系數(shù)3.2光纖的色散特性3.2.1色散的概念3.2.2模式色散3.2.3材料色散3.2.4波導(dǎo)色散3.2.5極化色散3.2.6總色散3.2.7光纖的色散和帶寬對通信容量的影響3.3成纜對光纖特性的影響3.3.1光纜特性3.3.2成纜對光纖特性的影響3.4典型光纖參數(shù)概述p 光纖的特性基本上可以分為幾何尺寸特性、光學(xué)特性、傳輸特性，機(jī)械特性和溫度特性五類。幾何尺寸特性包括光纖的包層直徑、芯徑、偏心度和橢圓度等；光學(xué)特性主要包括折射率分布、數(shù)值孔徑、模場直徑和截止波長；傳輸特性主要指光纖的損

2、耗特性、色散和帶寬特性。傳輸特性是光纖最主要的特性。傳輸特性是光纖最主要的特性。p 本章研究內(nèi)容主要介紹光纖的傳輸特性，首先重點(diǎn)分析光纖的損耗特性、色散特性及色散和帶寬對通信容量的影響，其次簡要介紹成纜對光纖特性的影響以及典型光纖的主要特性參數(shù)。光纖的損耗特性光纖通信是隨著光纖損耗的不斷降低而發(fā)展起來的，造成光纖損耗的原因很多，其損耗機(jī)理也很復(fù)雜。本章以石英光纖為例來討論引起光纖損耗的各種機(jī)理。光纖的損耗特性p吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH-)等雜質(zhì)對光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者為本征吸收損耗，后者為雜質(zhì)吸收損耗。1.本征吸收損耗短波長區(qū)，主要是紫外吸收的影

3、響，長波長區(qū)，主要是紅外吸收的影響。(1)紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。 在 范圍內(nèi)引起的損耗小于0.1dB/km。(2)紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。石英光纖的工作波長不能大于 。0.8 1.7 m2 m光纖的損耗特性(3)小結(jié)紫外和紅外吸收損耗，構(gòu)成了光纖的本征吸收損耗，它是材料本身所固有的，只有改變材料成分才能有微小改變。因此，在光纖制造過程中可以通過合理地選擇光纖的摻雜材料來減小本征吸收損耗。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)工作波長較長時(shí)，

4、摻GeO2雜質(zhì)的光纖材料是最理想的。用SiO2-GeO2材料制成的單模光纖，在 波長處測得的損耗僅為0.2dB/km。1.55 m光纖的損耗特性2.雜質(zhì)吸收損耗光纖中的氫氧根離子和過渡金屬離子造成的損耗，過渡金屬離子比較容易去除，氫氧根離子含量低，但吸收影響較大，不過，隨著科技的發(fā)展和工藝的不斷提高，OH-的含量將不斷降低。當(dāng)降到0.81.0ppb(10-9)時(shí)在整個(gè)0.71.6 波譜范圍內(nèi)，其吸收峰基本消失，得到如下圖所示虛線所示的曲線，1.31 波長窗口和1.55 波長窗口不再被OH-吸收峰隔開，因此，可以得到一個(gè)很寬的低損耗波長窗口，有利于波分復(fù)用。mmm光纖的損耗特性3.原子缺陷吸收損

5、耗通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很容易在光場的作用下產(chǎn)生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。原子缺陷吸收，可以通過選用合適的制造工藝、不同的摻雜材料及含量使之減小到可以忽略不計(jì)的程度。光纖的損耗特性p 散射損耗散射：光線通過均勻透明介質(zhì)時(shí)，從側(cè)面是難以看到光線的。如果介質(zhì)不均勻，如空氣中漂浮的大量灰塵，我們便可以從側(cè)面清晰地看到光束的軌跡。這是由于介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散開的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱之為散射。散射損耗是以光能的形式把能量輻射出光纖之外的一種損耗。散射損耗可分為線性散射損耗和非線

6、性散射損耗。1.線性散射損耗定義：任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。線性散射損耗包括瑞利散射和光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)。光纖的損耗特性(1)瑞利散射瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。從圖3-1中可以看到這種損耗隨著波長的增加而急劇減小。從圖3-1還可以看出，對于短波長光纖損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。(2)

7、光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗)定義：在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化，圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等。這些結(jié)構(gòu)上不完善處的尺寸遠(yuǎn)大于光波波長，引起與波長無關(guān)的散射損耗。隨著工藝的改進(jìn)，損耗可以降低到0.010.05dB/km的范圍之內(nèi)。光纖的損耗特性2.非線性散射損耗光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別稱為受激喇曼散射和受激布里淵散射。在高功率傳輸時(shí)，光纖中的受激喇曼散射和受激布里淵散射能導(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，一旦入射光功率超過閾值，散射光強(qiáng)將呈指數(shù)增長。系統(tǒng)采用波

