光纖通信技術(shù)-第02章

第二章光導(dǎo)纖維2.1光纖的結(jié)構(gòu)和分類2.2光纖的射線理論分析2.3光纖的波動(dòng)理論分析2.4單模光纖2.5光纖的傳輸特性2.6光纖的非線性效應(yīng)2.7光纜第二章光導(dǎo)纖維2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)

光纖（OpticalFiber，OF）就是用來(lái)導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維，一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)（絕大部分是用石英材料）構(gòu)成的。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。2bn1>n22.1.2光纖的分類光纖的分類方法：按照光纖截面折射率分布分類按照光纖中傳輸模式多少分類按照光纖使用的材料分類按照傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)分類2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1.2光纖的分類按光纖橫截面折射率分布分類階躍型光纖（Step-IndexFiber，SIF）漸變型光纖（Graded-IndexFiber，GIF）2.1.2光纖的分類按傳輸模式的數(shù)量分類多模光纖（Multi-ModeFiber，MMF）：可有多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w稱為多模光纖，適合近距離、小容量通信。單模光纖（SingleModeFiber，SMF）：只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖。單模光纖只能傳輸基模（最低階模），不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，適合遠(yuǎn)距離、大容量通信。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1.2光纖的分類按光纖的工作波長(zhǎng)分類短波長(zhǎng)光纖長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1.2光纖的分類按ITU-T建議分類G.651光纖(漸變型多模光纖)G.652光纖(常規(guī)單模光纖)G.653光纖(色散位移光纖)G.654光纖(截止波長(zhǎng)光纖)G.655光纖(非零色散位移光纖)2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1.2光纖的分類現(xiàn)在使用的主要光纖現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖漸變型多模光纖階躍型單模光纖三種光纖的光路2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類nr4~10μm包層纖芯包層nr50μm包層纖芯包層nr50μm包層纖芯包層單模光纖多模階躍型光纖多模漸變型光纖2.2光纖的射線理論分析當(dāng)光的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于光纖的橫向尺寸時(shí)，光可以用一條代表光波傳播方向的光射線來(lái)表示。用光射線法研究光的傳播規(guī)律的方法稱為射線法或幾何法，其基本理論基礎(chǔ)是幾何光學(xué)。用電磁場(chǎng)理論研究光波傳播規(guī)律的方法稱為波動(dòng)光學(xué)法，其基礎(chǔ)是波動(dòng)光學(xué)，它比射線法更嚴(yán)格、全面、精確。2.2光纖的射線理論分析2.2.1基本的光學(xué)概念和定律均勻平面波

在與傳播方向垂直的無(wú)限大平面的每個(gè)點(diǎn)上，電場(chǎng)強(qiáng)度E、磁場(chǎng)強(qiáng)度H的幅度、相位都相同的波稱為均勻平面波，簡(jiǎn)稱平面波。平面波任何一點(diǎn)上電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度與坐標(biāo)x、y無(wú)關(guān)。光的傳播方向OHEzyx2.2光纖的射線理論分析2.2.1基本的光學(xué)概念和定律均勻平面波 平面波的傳播速度：是指平面波等相位面在傳播方向上的傳播速度，即相速：

其中：f

是光的頻率；ω=2πf為圓頻率；λ是光波長(zhǎng)；k是電磁波傳播的相位常數(shù)：

ε為傳輸介質(zhì)的介電常數(shù)、μ為傳輸介質(zhì)的磁導(dǎo)率，是不隨時(shí)間和空間變化的標(biāo)量。因此相速又可表示為：2.2光纖的射線理論分析2.2.1基本的光學(xué)概念和定律折射率

光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，其傳播速度為：v=c/n 式中：c＝2.997×105km/s≈3×105km/s，是光在真空中的傳播速度；n是介質(zhì)的折射率（空氣的折射率為1.00027，近似為1；玻璃的折射率為1.45左右）。上式表明：光在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的折射率成反比。2.2.1基本的光學(xué)概念和定律均勻平面波在兩介質(zhì)交界面的折射和反射 2.2光纖的射線理論分析n1介質(zhì)Ⅰn2介質(zhì)Ⅱxzok1k2n1>n2入射角：入射光線與法線間的夾角。反射角：反射光線與法線間的夾角。折射角：折射光線與法線間的夾角。反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，并且反射角等于入射角，即：θ1′＝θ1。折射定律：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1sinθ1=n2sinθ2斯耐耳定律：折射定律、反射定律的總稱。2.2光纖的射線理論分析平面波的全反射：當(dāng)入射角增大到一定程度時(shí)，入射光將不進(jìn)入第二種介質(zhì)，而是全部反射回第一種介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為全反射，這種波稱為導(dǎo)波。2.2光纖的射線理論分析n1介質(zhì)Ⅰn2介質(zhì)Ⅱxzok1k2n1>n2θ2>θ1使折射角θ2剛好到達(dá)90°時(shí)的入射角稱為臨界角，用θc表示，由折射定律可知：最后可得到全反射條件是：n1>n2，θc≤

