光纖和光纜精品課件

1、光纖和光纜第1頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖是一種玻璃絲，其材料是石英（SiO2），是通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)良傳輸介質(zhì)，得到廣泛的應(yīng)用。和電纜相比，光纖具有信息傳輸容量大，中繼距離長(zhǎng)，不受電磁場(chǎng)干擾，保密性能好和使用輕便等優(yōu)點(diǎn)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光纖價(jià)格逐年下降，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。光纖通信在高速率長(zhǎng)距離干線網(wǎng)和用戶接入網(wǎng)方面的發(fā)展?jié)摿Χ己艽蟆楸ＷC光纖性能穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，必須根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)的光纖和光纜。本章從應(yīng)用的觀點(diǎn)概述光纖的傳光原理、光纖和光纜的類(lèi)型和特性，以供設(shè)計(jì)光纖系統(tǒng)時(shí)選擇。第2頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.1 光

2、纖結(jié)構(gòu)和類(lèi)型 光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo);根據(jù)光纖橫截面上折射率的徑向分布情況，光纖分為階躍型和漸變型兩種;作為信息傳輸波導(dǎo)，實(shí)用光纖有兩種基本類(lèi)型，它們是多模光纖和單模光纖。第3頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo)階躍(SI，Step Index)多模光纖折射率 n1在纖芯保持不變，到包層突然變?yōu)?n2階躍多模光纖結(jié)構(gòu)第4頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一漸變(GI, Graded Index)多模光纖折射率不像階躍多模光纖是個(gè)常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往

3、外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)?n2漸變多模光纖第5頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一圖2.1.1 實(shí)用光纖三種基本類(lèi)型第6頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖拉絲裝置第7頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一在鼓上的光纖第8頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖結(jié)構(gòu)纖芯材料主要成分為摻雜的SiO2，含量達(dá)99.999%，其余成分為極少量的摻雜劑如GeO2等，以提高纖芯的折射率。纖芯直徑約為 8 m 100 m。包層材料一般也為SiO2，外徑為125 m，作用是把光強(qiáng)限制在纖芯中。為了增強(qiáng)光纖的

4、柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和耐老化特性，還在包層外增加一層涂覆層，其主要成分是環(huán)氧樹(shù)酯和硅橡膠等高分子材料。光能量主要集中在纖芯傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離,并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。第9頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.1.1 多模光纖可以傳播數(shù)百到上千個(gè)模式的光纖，稱為多模(MM, Multimode)光纖。根據(jù)折射率在纖芯和包層的徑向分布情況，又可分為階躍多模光纖和漸變多模光纖。第10頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一多模光纖的模間色散代表各模的光線以不同的路經(jīng)在纖芯內(nèi)傳輸，在傳輸速度相同的情況下(均為c/n1, c是自由空間光速)，到達(dá)

5、終點(diǎn)所需的時(shí)間也不同。光線經(jīng)接收機(jī)內(nèi)的光電探測(cè)器變成各自的光電流，這些光電流在時(shí)域內(nèi)疊加后，從而使輸出脈沖相對(duì)于輸入脈沖展寬了。第11頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一漸變多模光纖（GI）性能介于SI光纖和單模光纖之間階躍（SI）多模光纖的主要缺點(diǎn)是存在大的模間色散，光纖帶寬很窄；而單模光纖沒(méi)有模間色散，只有模內(nèi)色散，所以帶寬很寬。但是隨之出現(xiàn)的問(wèn)題是，因單模光纖芯徑很小，所以把光耦合進(jìn)光纖很困難。那么能否制造一種光纖，既沒(méi)有模間色散，帶寬較寬，芯徑較大，又使光耦合容易，這就是漸變折射率多模光纖，簡(jiǎn)稱漸變多模光纖。第12頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分