8、分復(fù)用(WDM)和摻餌光放大器(EDFA)時(shí)，一定要考慮這兩種散射損耗的影響。p 彎曲損耗光纖的彎曲有兩種形式，分別是宏彎和微彎。宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲；微彎：光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲。光纖彎曲會造成模式轉(zhuǎn)換，低階模轉(zhuǎn)成高階模，從而造成損耗增大，若導(dǎo)模轉(zhuǎn)換為輻射模，則造成輻射損耗。光纖的損耗特性p 光纖損耗特性總結(jié)以GeO2-P2O5-SiO2光纖損耗的波譜圖為例，介紹光纖的各種損耗特性。光纖的損耗特性p 光纖損耗系數(shù)定義：為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用 表示損耗系數(shù)，單位是dB

9、/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：式中：為光纖長度，以km為單位； 和 分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或 為單位。如果光纖的輸入和輸出光功率以dB為單位，則損耗系數(shù) 為：1210lg(/)PdB kmLPL1P2PW12(/)PPdB kmL光纖的色散特性p 色散的概念色散色散：在光纖中，光信號是由很多不同的成分(如不同模式、不同頻率)組成的，由于信號的各頻率成份或各模式成份的傳播速度不同，經(jīng)過光纖傳輸一段距離后，不同成份之間出現(xiàn)時(shí)延差，從而引起信號畸變，這種現(xiàn)象稱為色散。色散的危害色散的危害：在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，會引起光脈沖展寬，嚴(yán)重時(shí)前后脈沖將相互重疊，形成碼間干擾，誤碼率增大，影響了光

10、纖的傳輸帶寬從而限制了光纖通信系統(tǒng)的傳輸容量和中繼距離。色散分類色散分類：按色散產(chǎn)生的原因，分為模式(模間)色散、材料色散、波導(dǎo)色散和極化色散。多模光纖中模式色散占主導(dǎo)地位；單模光纖中包含材料色散、波導(dǎo)色散和極化色散；嚴(yán)格地說，極化色散屬于模式色散。光纖的色散特性p 模式色散射線理論解釋射線理論解釋：由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時(shí)延差。常用時(shí)延差表示色散程度。1.階躍型光纖中的模式色散從射線理論角度，計(jì)算模式色散公式為：在弱導(dǎo)光纖中：實(shí)際的模式色散要比理論計(jì)算好一些，原因是：(1)傳導(dǎo)模間的相互變換(2)傳導(dǎo)模和輻射模間的變換。111211(1)sinMcLnnLnLLcc

11、cncnn121212nnnnnn 光纖的色散特性2.漸變型光纖中的模式色散纖芯中折射率服從拋物線分布的光纖的模式色散 纖芯折射率分布公式：最大模式時(shí)延：最小模式時(shí)延：模式色散為：折射率為其他指數(shù)分布的漸變型光纖的模式色散A.其中， 為光纖的折射率分布指數(shù)。2 1/2( )(0)12 ( ) rn rna 2max1(0)(0)2LnLntcc min(0)Lntc2maxmin1(0)2MLnttc2(0)()22MLnc光纖的色散特性3.比較兩種類型光纖的模式色散(1)折射率按拋物線分布的漸變光纖的模式色散與 成正比，而階躍型光纖的模式色散與 成正比；由于 小于1，因此一般情況下，拋物線分

12、布的光纖比階躍光纖的模式色散小。(2)從光纖模式色散的公式可看出：光纖的 值越大，模式色散就越大，相應(yīng)帶寬就越窄；而光纖的數(shù)值孔徑NA與 成正比，即 越大，光纖的集光能力就越強(qiáng)，有利于光源與光纖的耦合，可以增加入纖的光功率。由此可見，光纖的模式色散和數(shù)值孔徑之間存在著矛盾，設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮。(3)通過例子，說明漸變型光纖比階躍型光纖的模式色散小得多。21/2光纖的色散特性p 材料色散定義定義：光纖材料的折射率隨光波長的變化而變化，從而引起脈沖展寬的現(xiàn)象稱為材料色散。機(jī)理機(jī)理：光纖通信系統(tǒng)中，光源所發(fā)光非單一波長的光，而是具有一定的譜線寬度。光的傳播速度也是隨波長而變化的。當(dāng)具有一定譜線寬度的