θ1<90°θc2.2光纖的射線理論分析2.2.1基本的光學(xué)概念和定律相對(duì)折射指數(shù)差：影響光纖性能的參數(shù)。當(dāng)n1與n2的差別極小時(shí)，上式可近似為:這種光纖稱為弱導(dǎo)波光纖。工程上使用的都是弱導(dǎo)波光纖。2.2.2階躍型光纖的導(dǎo)光原理

一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，光纖中光線的傳播分兩種情形：光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱為子午射線，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱為子午面；光線在傳播過程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱為斜射線。2.2光纖的射線理論分析2.2光纖的射線理論分析階躍光纖中的子午射線階躍光纖中的斜射線2.2光纖的射線理論分析子午射線在階躍型光纖中的傳播

階躍型光纖是由半徑為a、折射率為常數(shù)n1的纖芯和折射率為常數(shù)n2的包層組成，并且n1>n2。n2n2n12an0n0?1?2Φn0<n1空氣2.2光纖的射線理論分析子午射線在階躍型光纖中的傳播

光線以入射角Φ入射到空氣（折射率為n0）和光纖芯（折射率為n1）的交界面上，折射角為θ2；折射的光線傳播到光纖芯與包層之間的界面上，入射角為θ1。由前面的介紹可知，光線可以在該界面上發(fā)生全反射，條件是θ1≥θc

。

由，要求或n2n2n12an0n0?1?2Φn0<n1空氣2.2光纖的射線理論分析子午射線在階躍型光纖中的傳播

在空氣與纖芯之間的交界面上應(yīng)用折射定理得：即：由前面導(dǎo)出的，可解得：n2n2n12an0n0?1?2Φn0<n1空氣2.2光纖的射線理論分析子午射線在階躍型光纖中的傳播

空氣的折射率n0=1，上式簡(jiǎn)化為：或：

為了達(dá)到最高的傳輸效率，要求入射光線的入射角滿足上式的要求，即入射光線應(yīng)盡量靠近光纖的軸線方向。子午射線在折射型光纖中的傳播

綜上所述，當(dāng)平面波由光密介質(zhì)（折射率大的介質(zhì)）射向兩介質(zhì)分界面上時(shí)，根據(jù)入射角的大小，可以產(chǎn)生兩種類型的波：當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，能量集中在光密介質(zhì)及其界面附近，這種波稱為導(dǎo)波；當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)，一部分能量輻射到光疏介質(zhì)（折射率小的介質(zhì)）中并在其中傳播，這種波稱為輻射波。為了使子午射線達(dá)到好的傳輸效果，要求從光纖端面射入光纖的光線應(yīng)盡量靠近光纖的軸線，以避免產(chǎn)生輻射波。2.2光纖的射線理論分析n2n2n12an0n0?1?2Φn0<n1空氣n2n2n12an0n0?1?2Φn0<n1空氣n2n2n12an0n0?1?2Φn0<n1空氣數(shù)值孔徑

只有那些滿足一定條件的光線才能在光纖中形成導(dǎo)波，這些光線被限制在光纖芯中傳播，或稱為被光纖捕捉。將表示光纖捕捉光射線能力的物理量定義為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示：其中為相對(duì)折射率差。只要入射角小于的光線，均可以被光纖捕捉到。2.2光纖的射線理論分析2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖中的子午線

漸變型光纖的折射率隨半徑的增大而減小。光線在纖芯中傳播的子午線軌跡如下圖：2.2光纖的射線理論分析rman1(r)ΦPdsdzdr2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖的最佳折射率分布

