第3章：光纖的傳輸特性

第三章光纖的傳輸特性本章內(nèi)容光纖中信號的劣化光纖的損耗特性

光纖的色散特性單模光纖的非線性光纖的制造工藝3.1光纖中信號的劣化信號的損傷任何傳輸信道均會對信號造成損傷線性損傷加性噪聲損耗外部串擾信道內(nèi)部串擾非線性損傷信號畸變乘性噪聲光纖中信號的損傷線性損傷加性噪聲多模光纖中可存在模式噪聲，單模光纖中噪聲可忽略不計損耗外部串擾，可忽略不計色散造成的信號畸變內(nèi)部串擾，來源于光纖的非線性非線性損傷光纖非線性造成的信號畸變乘性噪聲，可忽略不計3.2光纖的損耗特性即便是在理想的光纖中都存在損耗——本征損耗。

光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。損耗問題如何表示光纖損耗？光纖損耗的種類及其產(chǎn)生原因是什么？如何才能降低光纖的損耗？光纖的微彎損耗和宏彎損耗機理是什么？光纖在各工作波長段的典型損耗特性如何？光纖使用過程中損耗會增大嗎？為什么？單模光纖的損耗大還是多模光纖的損耗大？為什么？光纖的損耗能夠更低嗎？如何實現(xiàn)？光纖的損耗如何測量？光纖損耗的表示方法光信號在光纖中傳播時，其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減：可以通過損耗系數(shù)來衡量光纖鏈路的損耗特性：其中L為光纖長度。標準單模光纖(SMF)在1550nm的損耗系數(shù)為0.2dB/km。光纖損耗的種類吸收損耗本征吸收雜質(zhì)吸收過渡金屬離子氫氧根離子散射損耗瑞利散射米氏散射彎曲損耗宏彎和微彎本征散射和本征吸收一起構(gòu)成了損耗的理論最小值光纖的損耗譜0.81.01.21.41.61.8波長λ(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￠