13、光源所發(fā)出的光脈沖入射到光纖中傳輸時(shí)，不同波長的光脈沖將有不同的傳播速度，在到達(dá)出射端面時(shí)將產(chǎn)生時(shí)延差，從而使脈沖展寬。1.色散系數(shù)色散系數(shù)定義定義：一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個(gè)物理量來衡量，色散系數(shù)定義為單位波長間隔內(nèi)各頻率成份通過單位長度光纖所產(chǎn)生的時(shí)延差，用 表示，單位是ps/(nm.km)。 色散的具體表達(dá)式可以根據(jù)群速度定義導(dǎo)出： 經(jīng)過一系列的公式推導(dǎo)，得到： 其中， 為歸一化傳播常數(shù)，第一項(xiàng)為材料色散系數(shù)材料色散系數(shù)(由于纖芯材料的折射率隨波長的變化而變化)，第二項(xiàng)為波導(dǎo)色散系數(shù)波導(dǎo)色散系數(shù)(因?yàn)?都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以稱為波導(dǎo)色散系數(shù))。( )D( )

14、dDd221122()( )d nnd VbDVc dcdV 22/b W V, b V光纖的色散特性2.材料色散定義：材料色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，材料色散用 表示：其中， 為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時(shí)所對應(yīng)的波長范圍； 是光纖的傳播長度。 材料色散要比模式色散?。?光纖的色散系數(shù)可正可負(fù)； 正色散表示波長長傳播慢； 負(fù)色散表示波長長傳播快； 正負(fù)色散光纖結(jié)合改善總色散；m( )( )mmDL L光纖的色散特性p 波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散是由于傳播常數(shù)隨波長變化引起的，是色散系數(shù)公式中第二項(xiàng)：從這個(gè)表達(dá)式看出：它與歸一化頻率 和 的乘積成正比，而 和 又都是光纖波導(dǎo)結(jié)

15、構(gòu)參數(shù)的函數(shù)。根據(jù)右圖的曲線，可求出波導(dǎo)色散系數(shù)。 波導(dǎo)色散系數(shù)和材料色散系數(shù)當(dāng)； 感興趣波長內(nèi)，波導(dǎo)色散均為負(fù)值； 纖芯越小，相對折射率差越大，波導(dǎo)色散越?。?一定波長范圍內(nèi)，波導(dǎo)色散與材料色散的代數(shù)和為零。22()d VbdVVVb212()( )wnd VbDVcdV 光纖的色散特性p 極化色散定義：極化色散也稱為偏振模色散，用 表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散。 光纖中存在的是線偏振模LPM； 單模光纖中, LP01按照場強(qiáng)的偏振方向區(qū)分為LP01x和LP01y兩種； 單模光纖中，有可能同時(shí)存在兩種模式，也有可能只存在一種模式，還有可能存在兩種模式的交替； 單模光纖中，理論上兩種模式是簡并

16、的，具有相同的傳播常數(shù)，但由于實(shí)際光纖的不完善性和外界的應(yīng)力擾動，會導(dǎo)致光纖內(nèi)部產(chǎn)生雙折雙折射現(xiàn)象射現(xiàn)象，也就是二者不再簡并，沿光纖傳輸時(shí)，會產(chǎn)生差分群時(shí)延，從而引起光脈沖的展寬； 單模光纖中，極化色散計(jì)算公式為： ； 單模光纖中，通過減小光纖不完善性，減小其橢圓度，減小內(nèi)部殘余應(yīng)力，減小光纖中的雙折射現(xiàn)象，從而減小極化色散。目前單模光纖的極化色散與材料色散和波導(dǎo)色散相比很小，可忽略。 pyxpnnLc光纖的色散特性p 總色散光纖中存在著模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和極化色散，這幾種色散的大小有下列關(guān)系：模式色散材料色散波導(dǎo)色散極化色散。由于極化色散很小，一般可忽略不計(jì)。在多模光纖中，主要存在

17、模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散；單模光纖中不存在模式色散，而只存在材料色散和波導(dǎo)色散。因此，光纖的總色散為： 多模光纖 單模光纖必須說明的是，單模光纖一般只給出色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響。22()Mmwmw光纖的色散特性p 光纖的色散和帶寬對通信容量的影響光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對于調(diào)制信號而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號的高頻分量通過光纖時(shí)，就會受到嚴(yán)重衰減，如右圖所示。3dB光帶寬和6dB電帶寬。光纖的色散特性1.