選擇合適的折射率分布，可以使纖芯中的不同射線以同樣的軸向速度前進(jìn)，從而減少色散。不同射線具有相同軸向速度的現(xiàn)象稱為自聚焦現(xiàn)象，這種光纖稱為自聚焦光纖。2.2光纖的射線理論分析空間周期長(zhǎng)度L2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖的最佳折射率分布使光纖中產(chǎn)生自聚焦的折射率分布稱為最佳折射率分布。在一般情況下，當(dāng)光纖芯的折射率按“雙曲正割型”分布時(shí)，子午射線將是自聚焦的：展開成冪級(jí)數(shù)為：2.2光纖的射線理論分析rn(r)2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖的最佳折射率分布與雙曲正割型分布接近的分布為“平方律分布”：可見，如果只保留到2次項(xiàng)時(shí)，“雙曲正割型”分布與“平方律”分布相同。因此，采用平方律分布來(lái)進(jìn)行分析，以簡(jiǎn)化問題。2.2光纖的射線理論分析2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖的最佳折射率分布在上述的兩種分布中，A是與射線起始條件無(wú)關(guān)的常數(shù)，r是纖芯的半徑，n(0)是纖芯軸線上的折射率。下面采用平方律分布來(lái)確定常數(shù)A。為了一般化，將折射率分布寫為α次方折射率分布：

其中α為(折射率)漸變指數(shù)。當(dāng)α=2時(shí)，它則退化為平方律折射率分布。2.2光纖的射線理論分析2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖的最佳折射率分布由上式可得：當(dāng)r=a時(shí)，上式變?yōu)椋浩渲校海肷鲜降茫?.2光纖的射線理論分析2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖的最佳折射率分布將A代入α次方分布式中，得：令α=2，得到平方律折射率分布表達(dá)式，也就是漸變型光纖的最佳折射率分布表達(dá)式：注意：Δ是光纖軸線（心）和最外層的相對(duì)折射率差。2.2光纖的射線理論分析2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖的本地?cái)?shù)值孔徑把射入纖芯半徑為r處的光線的數(shù)值孔徑稱為該點(diǎn)的本地?cái)?shù)值孔徑，是半徑r的函數(shù)，記作NA(r)。利用階躍型光纖的數(shù)值孔徑公式，本地?cái)?shù)值孔徑可寫為：

2.2光纖的射線理論分析2.2.3漸變型光纖的導(dǎo)光原理漸變型光纖的本地?cái)?shù)值孔徑由于折射率隨半徑的增加而減小，軸線處的折射率最大，為n(0)。由本地?cái)?shù)值孔徑公式可以看出，軸線處的本地?cái)?shù)值孔徑最大，此處捕捉光射線的能力最強(qiáng)。2.2光纖的射線理論分析TEM波電場(chǎng)、磁場(chǎng)與光纖軸線垂直的平面波稱為橫向電磁波，簡(jiǎn)稱為TEM波。在弱導(dǎo)波階躍型光纖中，平面波的傳播方向幾乎與軸線方向相同，電場(chǎng)、磁場(chǎng)方向則幾乎垂直于軸線。所以，電磁波平面幾乎和光纖的橫截面重合，可以認(rèn)為是TEM波（但本質(zhì)上不是！）。將光纖中傳播的光近似為TEM波，有助于簡(jiǎn)化理論分析。2.3光纖的波動(dòng)理論分析由于涉及到比較多的數(shù)學(xué)問題，本節(jié)只給出一些重要的概念和分析結(jié)論，分析過程省略。光纖的歸一化頻率歸一化頻率與光的頻率成正比，并與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)（比如與光纖半徑成正比），用V表示：