<qqq

>qcq￠RqqCladdingCore場分布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光纖的典型損耗特性850nm3dB/km1310nm0.3~0.4dB/km(典型值為0.35dB/km)1550nm0.3dB/km以下(典型值為0.2dB/km）(理論極限值0.154dB/km)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油膏特性變差光纖受水分侵蝕OH-吸收損耗增大光纖分子缺陷增多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，彎曲損耗更低超低損耗光纖瑞利損耗與波長的關(guān)系為什么工作波長不能選擇得更長一些？鹵化物光纖氟化物光纖，本征吸收區(qū)波長較石英光纖更長一些最低損耗窗口在2550nm附近最低損耗低達0.01~0.001dB/km難度超純原料微晶體化光纖損耗的測量測量方法：剪斷法、插入損耗法、背向散射法剪斷法、插入損耗法后向散射法利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數(shù)的方法。A、B兩點之間是一條直線，表明相應(yīng)于光纖上AB段的衰減常數(shù)為一定值，由于后向光經(jīng)過往返兩次衰減，所以曲線AB段光纖的衰減為A=(VA-VB)/2(dB)3.3光纖的色散光信號包含不同的頻率、模式、偏振分量色散使信號不同的成分傳播速度不同，使信號在目的端產(chǎn)生碼間干擾，給信號的最后判決造成困難色散的含義色散：不同頻率的電磁波以不同的相速度和群速度在介質(zhì)中傳播的物理現(xiàn)象色散對光信號包絡(luò)傳播的影響包絡(luò)展寬光纖通信中色散的含義一切導致因速度差造成光信號包絡(luò)展寬的因素均被稱為色散光纖色散對通信的影響影響鏈：色散導致傳輸?shù)墓饷}沖展寬光脈沖展寬導致碼間串擾碼間串擾導致系統(tǒng)誤碼率增大通信系統(tǒng)需要維持一個足夠低的誤碼率，為此需要降低碼間串擾的程度，可以減小信息速率，增大光脈沖間隔減少傳輸距離，降低脈沖展寬程度歸納：光纖的色散直接影響其傳輸帶寬距離積色散越大，帶寬距離積越小色散對通信系統(tǒng)的影響光纖色散的種類模式色散多模色散偏振模色散波長色散材料色散波導色散單模光纖中依然存在色散的大小用色散系數(shù)來表征，定義為單位線寬光源在單位長度光纖上所引起的時延差：多模色散模式色散影響機理信號光入射進光纖，可激勵起多種模式（理論上無窮多）多模光纖中若干攜帶光信號能量的模式均可傳播，且速度各不相同時延差導致信號脈沖展寬，影響光纖的帶寬距離積模式色散可形象地解釋為因光線多徑傳播導致的色散顯然，多模光纖中能夠傳播的模式越多，模式色散就越嚴重，其帶寬距離積就越小消除方法：單模傳輸單模光纖的雙折射單模光纖的實際工作模式LP01x模和LP01y模它們是空間正交的兩個模，理想狀態(tài)完全簡并，即x=y由于以下原因，光纖存在雙折射現(xiàn)象幾何原因：例如光纖芯不圓，其特例橢圓光纖應(yīng)力原因：光纖橫向受應(yīng)力影響，導致各向異性外加電磁場影響光纖的雙折射現(xiàn)象將導致LP01x模和LP01y模沿z軸的傳播速率不完全相同，即x≠y，這將導致偏振模色散偏振模色散圖偏振模色散（PMD）光纖的雙折射現(xiàn)象將導致LP01x模和LP01y模沿z軸的傳播速率不完全相同，即x≠y，這將導致偏振模色散偏振模色散對長途大容量光纖通信影響較為嚴重，通常只能用統(tǒng)計推算的方法估算偏振模色散波長色散單位長度光纖上光信號的群時延：群速度是表征光信號包絡(luò)傳播速度的量波長色散與光信號譜寬成比例的色散效應(yīng)，稱為波長色散或GVD(GroupVelocityDispersion，群速度色散)或色度色散波長色散的組成光纖的波長色散組成材料色散波導色散折射率剖面色散材料色散材料色散是由構(gòu)成光纖的纖芯和包層材料的折射率是頻率的函數(shù)引起的石英材料：G1=0.6961G2=0.4079G3=0.89741=0.0684m2=0.1162m3=9.8962m材料色散系數(shù)材料色散系數(shù)：波導色散波導色散系數(shù)00.511.522.53-0.500.511.52單模光纖的色散系數(shù)1.21.31.551.65-100102030DmDwD單位：ps/(nm.km)色散斜率色散斜率：零色散波長附近總色散系數(shù)隨波長變化的曲線斜率單位：ps/(nm2.km)給定色散斜率，則零色散區(qū)內(nèi)的色散系數(shù)為單模光纖的分類1550D(nm)1310G.652（常規(guī)SM）G.653(DSF)G.655(NZ-DSF)分類依據(jù)：單模光纖的零色散波長類別：常規(guī)型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型單模光纖的分類(nm)1310G.652（常規(guī)SM）常規(guī)型單模光纖型號：G.652和G.654參數(shù)：

零色散波長范圍：1.300~1.324μm

色散斜率

零色散區(qū)最大色散系數(shù)結(jié)構(gòu)：

階躍匹配包層型下凹內(nèi)包層型單模光纖的分類色散位移光纖型號：G.653參數(shù)：

零色散波長范圍：1.50~1.60μm

色散斜率

零色散區(qū)最大色散系數(shù)1550D(nm)1310G.653(DSF)單模光纖的分類非零色散光纖型號：G.655目標：解決四波混頻現(xiàn)象途徑：在1550nm窗口保留一定量的色散，但色散要充分小色散平坦型光纖特點：擁有兩個零色散波長，分別位于1.3μm和1.6μm附近目標：實現(xiàn)1.3~1.6μm波長范圍內(nèi)總色散都很小手段：使波導色散具有更大的斜率1550D(nm)1310G.655(NZ-DSF)色散對通信容量限制的估算高斯光脈沖的展寬因子高斯光源的均方根譜寬，初始脈沖寬度傳播距離z以后的脈沖寬度傳輸容量---帶寬距離積BL判斷依據(jù)：接收端光脈沖的均方根寬度不大于信息比特周期的1/4光源譜寬限制傳輸容量---帶寬距離積BL非零色散點：BL|D|