6、，星期一漸變多模光纖-色散較小漸變(GI, Graded Index)多模光纖折射率 n1不像階躍多模光纖是個(gè)常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)?n2。這樣的折射率分布可使模間色散降低到最小。色散較小的理由：雖然各模光線以不同的路經(jīng)在纖芯內(nèi)傳輸，但是這種光纖的纖芯折射率不再是一個(gè)常數(shù)，所以各模的傳輸速度也互不相同。沿光纖軸線傳輸?shù)墓饩€速度最慢，因折射率最大；越遠(yuǎn)離軸線，到達(dá)終點(diǎn)傳輸?shù)木嚯x越長(zhǎng)，但傳輸速度越快，這樣到達(dá)終點(diǎn)所需的時(shí)間幾乎相同，輸出脈沖展寬不大。第13頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.1.2 單模光纖-色散最小只能傳播

7、一個(gè)模式的光纖稱為單模光纖標(biāo)準(zhǔn)單模(SM, Single Mode)光纖折射率分布和階躍型光纖相似，只是纖芯直徑比多模光纖小得多，模場(chǎng)直徑只有（910）m光線沿軸線直線傳播, 色散使輸出脈沖信號(hào)展寬最小。第14頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一單模光纖結(jié)構(gòu)第15頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一表2.1.1 階躍多模光纖、漸變多模光纖和階躍單模光纖的特性比較第16頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一為調(diào)整工作波長(zhǎng)或色散特性，改變折射率分布，可以設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光纖。已經(jīng)開(kāi)發(fā)的有：多模光纖(G.651)普通單模光纖(G.6

8、52)色散移位光纖(G.653)非零色散移位光纖（G.655）色散補(bǔ)償光纖在1.55m衰減最小的光纖（G.654）全波光纖。光 纖 種 類(lèi)第17頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.2 光纖傳輸原理2.2.1 斯奈爾定律和全反射第18頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一圖1.3.1 光波從折射率較大的介質(zhì)入射進(jìn)入折射率較小的介質(zhì)，在邊界反射和折射第19頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖波導(dǎo)傳輸光的原理-臨界角第20頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 i c ）時(shí)，沒(méi)有透射光，只有反射光，這種現(xiàn)象叫

9、做全反射 (TIR，Total Internal Reflection), 如圖2.2.2 (c) 所示，這就是多模光纖波導(dǎo)傳輸光的原理。圖2.2.2 光波從折射率較大的介質(zhì)以三種不同的入射角進(jìn)入折射率較小的介質(zhì),出現(xiàn)三種不同的情況第21頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖傳輸-全反射條件第22頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.2.2 傳輸條件全反射條件我們已經(jīng)知道, 光波從折射率較大的介質(zhì)入射進(jìn)入折射率較小的介質(zhì)時(shí)，在邊界將發(fā)生反射和折射, 當(dāng)入射角超過(guò)臨界角時(shí)，將發(fā)生全反射。相干加強(qiáng)條件對(duì)于特定的光纖結(jié)構(gòu)，只有滿足一定條件的電磁波可以在

10、光纖中進(jìn)行有效的傳輸。這些特定的電磁波稱為光纖模式。光纖中可傳導(dǎo)的模式數(shù)量取決于光纖的具體結(jié)構(gòu)和折射率的徑向分布。如果光纖中只支持一個(gè)傳導(dǎo)模式，則稱該光纖為單模光纖相反，支持多個(gè)傳導(dǎo)模式的光纖稱為多模光纖第23頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光線在光纖端面以不同角度 從空氣入射到纖芯，不是所有的光線能夠在光纖內(nèi)傳輸，只有一定角度范圍內(nèi)的光線，在射入光纖時(shí)，產(chǎn)生的折射光線才能在光纖中傳輸。假如在光纖端面的入射角是 ，在波導(dǎo)內(nèi)光線與垂直于光纖軸線的夾角是 。此時(shí)， c(臨界角)的光線將發(fā)生全反射，而 c的光線將進(jìn)入包層泄漏出去。于是，為了光能夠在光纖中傳輸，入射角 必須要