其中k0為光在真空中傳播的相位常數(shù)，k0∝f。2.3光纖的波動(dòng)理論分析階躍光纖中導(dǎo)模數(shù)量的估算模式是波動(dòng)理論的概念。在波動(dòng)理論中，一種電磁場(chǎng)的分布稱之為一個(gè)模式。在射線理論中，通常認(rèn)為一個(gè)傳播方向的光線對(duì)應(yīng)一種模式，有時(shí)也稱之為射線模式。用M表示在光纖中傳輸?shù)膶?dǎo)模數(shù)，則階躍多模光纖中傳輸?shù)哪?shù)為：可見，由于V隨著頻率的增高、光纖芯徑a的增大而增大，傳輸?shù)膶?dǎo)模的數(shù)量也將增加。不同模式的場(chǎng)分布不同，模式越多，信號(hào)畸形越嚴(yán)重。2.3光纖的波動(dòng)理論分析漸變型光纖中的導(dǎo)模數(shù)量漸變型光纖中的導(dǎo)模數(shù)量的最大值為：可見，在同頻、同半徑的情況下，漸變型光纖中的導(dǎo)模數(shù)量比階躍型光纖減少至少一半。2.3光纖的波動(dòng)理論分析2.4.1單模光纖的折射率分布階躍型單模光纖的折射率分布形式2.4單模光纖a0rn2n1na0rn2n1na0rn2n1n理想情況交界處呈圓形中心下陷理想情況：折射率呈階梯型。交界處呈圓形：在r=a處呈圓形，這是由于制造時(shí)兩種材料相互擴(kuò)散、相互滲透造成的。中心下陷：在r=0處下陷，這是一種制造缺陷。2.4.1單模光纖的折射率分布下凹型單模光纖的折射率分布三層結(jié)構(gòu)：芯層、內(nèi)包層、包層。內(nèi)包層使材料色散和波導(dǎo)色散相互抵消，減小色散。纖芯直徑：2a=4~10μm內(nèi)包層直徑：2S=幾十微米包層直徑：2b=125μm2.4單模光纖OaSbrn9.162.4.2單模光纖的傳輸特性以理想折射率分布的單模光纖作為代表進(jìn)行討論，忽略折射率分布的非理想性及有意的下凹。單模傳輸條件：只傳輸一個(gè)模式的條件是歸一化頻率滿足：

