光纖和光纜第2章光纖和光纜

1、第 2 章光 纖 和 光 纜第2章光纖和光纜2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型2.2光纖傳輸原理2.3光纖傳輸特性2.4光纜2.5光纖特性測量方法第 2 章光 纖 和 光 纜 2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型光纖結(jié)構(gòu)和類型2.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)光纖(Optical Fiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。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(nèi)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(hù)作用。圖2.1示出光纖的外形。設(shè)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。纖芯和包層的相對折射率差典型值=(n1n2)/n1，一般單模光纖為0.3

2、%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。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.1光纖的外形第 2 章光 纖 和 光 纜2.1.2光纖類型光纖類型光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純度石英(SiO2)制成的光纖。實用光纖主要有三種基本類型，圖2.2示出其橫截面的結(jié)構(gòu)和折射率分布，光線在纖芯傳播的路徑以及由于色散引起的輸出脈沖相對于輸入脈沖的畸變。這些光纖的主要特征如下： 突變型多模光纖如圖2.2(a)，纖芯折射率為n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2，故又稱為階躍折射率型光纖。這種光纖一般纖芯直徑2a=5080m，光線以折線形狀沿纖芯中

3、心軸線方向傳播，特點是信號畸變大。第 2 章光 纖 和 光 纜漸變型多模光纖 如圖2.2(b)，在纖芯中心折射率最大為n1，沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a為50 m，光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變小。 單模光纖如圖2.2 (c)，折射率分布和突變型光纖相似，纖芯直徑只有810 m，光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。因為這種光纖只能傳輸一個模式(兩個偏振態(tài)簡并)，所以稱為單模光纖，其信號畸變很小。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.2三種基本類型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； (c) 單模光纖 第 2 章光

4、 纖 和 光 纜相對于單模光纖而言，突變型光纖和漸變型光纖的纖芯直徑都很大，可以容納數(shù)百個模式，所以稱為多模光纖。漸變型多模光纖和單模光纖，包層外徑2b都選用125 m。實際上，根據(jù)應(yīng)用的需要，可以設(shè)計折射率介于SIF和GIF之間的各種準(zhǔn)漸變型光纖。為調(diào)整工作波長或改善色散特性，可以在圖2.2(c)常規(guī)單模光纖的基礎(chǔ)上，設(shè)計許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特種單模光纖。最有用的若干典型特種單模光纖的橫截面結(jié)構(gòu)和折射率分布示于圖2.3，這些光纖的特征如下。 第 2 章光 纖 和 光 纜雙包層光纖如圖2.3(a)所示，折射率分布像W形，又稱為W型光纖。這種光纖有兩個包層，內(nèi)包層外直徑2a與纖芯直徑2a的比值a/a2

5、。適當(dāng)選取纖芯、外包層和內(nèi)包層的折射率n1、n2和n3，調(diào)整a值，可以得到在1.31.6 m之間色散變化很小的色散平坦光纖(DFF，Dispersion Flattened Fiber)，或把零色散波長移到1.55 m的色散移位光纖(DSF，Dispersion Shifted Fiber)。 第 2 章光 纖 和 光 纜三角芯光纖如圖2.3(b)所示，纖芯折射率分布呈三角形，這是一種改進(jìn)的色散移位光纖。這種光纖在1.55 m有微量色散，有效面積較大，適合于密集波分復(fù)用和孤子傳輸?shù)拈L距離系統(tǒng)使用，康寧公司稱它為長距離系統(tǒng)光纖，這是一種非零色散光纖。橢圓芯光纖如圖2.3(c)所示，纖芯折射率分布

6、呈橢圓形。這種光纖具有雙折射特性，即兩個正交偏振模的傳輸常數(shù)不同。強雙折射特性能使傳輸光保持其偏振狀態(tài)，因而又稱為雙折射光纖或偏振保持光纖。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.3典型特種單模光纖(a) 雙包層； (b) 三角芯； (c) 橢圓芯 第 2 章光 纖 和 光 纜以上各種特征不同的光纖，其用途也不同。突變型多模光纖信號畸變大，相應(yīng)的帶寬距離積只有1020 MHzkm，只能用于小容量(8 Mb/s以下)短距離(幾千米以內(nèi))系統(tǒng)。漸變型多模光纖的帶寬距離積可達(dá)12 GHzkm，適用于中等容量(34140 Mb/s)中等距離(1020 km)系統(tǒng)。大容量(622 Mb/s2.5 Gb/s

