通工專業(yè)-光纖通信技術-第二章-光纖光纜技術

1、第2章 光纖和光纜光纖的基本概念1光纖傳輸原理2光纖傳輸特性3本章內容2022/8/27光 纜42022/8/27預 備 知 識光波用頻率(波長)、相位和傳播速度來描述；頻率：每秒傳播的波數(shù)；波長：介質真空中傳輸一個波的距離；頻率單位：Hz, MHz,GHz,THz波長單位： 微米 納米頻率光速波長1、當一束光線按照一定的角度射向一塊平面鏡時，它就會從鏡面“反彈”出去，這種“反彈”現(xiàn)象就叫做光的反射，這種反射叫做菲涅爾反射。反射與折射 2、當光以一定的角度從某種介質進入另一種介質時，它 的傳播方向也會改變，在兩種介質的分界面上并不沿 直線傳播,而是發(fā)生了偏折,光的這種偏折現(xiàn)象叫做折射。光的反射

2、服從反射定理: 1=2，即反射角等于入射角光的折射服從折射定律： ，即光線從折射率為n1的介質以入射角1射到兩個介質的分界面，并以2進入折射率為n2的介質中時滿足上述關系。3、折射率 光在均勻介質中沿直線傳播，其傳播速率為： V = c / n 式中：c = 2.997108 3.0108 m/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質的折射率，V是光在該種介質中的速度。光線在不同的介質中以不同的速度傳播，描述介質的這一特征的參數(shù)就是折射率。折射率可由下式確定： n = c / V 在折射率為n的介質中，光傳播速度變?yōu)閏/n，光波長變?yōu)?/n (0為光在真空中波長)。4、光在介質中的速度由這種介質的

3、折射率決定。不同的介質有不同的折射率，光在折射率小的介質中跑的快，在折射率大的介質中跑的慢。4、全反射定理：光從光密媒質（n1）進入到光疏媒質（n2），當入射角增大到一定的角度時，折射光就會全部消失。即 in =arcsin（n2 /n1 ）。 其中c arcsin （n2 /n1 ），稱為臨界角，即在第二種介質的折射角為90度時的入射角。 要產(chǎn)生全反射，必須有兩個條件：第一，光必須從折射率大的介質射入折射率小的介質；其次，入射角必須大于臨界角。二者缺一不可。光從折射率低的介質向折射率高的介質入射時，是絕對不會產(chǎn)生全反射的。5、光也是電磁波，是一種波長更短的電磁波。6、常用的單位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 光纖的基本概念2.1.1 光纖的結構 1. 光纖結構 光纖(Optical Fiber，OF )是用來導光的透明介質纖維，一根實用化的光纖是由多層透明介

5、質構成，一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層，如圖2.1所示。 纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內傳輸。 包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。 設纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1n2。圖2.1 光纖結構示意圖2a纖芯包層涂覆層n1n2450m125m250m纖芯和包層的相對折射率差=(n12 -n22 )/2 n12 （n1-n2）/n1的典型值，一般單模光纖為0.3%0.6%， 多模光纖為1%2%。越大，把光能量束縛在纖芯的能力越強，但信息傳輸容量卻越小。纖芯：極高純度的SiO

6、2，其中摻入極少量的磷或鍺摻雜劑，以提高纖芯的折射率ncore。纖芯的折射率一般是1.4631.467.單模光纖的纖芯直徑d1為8 10m，多模光纖的纖芯直徑d1= 50 m左右。包層：直徑d2=125m，含有極少量摻雜劑的SiO2，摻雜劑為氟或硼，以降低包層的折射率nskin，使之略小于纖芯的折射率ncore，把光信號封閉在纖芯中傳輸。包層的折射率一般是1.451.46左右。涂敷層：其作用是保護光纖不受水氣的侵蝕和機械的擦傷，同時又增加光纖的機械強度和柔韌性。涂覆后的光纖外徑約250m，通常所說的光纖為此種光纖。塑料外套：加在涂敷層外，起保護作用，外徑約1.5mm。可分緊套光纖和松套光纖。2

7、.1.2 光纖的分類 光纖的分類方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來分類，又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少、光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL來分類等。材料傳輸模式波長按截面上折射率分布用途按ITU-T建議1、按材料分類石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光 纖、全塑料光纖和氟化物光纖等。 特點：制造成本低廉、芯徑較大、耦合效 率高、損耗較大、帶寬較小只適用于短距離低速率通信，如短距離計算機網(wǎng)鏈 路、船舶內通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纖。2、按傳輸模式的數(shù)量分類傳播模式：光在光纖中傳播時，若光纖纖芯的 幾何尺寸遠大于光波波長時，光在 光纖中會以幾十種乃至幾百種傳播 模式進行傳播