11、能夠使進(jìn)入光纖的光線在光纖內(nèi)發(fā)生全發(fā)射而返回纖芯，并以曲折形狀向前傳播。圖2.2.3 不同入射角的光線 第24頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一全反射條件第25頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一數(shù)值孔徑 (NA) 第26頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一第27頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一NA表示光纖接收和傳輸光的能力NA (或sinmax)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)。從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)無(wú)損耗光纖，在 max 內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA 越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲

12、性能越好。但 NA 越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的輸出信號(hào)展寬越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)使用場(chǎng)合，選擇適當(dāng)?shù)?NA。第28頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一相干加強(qiáng)條件在光纖中傳輸?shù)墓饩€必須與它自己相長(zhǎng)干涉，否則相消干涉將相互抵消n2n2d = 2aqqk1LightABClbkEqn1zyx第29頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 (HE11)電力線和磁力線在光纖波導(dǎo)中的分布 第30頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.3 光纖傳輸特性衰減色散帶寬非線性在傳輸高強(qiáng)度光功率時(shí)，還要考慮光纖的非線性影響第31頁(yè)，共9

13、6頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖是熔融SiO2制成的，光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，由于吸收、散射和波導(dǎo)缺陷等機(jī)理產(chǎn)生功率損耗，從而引起衰減。2.3.1 衰減第32頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一瑞利（18771919）瑞利散射發(fā)明家1904年獲得諾貝爾獎(jiǎng)第33頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一率減系數(shù)第34頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一引起衰減的原因光纖是熔融SiO2制成的，光信號(hào)在光纖中傳輸時(shí)，由于吸收、散射和波導(dǎo)缺陷等機(jī)理產(chǎn)生功率損耗，從而引起衰減。吸收損耗是可以改善的。目前由于超純石英光纖工藝的

14、改進(jìn)，已消除了這一波長(zhǎng)附近的損耗峰，使(1 3501 450)nm波段的損耗也降低到0.3 dB/km左右，該波段就是光纖傳輸?shù)牡谖鍌€(gè)窗口，它位于第二個(gè)窗口和第三個(gè)窗口之間。這種能夠在1200 1650nm整個(gè)范圍內(nèi)都可用來(lái)進(jìn)行DWDM光纖通信的光纖就是全波光纖第35頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一圖2.3.2 典型光纖衰減譜第36頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.3.2 色散各模群速度不等引起脈沖展寬色散種類(lèi)：模式色散色度色散偏振模色散第37頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖中的光速要比真空中的光速慢 n 倍在

15、光纖中的光速 v = c/n，折射率為 n光纖波導(dǎo)中的光速要比真空中的光速慢 n 倍。玻璃的 n = 1.5，因而在光纖中的光速度要比在真空中的慢 33 %。第38頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一實(shí)際上沒(méi)有純單色光，我們必須考慮波長(zhǎng)稍微互不相同的一組光波沿z方向傳輸?shù)那闆r。 當(dāng)兩個(gè)頻率相差的正弦波干涉時(shí)，它們相互作用的結(jié)果將產(chǎn)生一個(gè)光包絡(luò)，即一個(gè)以中心頻率的振蕩場(chǎng)，其幅度被頻率為的低頻電場(chǎng)調(diào)制，最大幅度以波矢量k運(yùn)動(dòng)，其速度稱為群速度。圖1.2.4 波長(zhǎng)略不相同的兩個(gè)光波沿同一方向傳輸時(shí)干涉產(chǎn)生一個(gè)幅度以群速度運(yùn)動(dòng)的波包第39頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17