0<V<2.404832.4單模光纖2.4.2單模光纖的傳輸特性截止波長(zhǎng)λc

：當(dāng)λ>λc

時(shí)，光纖中只傳輸基模，否則導(dǎo)波將截止而只有輻射波。截止波長(zhǎng)為：模場(chǎng)直徑d：表示光纖橫截面上基模場(chǎng)分布的直徑，一般比光纖芯徑要大，即：在包層中也存在場(chǎng)分布。2.4單模光纖2.4單模光纖2.4.4新型單模光纖色散與損耗：光信號(hào)傳播過程中的畸變稱為色散；光信號(hào)在傳播過程的能量損失稱為損耗。色散與損耗是影響光纖傳輸距離的重要因素。對(duì)常規(guī)單模光纖，光波長(zhǎng)為1310nm附近時(shí)色散趨于0，波長(zhǎng)為1550nm附近損耗最小，但色散較大，傳輸距離受到限制。新型光纖就是色散和損耗都小的光纖。主要有色散位移單模光纖（DSF）、非零色散光纖（NZDF）、色散平坦光纖（DFF）、色散補(bǔ)償光纖（DCF）。2.4單模光纖2.4.4新型單模光纖色散位移單模光纖（DSF）：?jiǎn)文９饫w的色散由材料色散和波導(dǎo)色散（與相位常數(shù)k有關(guān)，隨后討論）組成，通過兩種色散互相補(bǔ)償，可使1550nm波長(zhǎng)的總色散為0，保持損耗特性不變。實(shí)現(xiàn)方法：通過改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，加大波導(dǎo)色散，以抵消材料色散。2030100-10-20-30-401.01.21.41.61.8λ(μm)D(ps/nm.km)材料色散波導(dǎo)色散總色散2.4單模光纖2.4.4新型單模光纖色散平坦單模光纖（DFF）：色散平坦單模光纖是一種有兩個(gè)零色散波長(zhǎng)1305nm和1620nm的光纖，這兩個(gè)波長(zhǎng)之間的色散保持在比較小的范圍，且色散曲線相對(duì)平坦。2030100-10-20-30-401.01.21.41.61.8λ(μm)D(ps/nm.km)材料色散波導(dǎo)色散總色散2.4單模光纖2.4.4新型單模光纖色散平坦單模光纖（DFF）：實(shí)現(xiàn)方法是多包層、多折射率分布，例如W型折射率分布。2030100-10-20-30-401.01.21.41.61.8λ(μm)D(ps/nm.km)材料色散波導(dǎo)色散總色散下凹型三角型三包層型2.4單模光纖2.4.4新型單模光纖色散補(bǔ)償光纖（DCF）：其實(shí)現(xiàn)方法是插入一段光纖來(lái)補(bǔ)償色散。這段光纖稱為色散補(bǔ)償光纖（DCF）。色散補(bǔ)償光纖的色散系數(shù)與正常光纖的色散系數(shù)符號(hào)相反，從而使光脈沖信號(hào)在工作波長(zhǎng)窗口不發(fā)生畸變。主要問題損耗特性色散特性非線性效應(yīng)2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性損耗分類2.5光纖的傳輸特性光纖損耗吸收損耗散射損耗本征吸收雜質(zhì)吸收線性散射損耗非線性散射損耗瑞利(本征)散射材料不均勻散射受激喇曼散射受激布里淵散射2.5.1損耗特性功率比值與功率比值的對(duì)數(shù)表示（dB表示，分貝表示）如果兩個(gè)功率的比值為：則該比值的dB表示為：?jiǎn)挝粸榉重悾╠B）在通信領(lǐng)域中，對(duì)數(shù)表示法更為通用。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性為了衡量光纖損耗特性好壞，引入損耗系數(shù)（或稱衰減系數(shù)），即傳輸單位長(zhǎng)度(1km)光纖所引起的光功率的減小量，單位為dB/km，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率（一般以mW或μW為單位）。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性吸收損耗當(dāng)光波通過光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，從而造成光功率的損失，這種損耗稱為吸收損耗。吸收損耗與材料有關(guān)，還與光的波長(zhǎng)有關(guān)。吸收損耗主要有本征吸收和雜質(zhì)吸收。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性吸收損耗本征吸收：光纖基本材料的固有吸收，即光纖的最小極限吸收。對(duì)于SiO2石英光纖，本征吸收有兩個(gè)吸收帶：紫外吸收帶、紅外吸收帶。紫外吸收帶波長(zhǎng)范圍是6nm~390nm，吸收峰在160nm附近，隨著波長(zhǎng)的增加，吸收的能量按指數(shù)下降，拖尾可到700~1000nm，故可影響850nm的波長(zhǎng)。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性吸收損耗本征吸收：紅外吸收帶波長(zhǎng)范圍是760nm~300000nm，吸收峰在910nm、12500nm、21000nm，吸收峰的拖尾將影響1500~1700nm的波長(zhǎng)范圍，因而影響工作波長(zhǎng)的上限，進(jìn)而使波段擴(kuò)展困難。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性吸收損耗雜質(zhì)吸收雜質(zhì)吸收是由于材料的不純凈、工藝不完善而造成的附加吸收。雜質(zhì)含量越高，損耗就越嚴(yán)重。影響最大的兩種主要雜質(zhì)：過渡金屬離子（鐵—1100nm、銅—800nm、鉻、鈷等）；氫氧根離子（OH-）—2700nm、900nm、720nm。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性散射損耗由于光纖材料、形狀、折射率分布等方面的缺陷或不均勻，光信號(hào)在傳導(dǎo)過程中也將產(chǎn)生損耗，這種損耗稱為散射損耗。散射損耗分為線性散射損耗（瑞利散射、材料不均勻散射）和非線性散射損耗（受激喇曼散射、受激布里淵散射）。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性散射損耗瑞利散射：由于光纖材料的折射率隨機(jī)變化（密度不均勻、內(nèi)部應(yīng)力不均勻）而引起的散射。瑞利散射損耗與（1/λ4）成正比，所以，在長(zhǎng)波波段的瑞利散射小。瑞利散射是固有的，無(wú)法完全消除。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性散射損耗材料不均勻散射：由于結(jié)構(gòu)的不均勻性（如纖芯截面不圓、粗細(xì)不勻等）、光纖制作缺陷（如纖芯中的氣泡、纖芯與包層交界粗糙等）引起的散射損耗。材料不均勻性散射損耗與波長(zhǎng)基本無(wú)關(guān)。通過改造制造工藝來(lái)降低光纖的不均勻性、減少缺陷。2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性散射損耗其它散射損耗：光纖過度彎曲包層損耗等等2.5光纖的傳輸特性2.5.1損耗特性低損耗窗口綜合各種損耗特性，光纖有兩個(gè)低損耗波長(zhǎng)（窗口）：1300nm波長(zhǎng)的損耗接近01550nm波長(zhǎng)的損耗在0.2dB以下（即每傳輸1km，光功率損失5%左右，為什么？）。2.5光纖的傳輸特性2.5.2散射特性光纖的色散光源發(fā)出的光具有一定波長(zhǎng)范圍，即譜線寬度。把光功率降為峰值功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍稱為光源的譜線寬度，用Δλ