8、，這些不同的光束稱 為模式。實質描述的是電磁場的 場型結構分布。多模光纖 （Multi-Mode Fiber，MMF）單模光纖 （Single Mode Fiber，SMF）多模光纖（MMF）當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1）遠大于光波波長時（約1m），光纖傳輸?shù)倪^程中會存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，這樣的光纖稱為多模光纖。纖芯較粗(50m左右)；模間色散：由于不同模式的傳播時間不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關。限制了傳輸數(shù)字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重，因此只適合短距離傳輸。單模光纖（SMF）當光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d1 ）較小，與光波

9、長在同一數(shù)量級，如芯徑d1 在4m10m范圍，這時，光纖只允許一種模式（基模）在其中傳播，其余的高次模全部截止，這樣的光纖稱為單模光纖。纖芯細(芯徑一般為410m)；只能傳輸一種模式的光；在1.31m波長處，單模光纖的材料色散和波導色散一為正、一為負，大小正好相等。這也就是說在1.31m波長處，單模光纖總色散為零。材料色散：由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內部不同波長成分的光，其傳播時間不同而產(chǎn)生。波導色散：由于波導結構參數(shù)與波長有關而產(chǎn)生。譜寬窄、穩(wěn)定性好特種單模光纖 最有用的若干典型特種單模光纖的橫截面結構和折射率分布下圖所示： (a) 雙包層； (b) 三角芯； (c) 橢圓芯 雙

10、包層光纖: 色散平坦光纖（DFF） 適用于波分復用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。 色散移位光纖（DSF）G.653 超大容量超長距離系統(tǒng)。使用于密集波分復用和孤子傳輸?shù)拈L距離系統(tǒng)。 三角芯光纖: 改進的色散移位光纖 橢圓芯光纖: 雙折射光纖或偏振保持光纖。提高接收靈敏度，增加傳輸距離。3、按波長分類短波長光纖(0.80.9m)：0.85m長波長光纖(1.01.7m)：1.31m、1.55m超長波長(2m)光纖4. 按光纖截面上折射率分布分類圖2.2 光纖的折射率分布光纖折射率變化可用折射率沿半徑的分布函數(shù)n(r)表示(2-1)(2-2)階躍型光纖：光纖的纖芯折射率高于包層折射率

11、，使得輸入的光能在纖芯與包層交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進。纖芯到包層的折射率是突變的，只有一個臺階，所以稱階躍光纖。特點：模間色散少，光纖帶寬寬，傳輸距離長。單模光纖大都采用階躍型光纖。漸變型光纖：纖芯到包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播。特點：模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率低。多模光纖多為漸變型光纖。5、按用途分類摻鉺光纖（EDF）：增益大，平坦特性好。同時，鉺纖涂層有特種碳保護，光纖的長期穩(wěn)定性得到保障。色散補償光纖（DCF）：可以補償不同光纖在不同波段的色散，同時可以提供正或負色散值。保偏光纖：保偏光纖的工作波長包括了從480nm到 1550nm波段，采用了雙層的涂

12、層覆蓋，可 以選用不同涂層原料，涂層外徑有 250um,400um以及900um等。6、按ITU-T建議分類按照ITU-T 關于光纖類型的建議，可將光纖分成：G.651光纖：多模漸變型光纖，中小容量、中短距離。G.652光纖：標準單模光纖（SMF），是指色散零點（即色散為零的波長）在1310nm附近的光纖。G.653 光纖(DSF:Dispersion Shift Fiber )：也稱色散位移光纖（DSF），是指色散零點在1550nm附近的光纖，它相對于G.652光纖，色散零點發(fā)生了移動，所以叫色散位移光纖。G.654光纖(CSF：Cut-off Shift Fiber )：G.654光纖是截

13、止波長移位的單模光纖。其設計重點是降低1550nm的衰減，其零色散點仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口的色散較高。G.654光纖主要應用于海底光纖通信。G.655光纖(NZ-DSF)：由于G.653光纖的色散零點在1 550nm附近，DWDM系統(tǒng)在零色散波長處工作易引起四波混頻效應。為了避免該效應，將色散零點的位置從1 550nm附近移開一定波長數(shù)，使色散零點不在1 550nm附近的DWDM工作波長范圍內。這種光纖就是非零色散位移光纖（NDSF）。7、按光纖的套塑形式分類按套塑方式(二次涂覆層)可以將光纖分為：松套光纖：就是在光纖涂覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由