16、點(diǎn)51分，星期一1各模群速度不等引起脈沖展寬第40頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一各模群速度不等引起脈沖展寬模的次數(shù)越高,其角度 越大，g= cos 越小，傳播就需要更多的時(shí)間。所以群速度和光纖模式有關(guān)，模數(shù)不同，其群速度也不同。由于高階模的傳播速度比低階模的慢，因而在入射端輸入的光脈沖中，次數(shù)越高的模越滯后。第41頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2光纖色散種類(lèi)模式色散色度色散偏振模色散。色度色散又分為材料色散和波導(dǎo)色散。對(duì)于多模光纖，模式色散是主要的，材料色散相對(duì)較小，波導(dǎo)色散一般可以忽略。對(duì)于單模光纖，由于只有一個(gè)模式在光纖中傳輸，所以不

17、存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散，而且材料色散是主要的，波導(dǎo)色散相對(duì)較小。對(duì)于制造良好的單模光纖，偏振模色散最小。第42頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一模式色散是由于在多模光纖中，不同模式的光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)娜核俣炔煌鸬竭_(dá)光纖末端的時(shí)間延遲不同，經(jīng)光電探測(cè)后各模式混合使輸出光生電流脈沖相對(duì)于輸入脈沖展寬圖2.3.5 多模光纖模式色散第43頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一多模光纖各模傳輸路徑不同引起脈沖展寬第44頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一（2）色度色散（或色散）色度色散是由于不同波長(zhǎng)(顏色)的光以不

18、同的速度在光纖中傳輸引起不同的時(shí)間延遲而產(chǎn)生的。色度色散(Chrometic Dispersion)又分為材料色散和波導(dǎo)色散，常簡(jiǎn)稱為色散。第45頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一所有光源都是在一定波長(zhǎng)范圍 內(nèi)發(fā)射的非單色光，當(dāng)各種波長(zhǎng)的光進(jìn)入纖芯后，由于波長(zhǎng)與折射率有關(guān)，所以在光纖波導(dǎo)中的光以不同的群速度在纖芯內(nèi)傳輸，波長(zhǎng)短的波速度慢，波長(zhǎng)長(zhǎng)的波速度快，所以它們到達(dá)光纖末端的時(shí)間也不同，導(dǎo)致輸出脈沖展寬。圖中 表示光纖的傳輸延遲， 表示由于光纖色散引起的輸出脈沖展寬。圖2.3.6 色散引起單模光纖輸出脈沖展寬 第46頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，

19、星期一色散對(duì)光纖所能傳輸?shù)淖畲蟊忍厮俾蔅 的影響可利用相鄰脈沖間不產(chǎn)生重疊的原則來(lái)確定第47頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一圖2.3.7 標(biāo)準(zhǔn)光纖、色散移位光纖、非零色散移位光纖、色散平坦光纖和色散補(bǔ)償光纖的色散特性第48頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一由于波導(dǎo)色散與光纖的幾何尺寸有關(guān)，可以設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)來(lái)改變零色散波長(zhǎng) 0，例如可減小纖芯半徑和增加摻雜濃度，使 0 移到光纖損耗最小的 1550 nm 波長(zhǎng)，這種光纖就是色散移位光纖，如圖所示。改進(jìn)單模光纖結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計(jì), 也可以獲得在 1550 nm 具有負(fù)色散值大的色散補(bǔ)償光纖，還可

20、以得到在 1300 nm 和 1550 nm 兩個(gè)波長(zhǎng)的色散都為零的色散平坦光纖。圖2.3.8 幾種單模光纖的結(jié)構(gòu)和折射率分布第49頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一 色散平坦光纖的色散系數(shù)和折射率分布第50頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一偏振模色散第51頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.3.3 最大歸零比特速率圖2.3.9 最大比特速率由色散引起的脈沖展寬決定第52頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.3.4帶寬由于光纖色散，光脈沖經(jīng)光纖傳輸后使輸出脈沖展寬，從而影響到光纖的帶寬下面就光纖光