表示。Δλ范圍所對(duì)應(yīng)的帶寬為Δf理想光源Δλ

等于0（單色）。高質(zhì)量光源Δλ

較?。▎紊院茫?。2.5光纖的傳輸特性0.51.00780800820840860波長(zhǎng)（nm)相對(duì)輸出功率2.5.2散射特性光纖的色散不同波長(zhǎng)、不同模式的光在光纖中以不同徑向速度傳播，將引起光脈沖波形形狀變化(展寬)，這種現(xiàn)象稱為光纖的色散。光纖色散用時(shí)延差表示，單位為ps/km.nm。時(shí)延差與光源的相對(duì)帶寬Δf/f成正比，這要求使用頻率盡量高（或波長(zhǎng)盡量小）的光信號(hào)，或盡量使用單色性好的光源。而前者是受限的（要兼顧損耗）。2.5光纖的傳輸特性2.5.2散射特性光纖的色散分類：模式色散：由于各個(gè)模式在同一頻率下傳輸?shù)南辔怀?shù)不同引起的色散。材料色散：折射系數(shù)與波長(zhǎng)呈非線性關(guān)系，使傳輸速度隨波長(zhǎng)而變所引起的色散。波導(dǎo)色散：光纖中的同一模式在不同頻率下傳輸?shù)南辔怀?shù)不同引起的色散。2.5光纖的傳輸特性2.5.3光纖的帶寬光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性：色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后在時(shí)間坐標(biāo)軸上脈沖展寬（畸變）了多少。帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)信號(hào)（不是載波！實(shí)際上信號(hào)是調(diào)制到光載波上的，也稱為調(diào)制信號(hào)）的高頻分量通過光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減。2.5光纖的傳輸特性2.5.3光纖的帶寬光纖帶寬對(duì)光信號(hào)的影響：2.5光纖的傳輸特性2.5.3光纖的帶寬光纖的帶寬：通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過光纖傳播后，光功率下降一半（即3dB）時(shí)的頻率fc的大小定義為光纖的帶寬。由于它是光功率下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬，即帶寬fc滿足下式：2.5光纖的傳輸特性光纖的非線性效應(yīng)是指在強(qiáng)光作用下，光波信號(hào)和光纖介質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的物理效應(yīng)：引發(fā)介質(zhì)中的分子振動(dòng)，對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制而產(chǎn)生新的光頻信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生的附加散射效應(yīng):受激喇曼散射，可用于制造激光器；受激布里淵散射，可用于制造光放大器。使折射率隨光強(qiáng)變化而變化所引起的效應(yīng)（自相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻等）2.6光纖的非線性效應(yīng)2.7.1光纜的分類與典型結(jié)構(gòu)光纜的分類根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途，光纜可以分為：市話光纜、長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶光纜；根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為：多模光纜、單模光纜；根據(jù)光纖套塑的種類，光纜可以分為：緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜；根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為：?jiǎn)涡竟饫|和多芯光纜等等；2.7光纜9.19光纜的分類根據(jù)加強(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為：中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管式光纜)和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如帶狀式光纜)；根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為：管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；根據(jù)護(hù)層材料性質(zhì)，光纜可以分為：普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。2.7光纜2.7光纜2.7.1光纜的分類與典型結(jié)構(gòu)光纜的構(gòu)造光纜的構(gòu)造一般分為纜芯和護(hù)層兩大部分。纜芯纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于安全位置，在光纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響；纜芯內(nèi)的金屬線應(yīng)妥善安排，以保證其電氣性能；纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。2.7光纜護(hù)層光纜護(hù)層同電纜護(hù)層類似，是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過河、跨海等。對(duì)于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。2.7光纜光纜的典型結(jié)構(gòu)

光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為：層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。我國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。2.7光纜2.7光纜層絞式結(jié)構(gòu)：層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱為古典式光纜。骨架式結(jié)構(gòu)：骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是V形、U形或其他合理的形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦形，一個(gè)空槽可放置5~10根一次涂覆光纖。2.7光纜束管式結(jié)構(gòu)：束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纖芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。帶狀式結(jié)構(gòu)：帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。2.7

光纜2.7.2