18、色散與帶寬的關(guān)系色散和帶寬描述著光纖的同一個(gè)特性，它們之間存在著一定的聯(lián)系。通過公式推導(dǎo)，得出：其中， 為光纖的總帶寬，單位是Hz；為脈沖展寬，單位是s。工程中習(xí)慣帶寬 以GHz、脈沖寬帶 以ps為單位，則相應(yīng)地關(guān)系式應(yīng)為：脈沖展寬也可表示為：脈沖展寬也可表示為光纖的總色散：0.441TBTBTB441()()TBGHzps222122()Mmw光纖的色散特性2.模式畸變帶寬和波長色散帶寬光纖的總帶寬可表示為：光纖的總帶寬可表示為：式中： 是由模式色散引起的模式畸變帶寬； 是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長色散帶寬。波長色散帶寬定義為：波長色散帶寬定義為：式中： 是光源的譜線寬度，單位是nm；

19、是光纖的長度，單位是km；是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長色散系數(shù))，單位是ps/(nm.km)其中材料色散占主導(dǎo)地位。模式畸變帶寬定義為：模式畸變帶寬定義為：式中， 是模式色散，單位是ps。 1222TMcBBBMBcB441()( )cBGHzDLL( )D441()MMBGHzM光纖的色散特性3.鏈路總帶寬對通信容量的影響從公式上看，光纖的總帶寬與距離成反比，但實(shí)際測試結(jié)果表明，只有光纖的長度較短時(shí)才成立。長光纖的總帶寬不一定與長度L成反比。分有接頭和無接頭兩種情況討論光纖帶寬和長度的關(guān)系： 無接頭；式中： 是光纖的制造長度(km)， 為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模式

20、耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在0.51.0之間(多模 單模為 )。 有接頭；式中：是光纖鏈路中的光纖段數(shù)， 為第 段光纖的帶寬距離指數(shù)： 則為一批光纖的平均帶寬距離指數(shù)； 是鏈路中第 根光纖的帶寬，而不是單位千米帶寬。適當(dāng)搭配光纖，接頭處模式耦合致時(shí)延差縮小，改善帶寬適當(dāng)搭配光纖，接頭處模式耦合致時(shí)延差縮小，改善帶寬 二者在鏈路中每段光纖單位千米帶寬相同的情況下，是相等的；TBB LL0.5 0.911()1nNTnnBBNnnnBn成纜對光纖特性的影響p 光纜特性光纜的傳輸特性取決于被覆光纖。對光纜機(jī)械特性和環(huán)境特性的要求由使用條件確定。光纜生產(chǎn)出來后，對這些主要特性要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定做例行試驗(yàn)。成

21、品光纜一般要求給出下述特性，這些特性的參數(shù)都可以用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行分析計(jì)算。1.拉力特性光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400kg范圍。2.壓力特性光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在100kg/10cm400kg/10cm。3.彎曲特性彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)4.溫度特性光纖本身具有良好的溫度特性，但由于塑料的熱膨脹系數(shù)比石英大，所以在熱漲或冷縮過程中，會導(dǎo)致光纖受到應(yīng)力，從而導(dǎo)致光纖損耗增加成纜對光纖特性的影響p 成纜對光纖特性的影響1.成纜的附加損耗不

22、良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會帶來附加損耗，稱為成纜損耗主要原因是由于承攬過程中光纖受到了應(yīng)力。骨架式結(jié)構(gòu)的光纜附加損耗幾乎為零，因?yàn)楣饫w在槽內(nèi)幾乎不受應(yīng)力。2.成纜可以改善光纖的溫度特性選用優(yōu)質(zhì)的套塑和涂層材料并采用優(yōu)良的工藝，可以減小溫度對光纖衰耗的影響；把光纖制成光纜，溫度特性得到相當(dāng)大的改善，是由于光纜中的金屬加強(qiáng)構(gòu)件的支撐作用阻止了光纖套管在溫度變低時(shí)的收縮。3.機(jī)械強(qiáng)度增加成纜后，斷點(diǎn)強(qiáng)度大大增加，抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能明顯提高。典型光纖參數(shù)目前，ITU-T(國際電信聯(lián)盟-電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu))分別對G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖的主要參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。 G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。 G.652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.31um處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。目前世界上已敷設(shè)的光纜線路90%采用這種光纖。G.652光纖的缺點(diǎn)是在零色散波長1.31um處的損耗不是最小值，大約為0.4dB/km左右。在1.31um光纖放大器投入使用之前，要實(shí)現(xiàn)長距離通信，只能采用光-電-光的中繼方式。 G.653光纖稱為零