14、活動。緊套光纖：緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內不能自由活動。目前，實用的石英光纖主要有三種基本類型： 階躍型多模光纖（Step-Index Fiber, SIF）：只能用于小容量短距離系統(tǒng)。 漸變型多模光纖（Graded-Index Fiber, GIF）：適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。 單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF）：用在大容量長距離的系統(tǒng)。 圖 2.2三種基本類型的光纖(a) 階躍型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 2.2 光纖傳輸理論2.2 光纖傳輸理論2.2.2 光纖傳輸?shù)膸缀喂鈱W解釋 幾

15、何光學法分析問題的兩個出發(fā)點 數(shù)值孔徑 時間延遲 分析光束在光纖中傳播的空間分布和時間分布 幾何光學法分析問題的兩個角度 突變型多模光纖 漸變型多模光纖光線分類子午平面：通過光纖中心軸的任何平面都稱為子午平面。均勻平面波波陣面：空間相位相同的點構成的曲面，即等相位面平面波：等相位面為無限大平面的電磁波均勻平面波：等相位面上電場和磁場的方向、振幅都保持不變的平面波均勻平面波是電磁波的一種理想情況，其分析方法簡單，但又表征了電磁波的重要特性均勻平面波在均勻理想介質中的傳播特性可通以下3個參量（傳播速度v，波阻抗Z 和相位常數(shù)k）均勻平面波的傳播特性傳播速度v：平面波的傳播速度是指在平面波的傳播方向

16、上等相位面的傳播速度，故又稱為相速。其表達式為：（2.5）式中 為介質的介電系數(shù)， 為介質的導磁率。波阻抗Z：電場強度僅有x分量，而磁場強度僅有y分量，電場 和磁場之比所得到的Z具有阻抗的量綱，稱為波阻抗。其表達式為： (2.6) 相位常數(shù)k： k代表了在單位長度上相位變化了多少，稱之為相位常數(shù)，也稱為波數(shù)。其表達式為：(2.7)其中 為角頻率， 為光波在介質中的波長。平面波可分成水平極化波和垂直極化波：電場矢量與分界面平行的平面波叫做水平極化波，磁場矢量與分界面平行的平面波叫做垂直極化波。1. 階躍型多模光纖 數(shù)值孔徑 為簡便起見，以階躍型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進一步討論光纖的傳輸

17、條件。 設纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致，如圖2.4。 光線在光纖端面以小角度從空氣入射到纖芯(n0n2)。 圖 2.4 突變型多模光纖的光線傳播原理 改變角度，不同相應的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。 根據(jù)全反射原理， 存在一個臨界角c。 當 c時，相應的光線將在交界面折射進入包層并逐漸消失，如光線3。 圖 2.4 突變型多模光纖的光線傳播原理由此可見，只有在半錐角為 c的圓錐內入射的光束才能在光纖中傳播。 根據(jù)這個傳播條件，定義臨界角c的正弦值為數(shù)值孔徑(Numerical Aperture, NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律 NA=n

18、0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2)n0=1，又由sin2c +cos2c=1經(jīng)簡單計算得到(2.3) 圖 2.4 突變型多模光纖的光線傳播原理 式中=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。 光纖的數(shù)值孔徑NA僅決定于光纖的折射率n1和n2 ，與光纖的直徑無關。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或c)越大，光纖接收光的能力越強，從光源到光纖的耦合效率越高。 對于無損耗光纖，在c內的入射光都能在光纖中傳輸。 NA越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好; 但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。 所以要根據(jù)實際

19、使用場合，選擇適當?shù)腘A。 例題： 設光纖的纖芯折射率n1=1.500，包層折射率n2=1.485。求: （1）相對折射率差； （2）數(shù)值孔徑NA； （3）入射臨界角max 。 解：（1）相對折射率差：0.01（2）數(shù)值孔徑NA：0.21（3）入射臨界角max12.12o42定義沿 z 軸方向傳播單位距離的時間為光線的傳播時延，用表示，則有：子午光線在光纖中的傳播rLpzpQPn1n20z需要時間:ZP = LP COS 對于子午光線而言，它在纖芯中按鋸齒狀路徑傳播，設如下圖所示， Lp 為光線路徑P、Q 間距離， 為光線與 z 軸的夾角，則光線在 z 方向行進的距離為: 3. 傳播時延和時延