7、)長距離(30 km以上)系統(tǒng)要用單模光纖。第 2 章光 纖 和 光 纜特種單模光纖能大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平。1.55 m色散移位光纖實現(xiàn)了10 Gb/s 容量的100 km的超大容量超長距離系統(tǒng)。色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率，增加傳輸距離。外差接收方式的相干光系統(tǒng)要用偏振保持光纖，這種系統(tǒng)最大優(yōu)點是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。 第 2 章光 纖 和 光 纜 2.2光纖傳輸原理光纖傳輸原理要詳細(xì)描述光纖傳輸原理，需要求解由麥克斯韋方程組導(dǎo)出的波動方程。但在極限(波數(shù)k=2/非常大，波長0)條件

8、下，可以用幾何光學(xué)的射線方程作近似分析。幾何光學(xué)的方法比較直觀，容易理解，但并不十分嚴(yán)格。不管是射線方程還是波動方程，數(shù)學(xué)推演都比較復(fù)雜，我們只選取其中主要部分和有用的結(jié)果。2.2.1幾何光學(xué)方法幾何光學(xué)方法用幾何光學(xué)方法分析光纖傳輸原理，我們關(guān)注的問題主要是光束在光纖中傳播的空間分布和時間分布，并由此得到數(shù)值孔徑和時間延遲的概念。 第 2 章光 纖 和 光 纜1. 突變型多模光纖突變型多模光纖數(shù)值孔徑為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。設(shè)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

9、從空氣入射到纖芯(n0n2)。改變角度，不同相應(yīng)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(dāng)c時，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。由此可見，只有在半錐角為c的圓錐內(nèi)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的正弦為數(shù)值孔徑(NA，Numerical Aperture)。根據(jù)定義和斯奈爾定律NA=n0sinc=n1cosc，n1sinc=n2sin90(2.2)n0=1，由式(2.2)經(jīng)簡單計算得到 2NA12212nnn(2.3) 第 2 章光 纖 和 光 纜式中=(n1n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。設(shè)=0.01，

10、n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2。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，小于c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)實際使用場合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。 第 2 章光 纖 和 光 纜時間延遲現(xiàn)在我們來觀察光線在光纖中的傳播時間。根據(jù)圖2.4，入射角為的光線在長度為L(0 x)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(0y)，在不大的條件下，其傳播時間即時間延遲為 式中c為真空中的光速。由式(2.4)得

11、到最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光線之間時間延遲差近似為 )21 (sec211111cLnclncln(2.4) cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5) 第 2 章光 纖 和 光 纜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。設(shè)光纖NA=0.20，n1=1.5，L=1 km，根據(jù)式(2.5)得到脈沖展寬=44 ns，相當(dāng)于10 MHzkm左右?guī)捑嚯x積(以下簡稱為帶寬)。 第 2 章光 纖 和 光 纜2. 漸變型多模光纖漸變型多模光纖漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、

12、增加帶寬的優(yōu)點。漸變型光纖折射率分布的普遍公式為)(1 1)(21 211ggarnarnn11=n 2ra 0ran(r)= (2.6) 第 2 章光 纖 和 光 纜式中，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(biāo)和纖芯半徑，=(n1n2)/n1為相對折射率差，g為折射率分布指數(shù)。在g的極限條件下，對于r0。如果w0，電磁場將在包層振蕩，傳輸模式將轉(zhuǎn)換為輻射模式，使能量從包層輻射出去。w=0(=n2k)介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)，這個狀態(tài)稱為模式截止。其u、w和值記為uc、wc和c，此時V=Vc=uc。 awr)(awrkv)exp(awr)exp(awr第 2 章光

13、 纖 和 光 纜對于每個確定的v值，可以從特征方程(2.26)求出一系列uc值，每個uc值對應(yīng)一定的模式，決定其值和電磁場分布。當(dāng)v=0時，電磁場可分為兩類。一類只有Ez、Er和Hf分量，Hz=Hr=0，Ef=0，這類在傳輸方向無磁場的模式稱為橫磁模(波)，記為TM0。另一類只有Hz、Hr和Ef分量，Ez=Er=0，Hf=0，這類在傳輸方向無電場的模式稱為橫電模(波)，記為TE0。在微波技術(shù)中，金屬波導(dǎo)傳輸電磁場的模式只有TM波和TE波。 第 2 章光 纖 和 光 纜當(dāng)v0時，電磁場六個分量都存在，這些模式稱為混合模(波)。混合模也有兩類，一類EzHz，記為HEv，另一類HzEz，記為EHv。