1

提高傳輸容量的措施采用窄線寬光源采用色散位移光纖光源譜寬限制傳輸容量---帶寬距離積BL零色散點附近：信號譜寬限制傳輸容量---帶寬距離積BL非零色散點附近：求導信號譜寬限制傳輸容量---帶寬距離積BL零色散點附近：求導3.4SM光纖的非線性傳輸特性電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化通常用極化強度矢量P來描述

—真空介電常數(shù)(i)

—

媒質(zhì)的電極化率張量

(i)是i+1階張量極化強度與電場強度的關(guān)系為極化的非線性通常|PNL|<<|PL|，電介質(zhì)的非線性不顯著光纖中傳輸?shù)墓夤β试诤镣吡考?，多模光纖橫截面面積較大，單位面積上的平均光功率或光強很小，可以不考慮非線性效應(yīng)。單模光纖纖芯小，光強及相應(yīng)的電場十分強大，非線性效應(yīng)不可忽略。極化強度與折射率極化強度電位移矢量折射率對于石英光纖，其光纖中的極化強度為光纖的非線性折射率石英SiO2具有反演對稱的分子結(jié)構(gòu)，故其二階非線性極化率，此外，忽略高階項，可得石英光纖的折射率：折射率有一個與外加場強的平方成比例的非線性修正項的現(xiàn)象稱為光的克爾效應(yīng)SPM由于非線性折射率的存在，光波在傳播過程中，其相位將受到自身的調(diào)制（E2），產(chǎn)生相位滯后的現(xiàn)象，稱之為自相位調(diào)制SPM(Self-PhaseModulation)對光纖通信的負面影響會產(chǎn)生啁啾現(xiàn)象在光纖的正常色散區(qū)，此變化加重了信號脈沖展寬的程度有益應(yīng)用如果工作在光纖的反常色散區(qū)，SPM對光信號脈沖有相反的效果，即減輕了脈沖展寬，極端情況下甚至能夠壓縮光脈沖寬度取得平衡時，可獲得光孤子傳輸FWM頻率條件相位匹配條件對于多波長光通信系統(tǒng)，如果和與其他波長信道頻率相近，即會造成波長信道間的串擾光纖色散系數(shù)較大時，四波混頻不易產(chǎn)生FWMFWM(FourWaveMixing)，由光纖介質(zhì)的三階非線性極化引起，存在于DWDM系統(tǒng)中，影響較大DWDM中，由于纖芯細，光載波數(shù)量多，纖芯內(nèi)總的功率密度高，容易引起明顯的非線性效應(yīng)克服辦法FWM對相位匹配要求很嚴格，光纖中存在的色散很容易破壞載波間的相位匹配條件應(yīng)用DWDM時，工作波長不選在光纖的0色散波長附近，或在工作波長范圍內(nèi)將光纖故意設(shè)計成非0的色散，如G.655光纖大有效面積光纖合理安排波長間隔限制系統(tǒng)的注入功率有益應(yīng)用波長變換3.5光纖和光纜的制造光纖制造工藝光纖原料制備及提純光纖預制棒熔煉及表面處理拉絲及一次涂覆工藝光纖張力篩選及著色工藝二次涂覆工藝合格光纖質(zhì)量檢測與控制纖芯材料純石英中摻GeO2、P2O5等高折射率摻雜劑包層材料純石英中摻B2O3、F等低折射率摻雜劑

圖二次被覆光纖(芯線)簡圖

(a)緊套；(b)松套；(c)大套管；(d)帶狀線光纖成纜成纜目的增強機械強度增加空間密度防止侵蝕光纜種類層絞式、骨架式、中心束管式和帶狀式光纜結(jié)構(gòu)由纜芯、加強原件和護套

實際使用的光纜分類

分類方法

光纜種類按所使用的光線分類單模光纜、多模光纜、（階躍型、漸變型）按纜芯結(jié)構(gòu)劃分層絞式、骨架式、大束管式、帶式、單元式按外護套結(jié)構(gòu)分類無鎧裝、鋼帶鎧裝、鋼絲鎧裝按光纜中有無金屬分類有金屬光纜、無金屬光纜按維護方式分類充油光纜、充氣光纜按敷設(shè)方式分類直埋光纜、管道光纜、架空光纜、水底光纜按適用范圍分類中繼光纜、海底光纜、用戶光纜、局內(nèi)光纜、長途光纜