21、帶寬和電帶寬加以分析。第53頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一(a)圖表示傳輸模擬信號(hào)的光纖線路，(b)圖表示頻率為 f 的光纖輸入和輸出光信號(hào)，(c)圖表示光纖的傳輸特性及由于光纖色散使輸出光/電帶寬減小的情況。光帶寬對(duì)應(yīng)光纖的截止頻率，可粗略地認(rèn)為它對(duì)應(yīng)光纖能夠傳輸?shù)淖畲蟊忍厮俾蔅。光纖帶寬第54頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一3 dB 光帶寬和電帶寬第55頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.3.5 光纖傳輸特性測(cè)量損耗測(cè)量帶寬測(cè)量色散測(cè)量第56頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一只要測(cè)量長(zhǎng)度

22、L2的輸出光功率 Pout, 在注入條件不變的情況下，在離光源23m 附近剪斷光纖，測(cè)量長(zhǎng)度 L1 的輸出光功率，可以認(rèn)為該功率就是長(zhǎng)度 L光纖的輸入光功率 Pin。這樣由式(2.3.14)就可以計(jì)算出光纖的衰減系數(shù)。圖2.3.11 剪斷法測(cè)量光纖損耗系數(shù)第57頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光源通常采用譜線足夠窄的激光器注入器的作用是，在測(cè)量多模光纖的損耗系數(shù)時(shí)使多模光纖在短距離內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)模式分布；在測(cè)量單模光纖的損耗系數(shù)時(shí)應(yīng)保證全長(zhǎng)為單模傳輸。光功率計(jì)用來(lái)測(cè)量光纖輸出端的光功率。圖2.3.11 剪斷法測(cè)量光纖損耗系數(shù)系統(tǒng)配置第58頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20

23、日，17點(diǎn)51分，星期一瑞利散射光功率與傳輸光功率成正比。后向散射法就是利用與傳輸光方向相反的瑞利散射光功率來(lái)確定光纖損耗系數(shù)的。圖2.3.12 后向散射法（OTDR）測(cè)量光纖損耗系數(shù)第59頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一后向散射法測(cè)量損耗系數(shù)和確定光纖的長(zhǎng)度第60頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一OTDR 的用途利用后向散射原理設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x器叫光時(shí)域反射機(jī)（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer）這種儀器采用單端輸入和輸出，不破壞光纖，使用非常方便。OTDR不僅可以測(cè)量光纖損耗系數(shù)和光纖長(zhǎng)度，而且還可以測(cè)

24、量連接器和熔接頭的損耗，觀測(cè)光纖沿線的均勻性和確定光纖故障點(diǎn)的位置，在工程上獲得了廣泛地使用。第61頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2. 帶寬測(cè)量第62頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一圖2.3.13 時(shí)域法測(cè)量光纖帶寬第63頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一3. 色散測(cè)量對(duì)于單模光纖，色散與光源的譜線寬度密切相關(guān)。光源的譜寬越窄，光纖的色散越小，帶寬越大。光纖色散測(cè)量有相移法和脈沖時(shí)延法，前者是測(cè)量單模光纖色散的基準(zhǔn)方法，所以這里只介紹相移法。第64頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一相移法色散測(cè)

25、量原理第65頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一圖2.3.14 相移法測(cè)量光纖色散系統(tǒng)框圖第66頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.3.5 非線性光學(xué)效應(yīng)第67頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一2.4 單模光纖的進(jìn)展和應(yīng)用 自從1970年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室，根據(jù)英籍華人高錕提出的利用光導(dǎo)纖維可以通信的理論，成功地試制出用于通信的光纖以來(lái)，光纖光纜得到迅速的發(fā)展。30年來(lái)，光纖光纜的新產(chǎn)品層出不窮，而且得到通信業(yè)的廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)就人們目前常用的幾種光纖和今后將廣泛使用的新光纖的性能做一個(gè)介紹。第68頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月2

26、0日，17點(diǎn)51分，星期一單模光纖的種類(lèi)G. 651 標(biāo)準(zhǔn)多模光纖G. 652 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖G. 653 色散移位光纖G. 654 衰減最小光纖G. 655 非零色散光纖全波光纖色散補(bǔ)償光纖第69頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一G. 652 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長(zhǎng)在1.3m窗口的單模光纖，國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU-T)把這種光纖規(guī)范為 G.652 光纖。這屬于第一代單模光纖。其特點(diǎn)是當(dāng)工作波長(zhǎng)在 1.3m 時(shí)，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受一個(gè)因素，即光纖衰減所限制。第70頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一G.652 光纖在1.