20、差43 所有可能存在的子午光線中，路徑最短的光線是沿 z 軸方向直線傳播的光線，其 0。路徑最長的光線則是沿全內反射臨界角行進的光線，其 arccos-1(n1/n2)，它們的單位距離時延差為最大值： 可見，光線傳播時延在纖芯折射率n1一定時，僅與光線與 z 軸的夾角 有關，若在纖芯中有兩條束縛光線，與 z 軸的夾角分別為 1 和 2，則它們沿 z 軸方向傳輸單位距離時在纖芯中走過路徑不同，因而傳播時延也不同，用 表示兩條路徑光線傳播時延差，則有: 這種時間延遲差在時域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號畸變。 由此可見，突變型多模光纖的信號畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后，其時間延遲不同而產(chǎn)生的。

21、2. 漸變型多模光纖 式中，n1和n2分別為纖芯中心和包層的折射率，r和a分別為徑向坐標和纖芯半徑，=(n1-n2)/n1為相對折射率差，g為折射率分布指數(shù)。通過改變g可獲得各種折射率的光纖。 g， (r/a)0的極限條件下，式(2.6)表示突變型多模光纖的折射率分布。 g=2，n(r)按平方律(拋物線)變化，表示常規(guī)漸變型多模光纖的折射率分布。具有這種分布的光纖，不同入射角的光線會聚在中心軸線的一點上，因而脈沖展寬減小。 漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點。 漸變型光纖折射率分布的普遍公式為：n11-=n2 ra 0ran(r)= (2.6) 由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向

22、坐標r的函數(shù)，纖芯各點數(shù)值孔徑不同，所以要定義局部數(shù)值孔徑NA(r)和最大數(shù)值孔徑NAmax 我們也可以用NA表示光纖內的功率密度即：(2.22)用此公式原理我們可測量非均勻光纖的折射率指數(shù)分布，這也是近場測量法的原理。 漸變型多模光纖的光線軌跡 射線方程的解用幾何光學方法分析漸變型多模光纖要求解射線方程，射線方程一般形式為(2.23) 式中，為特定光線的位置矢量，s為從某一固定參考點起的光線長度。選用圓柱坐標(r, ，z)，把漸變型多模光纖的子午面(r - z)示于圖2.13。 解2.25式，并經(jīng)適當近似可得：（2.30）= cos(Az) (2.31) 由此可見，漸變型多模光纖的光線軌跡是

23、傳輸距離z的正弦函數(shù)，對于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角 ，其周期=2/A=2a/ ，取決于光纖的結構參數(shù)(a,)，而與入射角 無關。這說明不同入射角相應的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會聚在P點上，這種現(xiàn)象稱為自聚焦(Self Focusing)效應。自聚焦效應不同入射角相應的光線，雖然經(jīng)歷的路程不同，但是最終都會聚在一點上，這種現(xiàn)象稱為自聚焦效應漸變型多模光纖具有自聚焦效應，不僅不同入射角相應的光線會聚在同一點上，而且這些光線的時間延遲也近似相等。 用幾何光學分析法可以解釋漸變折射率光纖中光線的傳播方式。漸變折射率光纖的纖芯折射率為變量，在中心軸線處最高，之后沿徑向逐漸減小?？?/p>

24、將光纖纖芯分成若干同心圓柱層，每層折射率看作常數(shù)，圖中三層同心圓柱折射率滿足n n n ，光線由第一層向第二層入射時，也即由光密介質向光疏介質入射時有 ，同理 ，光在每層傳輸后，方向都要發(fā)生變化，故漸變折射率光纖中光線會向軸線方向發(fā)生彎曲現(xiàn)象，而且越靠近軸線彎曲程度就越高，漸變折射率光纖對光的這種作用稱為自聚焦。51漸變折射率光纖中光線的傳播方式纖芯包層 n2nnnn11-2(r/a)1/2波動理論從光波的本質特性（電磁波）出發(fā)，通過求解電磁波所遵從的麥克斯韋方程，導出電磁場的場分布，具有理論上的嚴謹性;未作任何前提近似，因此適用于各種折射率分布的單模光和多模光波導。2.2.3 光纖傳輸?shù)牟▌?/p>

