光纖通信原理第三章光纖的傳輸特性

光纖通信原理第三章光纖的傳輸特性3.1光纖的損耗特性3.1.1吸收損耗 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(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。1.本征吸收損耗 本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有兩種基本的吸收方式。(1)紫外吸收損耗 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(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。(2)紅外吸收損耗 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(dòng)加劇，從而引起的損耗。2.雜質(zhì)吸收損耗 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。式(3-25)中：Δλ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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；式(3-23)中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項(xiàng)稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw(λ)表示。目前，ITU-T(國(guó)際電信聯(lián)盟－電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu))分別對(duì)光纖、光纖、光纖、光纖、光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，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。式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)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，如圖3.成纜可以改善光纖的溫度特性光纖稱為色散位移光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)處色散為零，損耗又最小。瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。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100～400kg/10cm。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達(dá)終端的時(shí)延差。14光纖和光纜的溫度特征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；彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差Δ以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。光功率總是要用光電子器件來(lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率，于是：3.原子缺陷吸收損耗 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(huì)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(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。3.1.2散射損耗1.線性散射損耗 任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，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。(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。 對(duì)于短波長(zhǎng)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)光纖結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗(波導(dǎo)散射損耗) 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等。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(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。3.1.3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，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。 在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。 微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，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(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。3.1.4光纖損耗系數(shù) 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長(zhǎng)度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用α表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： 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，以mW或μW為單位。3.2光纖的色散特性3.2.1色散的概念

3.2.2模式色散

所謂模式色散，用光的射線理論來(lái)說，就是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。1.階躍型光纖中的模式色散 在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達(dá)終端的時(shí)延差。圖3.6階躍型光纖的模式色散2.漸變型光纖中的模式色散 在漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時(shí)速度得到補(bǔ)償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。3.2.3材料色散 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(lái)衡量，色散系數(shù)定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率成份通過單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散，用D(λ)表示，單位是ps/（nm·km）。2.材料色散 在已知材料色散系數(shù)的前提下，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τm表示。τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L

式(3-25)中：Δλ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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；L是光纖的傳播長(zhǎng)度。3.2.4波導(dǎo)色散 式(3-23)中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項(xiàng)稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw(λ)表示。3.2.5極化色散 極化色散也稱為偏振模色散，用τp表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。 單模光纖中可能同時(shí)存在LP01x和LP01y兩種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵(lì)和邊界條件的隨機(jī)變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。 當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時(shí)，兩個(gè)極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)βx和βy不相等。對(duì)于弱導(dǎo)光纖，βy和βx之差可以近似地表示為：式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。3.2.6總色散

光纖的總色散為： 值得說明的是，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。3.2.7光纖的色散和帶寬對(duì)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(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)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，如圖3.12所示。圖3.12光纖的帶寬(f為調(diào)制信號(hào)頻率) 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(B)。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?？捎檬?3-33)表示。 光功率總是要用光電子器件來(lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率，于是： 從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬。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。式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；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(huì)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(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。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。不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來(lái)附加損耗，稱之為成纜損耗。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(dòng)加劇，從而引起的損耗。光功率總是要用光電子器件來(lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率，于是：式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；(2)紅外吸收損耗L是光纖的長(zhǎng)度，單位是km；式(3-23)中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而b和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項(xiàng)稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用Dw(λ)表示。式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；式(3-25)中：Δλ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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；式(3-25)中：Δλ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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；式(3-25)中：Δλ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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；1.色散與帶寬的關(guān)系 既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個(gè)特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。2.模式畸變帶寬和波長(zhǎng)色散帶寬 由于總色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散，所以光纖的總帶寬也可表示為： 式中：BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長(zhǎng)色散帶寬。 波長(zhǎng)色散帶寬定義為： 式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長(zhǎng)度，單位是km；D(λ)是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長(zhǎng)色散系數(shù))，單位是ps/(nm·km)，其中材料色散占主導(dǎo)地位。漸變型光纖中的模式色散所謂模式色散，用光的射線理論來(lái)說，就是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。Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長(zhǎng)色散帶寬。式(3-25)中：Δλ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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差Δ以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；目前，ITU-T(國(guó)際電信聯(lián)盟－電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu))分別對(duì)光纖、光纖、光纖、光纖、光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，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。式中：Δλ是光源的譜線寬度，單位是nm；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，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；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。14光纖和光纜的溫度特征光纖鏈路總帶寬與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無(wú)接頭。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(lái)衡量，色散系數(shù)定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率成份通過單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散，用D(λ)表示，單位是ps/（nm·km）。3.鏈路總帶寬對(duì)通信容量的影響 光纖鏈路總帶寬與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無(wú)接頭。對(duì)于無(wú)接頭的一個(gè)制造長(zhǎng)度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關(guān)系如下：BT=B·L-γ

式中：L是光纖的制造長(zhǎng)度(km)，γ為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在～之間(多模光纖取～，單模光纖γ＝1)。3.3

成纜對(duì)光纖特性的影響3.3.1光纜特性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100～400kg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100～400kg/10cm。3.彎曲特性 彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差Δ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。在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線①和以臨界角θc入射的光線②，如圖所示。式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；因此，在階躍型光纖中最大色散是光線①和光線②到達(dá)終端的時(shí)延差。光纖稱為色散位移光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)處色散為零，損耗又最小。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100～400kg范圍。另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。光纖稱為色散位移光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)處色散為零，損耗又最小。在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。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100～400kg/10cm。式中：L為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH－。任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無(wú)缺的，無(wú)論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，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。(1)紫外吸收損耗通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種