27、3 m波段的損耗較大，約為 0.3 0.4 dB/km；在 1.55 m 波段的損耗較小，約為 0.20.25 dB/km。色散在 1.3m 波段為 3.5 ps/nmkm，在1.55 m波段較大，約為 20 ps/nmkm。這種光纖可支持用于在 1.55 m 波段的 2.5Gb/s 的干線系統(tǒng)，但由于色散較大，若傳輸 10 Gb/s 的信號(hào)，傳輸距離超過(guò) 50 km時(shí)，就要求使用價(jià)格昂貴的色散補(bǔ)償模塊。另外, 使用它增加了線路損耗，縮短了中繼距離，所以不適用于DWDM系統(tǒng)。G. 652 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖第71頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一G. 653 色散移位光纖G.

28、652光纖的最大缺點(diǎn)是低衰減和零色散不在同一工作波長(zhǎng)上，這不僅使工程應(yīng)用受到一定的限制，而且在 1.3 m的光纖放大器開(kāi)發(fā)應(yīng)用之前，使不經(jīng)過(guò)光-電轉(zhuǎn)換過(guò)程的全光通信無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此，在80年代中期，開(kāi)發(fā)成功了一種把零色散波長(zhǎng)從1.3 m移到 1.55 m的色散移位光纖(DSF, Dispersion-Shifted Fiber)。ITU把這種光纖的規(guī)范為 G.653。這屬于第二代單模光纖。第72頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖的色散特性第73頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一由色散移位光纖到非零色散光纖然而，色散移位光纖在 1.55 m 色散

29、為零，不利于多信道的 WDM 傳輸，因?yàn)楫?dāng)復(fù)用的信道數(shù)較多時(shí)，信道間距較小，這時(shí)就會(huì)發(fā)生一種稱為四波混頻 (FWM，F(xiàn)our Wave Mixing) 的非線性光學(xué)效應(yīng)，這種效應(yīng)使兩個(gè)或三個(gè)傳輸波長(zhǎng)混合，產(chǎn)生新的、有害的頻率分量，導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_。如果光纖線路的色散為零，F(xiàn)WM的干擾就會(huì)十分嚴(yán)重；如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會(huì)減小。針對(duì)這一現(xiàn)象，科學(xué)家們研制了一種新型光纖，即非零色散光纖(NZ-DSF)。第74頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一G. 654 衰減最小光纖為了滿足海底光纜長(zhǎng)距離通信的需求，科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用于1.55 m 波長(zhǎng)的純石英芯單模光纖。

30、在1.55 m波長(zhǎng)附近衰減最小，僅為 0.185 dB/km。在 1.3 m波長(zhǎng)區(qū)域色散為零，但在 1.55m波長(zhǎng)區(qū)域色散較大，約為 1720 ps/(nmkm)。ITU把這種光纖規(guī)范為G. 654光纖。第75頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一G. 655非零色散光纖非零色散光纖實(shí)質(zhì)上是一種改進(jìn)的色散移位光纖。其零色散波長(zhǎng)不在 1.55 m，而是在1.525 m 或 1.585 m處。在光纖制作過(guò)程中，適當(dāng)控制摻雜劑的量，使它大到足以抑制高密度波分復(fù)用系統(tǒng)中的四波混頻，小到足以允許單信道數(shù)據(jù)速率達(dá)到 10Gb/s，而不需要色散補(bǔ)償。第76頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月2