25、光學解釋波動方程波導場方程：波動光學方法的最基本方程。它是一個典型的本征方程。當給定波導的邊界條件時，求解波導場方程可得本征解及相應的本征值。通常將本征解定義為“模式”?；靖拍钅Ｊ剑翰▌永碚摰母拍?。波動理論一種電磁場的分布稱之為一個模式。射線理論一個傳播方向的光線對應一種模式。導波：攜帶信息的光波在光纖的纖芯中，由纖芯和包層的界面引導前進，這種波稱為導波。 輻射模：從纖芯向外輻射的模式?；靖拍钅Ｊ剑?所謂的光纖模式，就是滿足邊界條件的電磁場波動方程的解，電磁場的穩(wěn)態(tài)分布。光纖中有多個傳輸模式，它與波長，光纖結構，纖芯和包層的折射率有關。導波：攜帶信息的光波在光纖的纖芯中，由纖芯和包層的界面

26、引導前進，這種波稱為導波。 傳導模：能從高光纖的一端傳到另一端，在光纖中長距離傳播的模式稱為導模。 注意！導波不等以波導麥克斯韋方程及波動方程麥克斯韋方程及波動方程 選用圓柱坐標(r，z)，使z軸與光纖中心軸線一致，如圖所示。 (1a)(1b)一、波動方程和電磁場表達式 均勻光纖中的標量場方程 將式(1)在圓柱坐標中展開，得到電場的z分量Ez 、磁場的 z分量Hz的波動方程為：(2a)(2b) 求解Ez 和Hz，通過麥克斯韋方程組導出電磁場橫向分量Er、Hr和E、H的表達式。均勻光纖中的標量場方程 設光沿光纖軸向(z軸)傳輸，其傳輸常數(shù)為，則Ez(z)應為exp(-jz)。 由于光纖的圓對稱性

27、，Ez()應為方位角的周期函數(shù)， 設為exp( jv)，v為整數(shù)。 Ez(r)為未知函數(shù)，利用這些表達式，電場z分量可以寫成: Ez(r,z)=Ez(r)ej(v-z) (3) 把式(3)代入式(2)得到:均勻光纖中的標量場方程 式中，k0=2/=2f /c=/c，和f為光的波長和頻率。 設纖芯(0ra)折射率n(r)=n1，包層(ra)折射率n(r)=n2，為求解方程(4)，引入無量綱參數(shù)u, w和V。 (4) u2=a2(n21k02 -2) (0ra) w2=a2(2-n22k02) (ra) V2=u2+w2=a2k02(n21-n22) (5)均勻光纖中的標量場方程及標量解 式(6a

28、)的解應取v階貝塞爾函數(shù)Jv(ur/a)，而式(6b)的解則應取v階修正的貝塞爾函數(shù)Kv(wr/a)。 Jv(u)類似振幅衰減的正弦曲線，Kv(w)類似衰減的指數(shù)曲線。(0ra) (ra) (6a)(6b)利用這些參數(shù)， 把式(4)分解為兩個貝塞爾微分方程：均勻光纖中的標量場方程及標量解（a)貝賽爾函數(shù)；（b)修正的貝賽爾函數(shù)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) 在纖芯和包層的電場Ez(r, , z)和磁場Hz(r, , z)表達式為: Ez1(r, , z) (

29、0ra)Hz1(r, , z)= Ez2(r, , z) Hz2(r, , z) (0Vc，則這種模式的光信號可在光纖中導行；若VVc，截止條件：V2m時特強烈。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，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起損耗。 0.4m 時特強烈。受激拉曼和受激布里淵散射使輸入光信號的部分能量轉移到其他頻率分量上。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成光纖損耗的理論極限值。彎曲損耗： 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲，這種高頻彎曲習慣稱為微彎。光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施

30、工過程中，不可避免出現(xiàn)彎曲。微彎是由于光纖受到側壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起。2.3.1 光纖的損耗光纖的損耗譜0.81.01.21.41.61.8波長(um)0.010.050.10.5151050100 損耗dB/km波導缺陷紫外吸收紅外吸收瑞利散射實驗值OH-吸收決定光纖衰減系數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對光纖衰減系數(shù)的影響不大 。光纖的典型損耗特性850nm3dB/km1310nm0.30.4dB/km(典型值為0.35dB/km)1550nm0.3dB/km以下(典型值為0.2d