31、0日，17點(diǎn)51分，星期一G. 655 非零色散光纖消除了色散效應(yīng)和四波混頻效應(yīng)；而標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散移位光纖都只能克服這兩種缺陷中的一種；所以非零色散光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散移位光纖最好的傳輸特性，既能用于新的陸上網(wǎng)絡(luò)，又可對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，它特別適合于高密度WDM系統(tǒng)的傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。第77頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一非零色散光纖舉例AT&T研制的真波光纖(True WaveTM)美國(guó)康寧玻璃公司開(kāi)發(fā)的葉狀光纖(Leaf Fiber)阿爾卡特的特銳光纖(TeraLightTM)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)飛公司的大保實(shí)光纖等第78頁(yè)，共9

32、6頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一全波光纖第79頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一全波光纖為了將DWDM系統(tǒng)應(yīng)用于城域網(wǎng)，僅使用現(xiàn)有的波段還是不夠的，為此光纖制造商在1 380 nm 波長(zhǎng)附近，把OH離子濃度降到了10-8以下，消除了（1 3601 460）nm 波段的損耗峰，使該波段的損耗也降低到0.3 dB/km左右，可應(yīng)用于光纖通信，而且色散值也小，所以在相同比特率下傳輸?shù)木嚯x更長(zhǎng)。該波段就是 E 波段(Extended wavelength band)，它位于 O 波段和 S 波段之間。全波光纖，顧名思義，就是在光纖的整個(gè)波段，從1280nm開(kāi)始

33、到1675nm終止，都可以用來(lái)通信，與常規(guī)光纖相比，全波光纖應(yīng)用于DWDM，可使信道數(shù)增加50%，這就為DWDM系統(tǒng)應(yīng)用于城域網(wǎng)創(chuàng)造了條件。第80頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一色散補(bǔ)償光纖色散補(bǔ)償光纖(DCF, Dispersion Compensating Fiber)是具有大的負(fù)色散光纖。它是針對(duì)現(xiàn)已敷設(shè)的 1.3m 標(biāo)準(zhǔn)單模光纖而設(shè)計(jì)的一種單模光纖。為了使現(xiàn)已敷設(shè)的 1.3m 光纖系統(tǒng)采用 WDM/EDFA 技術(shù)，就必須將光纖的工作波長(zhǎng)從 1.3m 改為 1.55m。而標(biāo)準(zhǔn)光纖在 1.55m 波長(zhǎng)的色散不是零，而是正的 1720 ps/(nmkm), 并且具有

34、正的色散斜率，所以必須在這些光纖中加接具有負(fù)色散的色散補(bǔ)償光纖，進(jìn)行色散補(bǔ)償，以保證整條光纖線路的總色散近似為零，從而實(shí)現(xiàn)高速率、大容量、長(zhǎng)距離的通信。第81頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一光纖的選擇對(duì)光纖的基本要求是：從發(fā)射光源耦合進(jìn)光纖的光功率最大；光信號(hào)通過(guò)光纖傳輸后產(chǎn)生的畸變最小；光纖的傳輸窗口要滿足系統(tǒng)應(yīng)用的要求。具體的設(shè)計(jì)要根據(jù)使用條件進(jìn)行折衷。第82頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一衰 減在選定的波長(zhǎng),衰減要足夠小，以使在滿足接收機(jī)所要求的光功率的前提下，使中繼距離盡可能大。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，要考慮連接器、接頭和耦合器的損耗和系統(tǒng)工作所需的余量。為此，要正確選擇工作波長(zhǎng)和光纖類(lèi)型。第83頁(yè)，共96頁(yè)，2022年，5月20日，17點(diǎn)51分，星期一耦合損耗包括光源耦合損耗和檢測(cè)器耦合損耗;纖芯尺寸和數(shù)值孔徑大，可減小光源的耦合損耗；但要增加檢測(cè)器耦