31、B/km）(理論極限值0.154dB/km)單模與多模光纖損耗對比單模光纖損耗要小一些原因包括以下幾點：光能量主要在纖芯中傳輸纖芯所需原料少，更易保證其純度纖芯工藝要求更高，折射率不均勻性減小包層更厚，OH-離子更難入侵到纖芯中纖芯小，彎曲損耗更低商用的多模光纖與單模光纖的損耗譜比較多模光纖的損耗大于單模光纖：- 多模光纖摻雜濃度高以獲得較大的數(shù)值孔徑 (本征散射大)- 由于纖芯-包層邊界的微擾，多模光纖容易產(chǎn)生高階模式損耗多模光纖單模光纖2.3.1 光纖的損耗微彎損耗和宏彎損耗機理宏彎損耗曲率半徑比光纖直徑大得多的宏彎曲微彎損耗光纖成纜時產(chǎn)生，沿軸向的隨機性彎曲消逝場q qcqRqqClad

32、dingCore場分布彎曲曲率半徑減小宏彎損耗指數(shù)增加宏彎帶來的應用局限：Verizon的煩惱Verizon鐘愛光纖：花費230億美元配置了12.9萬公里長的光纖，直接連到180萬用戶家中，提供高速因特網(wǎng)和電視服務。光纖到戶使Verizon遇到困境：宏彎引起信號衰減。2.3.1 光纖的損耗新技術：抗宏彎的柔性光纖Photonic Crystal FiberPhotonic Bandgap Fiber康寧公司幫組Verison解決了問題：可彎曲、折返、打結，已在2500萬戶家庭中安裝。日本NTT也完成了這種光纖的研制。2.3.1 光纖的損耗柔性光纖的優(yōu)點：1. 對光的約束增強2. 在任意波段均可

33、實現(xiàn)單模傳輸：調節(jié)空氣孔徑之間的距離3. 可以實現(xiàn)光纖色散的靈活設計4. 減少光纖中的非線性效應5. 抗側壓性能增強2.3.1 光纖的損耗降低光纖損耗的方法工作波長選擇選擇在低損耗窗口超純原料降低過渡金屬離子濃度生產(chǎn)工藝減小不均勻性減小OH-離子的引入光纖保護使用過程中光纖的損耗變化變化趨勢損耗增大原因熱脹冷縮光纖受水分侵蝕OH-吸收損耗增大光纖分子缺陷增多損耗的補償辦法：放大電放大光電光2.5 0.6 0.6 m3全光放大EDFA拉曼放大器0.05 0.3 0.2 m3摻鉺光纖放大器2.3.1 光纖的損耗2.3.2 光纖的色散1. 色散、 帶寬和脈沖展寬 色散(Dispersion)是在光纖

34、中傳輸?shù)墓庑盘枺捎诓煌煞值墓獾臅r間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應。 色散的種類： 模式色散 材料色散 波導色散材料色散和波導色散通稱為色度色散（波長色散）2.3.2 光纖的色散色散對光纖通信系統(tǒng)的影響對于模擬光纖通信系統(tǒng)：使得波形重疊、信號失真，限制系統(tǒng)帶寬對于數(shù)字光纖通信系統(tǒng)：產(chǎn)生脈沖展寬，產(chǎn)生碼間干擾、增加誤碼率，影響光纖的傳輸帶寬、通信容量。色散的表示色散的大小常用3dB光帶寬f3dB或時延差(脈沖展寬)來表示，而時延差是光脈沖的不同模式或不同波長成分傳輸同樣距離所需的時間。用脈沖展寬表示時，光纖色散可以寫成 n 模式色散； m材料色散； w 波導色散 所引起的脈沖展寬的均方根值。色散

35、的分類模式色散：多模光纖中每種模式的群速度不同，產(chǎn)生時延差。材料色散:光纖材料的折射率隨光的波長的不同而變化，各種波長的光傳播速度不同，引起時延差。對于普通的單模光纖， 材料色散在波長 =1.27 m左右時為零， 1.27 m時有正的色散， 12.3.2 光纖的色散單模光纖的色散 單模光纖的色散常用D() 表示，即單位波長間隔（1nm）的兩個頻率成分在光纖中傳播1km時所產(chǎn)生的群時延差。在工程中將稱為色散系數(shù)。即定義為：Dm 為材料色散;上式右邊第二項 DW 為波導色散在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導出，材料色散用m表示。m()=Dm()L式中：為光源的譜線寬

36、度，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應的波長范圍；L是光纖的傳播長度。 材料色散和波導色散都是因為光源不是理想的單色光，光源譜線具有一定的寬度。因此有的教科書上把模內色散又稱為頻率色散或波長色散。 多模光纖中，模式色散占主要地位，模內色散很少，實際應用中可以不考慮，因此多模光纖的色散用時延差表示。單模光纖中只傳輸基模，不存在模式色散，此時模內色散地位就凸顯出來了。當波長在1.31m附近，模內色散接近零。2.3.2 光纖的色散從多模SIF、 GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(帶寬依次增大)。極化色散（偏振模色散PMD） 極化色散也稱為偏振模色散，用p表示，從本質上講屬于模式色散。 單模光纖

37、中可能同時存在LP01x和LP01y兩種基模(理想單模光纖中簡并)，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵和邊界條件的隨機變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。 由于光纖并非理想性產(chǎn)生雙折射時，基模光信號的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱為偏振模色散。2.3.2 光纖的色散 偏振模色散非常小，與材料色散和波導色散相比小得多，在目前的單模光纖通信中可以忽略不計，所以單模光纖的時延表示為= m+ w，但在某些光纖通信器件中，以及未來的超高速(10Gbit/s)、超大容量的光纖通信中，偏振模色散必須考慮。2 色散的表示通常用時延差表示色散，下面我們來討論。時延設有一單一載頻 ，攜帶一個

38、調制信號，當光波頻率很高，而調制信號帶寬相對較窄時，它在傳輸過程中的速度可用群速度 表示，則在單位時間內所用的時間 叫做單位長度的時延，即 (2.83) 代入群速度 (2.84)式中，c為光在正空中的光速， 為光波中心頻率。 時延差不同速度的信號，傳輸相同的距離，所用時間是不同的，即存在時延差，這個時延差可用 表示。由于光源不是單色光，存在一點帶寬 ，則單位帶寬上引起的時延差為 ，那么由 引起的時延差為 (2.85) 代入2.51式中的 ，并考慮 ，將2.52整理后得到 (2.86)從上式可見，時延差與信號源的相對帶寬 有關，相對帶寬越小，時延差越小，引起的色散也越小。結論：時延并不代表色散的

39、大小，色散的大小是用時延差 表示的，時延差越大，色散越大。時延差的單位為 。 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域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時間坐標軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對于調制信號而言，光纖可以看作是一個低通濾波器，當調制信號的高頻分量通過光纖時，就會受到嚴重衰減，如圖所示。 通常把調制信號經(jīng)過光纖傳輸1km后，光功率下降一半(即3dB)時的調制頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB時對應的頻率，故也稱為3dB光帶寬。光功率總是要用光電子器件來檢測，而光檢測

40、器輸出的電流正比于被檢測的光功率，于是因此，3dB光帶寬對應于6dB電帶寬。（3）碼間干擾（ISI） 色散將導致碼間干擾。由于各波長成分到達的時間先后不一致，因而使得光脈沖加長了（T+T），這叫作脈沖展寬，如圖所示 。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。色散最終導致的信號結果：光纖的其他特性包括幾何特性、光學特性、熱特性、機械特性等。1 光纖的幾何特性光纖的幾何特性包括芯直徑、包層直徑、纖芯/包層同心度、不圓度和光纖翹曲度等。芯直徑:芯直徑主要是對多模光纖的要求。ITU-T規(guī)定，多模光纖的芯直徑為503m。包層直徑:包層直徑指光纖

41、的外徑，ITU-T規(guī)定，多模及單模光纖的包層直徑均要求為1253m。 2.3.3 光纖的其他特性纖芯/包層同心度和不圓度:纖芯/包層同心度是指纖芯在光纖內所處的中心程度。目前光纖制造商已將纖芯/包層同心度從0.8m的規(guī)格提高到0.5m的規(guī)格。不圓度包括芯徑的不圓度和包層的不圓度。ITU-T規(guī)定，纖芯/包層同心度誤差6%（單模為1.0m），芯徑不圓度6%，包層不圓度（包括單模）2%光纖翹曲度:光纖翹曲度指在特定長度光纖上測量到的彎曲度，可用曲率半徑來表示彎曲度。翹曲度（即曲率半徑）數(shù)值越大，意味著光纖越直。注：纖芯/包層同心度對接續(xù)損耗的影響最大，其次是翹曲度。 2 光纖的光學特性光纖的光學特性

42、有折射率分布、最大理論數(shù)值孔徑、模場直徑及截至波長等。折射率分布光纖折射率分布，可用下式表示：(2.96)其中，n1=n(0)纖芯最大折射率（r=0處），n2為包層折射率，a為芯半徑，r為離開纖芯中心的徑向距離，為相對折射率差，=(n1 n2 )/ n1 。 最大理論數(shù)值孔徑（NAmax）最大理論數(shù)值孔徑的定義為：（2.97）其中，n1為階躍光纖均勻纖芯的折射率（梯度光纖為纖芯中心的最大折射率），n2為均勻包層的折射率。光纖的數(shù)值孔徑（NA）對光源耦合效率、光纖損耗、彎曲的敏感性以及帶寬有著密切的關系，數(shù)值孔徑大，容易耦合，微彎敏感小，帶寬較窄。 模場直徑和有效面積模場直徑是指描述單模光纖中光

43、能集中程度的參量。有效面積與模場直徑的物理意義相同，通過模場直徑可以利用圓面積公式計算出有效面積。模場直徑越小，通過光纖橫截面的能量密度就越大。當通過光纖的能量密度過大時，會引起光纖的非線性效應，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。因此，對于傳輸光纖而言，模場直徑（或有效面積）越大越好。圖2.22所示為模場直徑示意圖 圖2.22 模場直徑截止波長理論上的截止波長是單模光纖中光信號能以單模方式傳播的最小波長。截止波長條件可以保證在最短光纜長度上單模傳輸，并且可以抑制高次模的產(chǎn)生或可以將產(chǎn)生的高次模噪聲功率代價減小到完全可以忽略的地步。注：幾何特性、光學特性影響光纖的連接質量，施工對它們

44、不產(chǎn)生變化，而傳輸特性則相反，它不影響施工，但施工對傳輸特性將產(chǎn)生直接的影響。 3 光纖的機械特性光纖的機械特性主要包括耐側壓力、抗拉強度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關心的是抗拉強度。光纖的抗拉強度光纖的抗拉強度很大程度上反映了光纖的制造水平。 影響光纖抗拉強度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝。 預制棒的質量。 拉絲爐的加溫質量和環(huán)境污染。 涂覆技術對質量的影響。 機械損傷。 光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會在一定張力下斷裂，如圖2.23所示。圖2.23 光纖斷裂和應力關系示意圖 光纖的壽命習慣稱使用壽命，當光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，稱其已達到了使用壽命。從機械性能講，壽命指斷裂

45、壽命。光纖的機械可靠性一般來說，二氧化硅包層光纖的機械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認可。為了提高光纖的機械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網(wǎng)絡的壽命。 4 光纖的溫度特性光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對光纖損耗的影響，一般是損耗增大。如圖2.24 所示。 圖2.24 光纖低溫特性曲線2.3.4 光纖標準和應用G.651多模漸變型(GIF)光纖 應用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng) G.652常規(guī)單模光纖 是第一代單模光纖，其特點是在波長1.31 m色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。G.653色散移位光纖 是第二代單模光纖，其特點是在波長1.55 m色散接近零，損耗又最小。這種光

46、纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。 G.654 1.55 m損耗最小的單模光纖 其特點是在1.55 m色散為1720 ps/(nmkm)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達0.20 dB/km以下。 色散補償光纖 其特點是在波長1.55m具有大的負色散。G.655非零色散光纖 是一種改進的色散移位光纖。表2.3 光纖特性的標準2.4 光纜 2.4.1 光纜結構和類型 光纜一般由纜芯、護層和加強芯三部分組成。 1. 光纜的結構 纜芯由光纖的芯數(shù)決定，可分為單芯型和多芯型兩種。 護層主要是對已成纜的光纖芯線起保護作用，避免受外界機械力和環(huán)境損壞。護層可分為內護層（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外護層（多用鋁帶和聚乙烯組成的LAP外護套加鋼絲鎧裝等）。 加強芯主要承受敷設安裝時所加的外力。 2.光纜類型 根據(jù)纜芯結構的特點，光纜可分為四種基本形式：（1）層絞式光纜的結構類似于傳統(tǒng)的電纜結構方式，故又稱為古典式光纜。 2.4.1 光纜結構和類型圖2.25 6芯緊套層絞式光纜圖2.26 12芯松套層絞式直埋光纜光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是 V形、U 形或其它形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦形，一個空槽可放置510根一次涂覆光纖。骨架：聚乙烯材料，抗側壓性能好（2）骨架式我國及歐亞