14、下標(biāo)v和都是整數(shù)。第一個下標(biāo)v是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示在纖芯沿方位角繞一圈電場變化的周期數(shù)。第二個下標(biāo)是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序數(shù)，稱為徑向模數(shù)，它表示從纖芯中心(r=0)到纖芯與包層交界面(r=a)電場變化的半周期數(shù)。模式遠(yuǎn)離截止當(dāng)V時，w增加很快，當(dāng)w時，u只能增加到一個有限值，這個狀態(tài)稱為模式遠(yuǎn)離截止，其u值記為u。 第 2 章光 纖 和 光 纜波動方程和特征方程的精確求解都非常繁雜，一般要進(jìn)行簡化。大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層相對折射率差都很小(例如1)由HEv1和EHv1組成，包含4重簡并。若干低階LPv模簡化的本征方程和相應(yīng)的模式截止值uc和遠(yuǎn)離截止值u列于

15、表2.1，這些低階模式和相應(yīng)的V值范圍列于表2.2，圖2.9示出四個低階模式的電磁場矢量結(jié)構(gòu)圖。 第 2 章光 纖 和 光 纜表表2.1LPv模截止值和遠(yuǎn)離截止值模截止值和遠(yuǎn)離截止值 第 2 章光 纖 和 光 纜表表 2.2低階低階(v=0和和v=1)模式和相應(yīng)的模式和相應(yīng)的V值范圍值范圍 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.9四個低階模式的電磁場矢量結(jié)構(gòu)圖第 2 章光 纖 和 光 纜3. 多模漸變型光纖的模式特性多模漸變型光纖的模式特性漸變型光纖折射率分布的普遍公式用式(2.6)中的n(r)表示。由于折射率是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，波動方程式(2.21)沒有解析解。求解式(2.21)的近似方法很多

16、，其中由Wentzel、Kramers和Brillouin提出的WKB法是常用的一種近似方法。我們不準(zhǔn)備討論這種方法的推導(dǎo)過程，只給出用這種方法得到的一些有用的結(jié)果。傳輸常數(shù)多模漸變型光纖傳輸常數(shù)的普遍公式為 2121)(21 ggMmkn(2.31) 第 2 章光 纖 和 光 纜式中，n1、g和k前面已經(jīng)定義了，M是模式總數(shù)，m()是傳輸常數(shù)大于的模式數(shù)。經(jīng)計算 由式(2.32)看到： 對于突變型光纖，g，M=V2/2； 對于平方律漸變型光纖，g=2，M=V2/4。(2.32a) 2)2()2(2122vggnkaggM)2(2122212)2()(ggnknkMm(2.32b) 第 2 章

17、光 纖 和 光 纜根據(jù)計算分析，在漸變型光纖中，凡是徑向模數(shù)和方位角模數(shù)v的組合滿足q=2+v (2.33)的模式，都具有相同的傳輸常數(shù)，這些簡并模式稱為模式群。q稱為主模數(shù)，表示模式群的階數(shù)，第q個模式群有2q個模式，把各模式群的簡并度加起來，就得到模式數(shù)m()=q2。模式總數(shù)M=Q2，Q稱為最大主模數(shù)，表示模式群總數(shù)。用q和Q代替m()和M，從式(2.31)得到第q個模式群的傳輸常數(shù)第 2 章光 纖 和 光 纜光強分布多模漸變型光纖端面的光強分布(又稱為近場)P(r)主要由折射率分布n(r)決定， 式中P(0)為纖芯中心(r=0)的光強，C為修正因子。 (2.34) 21221)(21 g

18、gqQqkn)()0()()()0()(2222annanrncprp(2.35) 第 2 章光 纖 和 光 纜4. 單模光纖的模式特性單模光纖的模式特性單模條件和截止波長從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。當(dāng)V值減小時，不斷發(fā)生模式截止，模式數(shù)目逐漸減少。特別值得注意的是當(dāng)V2.405時，只有HE11(LP01)一個模式存在，其余模式全部截止。HE11稱為基模，由兩個偏振態(tài)簡并而成。由此得到單模傳輸條件為 (2.36) 405. 222221nnaV第 2 章光 纖 和 光 纜由式(2.36)可以看到，對于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個臨界波長c，當(dāng)c時

19、，是單模傳輸，這個臨界波c稱為截止波長。由此得到 光強分布和模場半徑通常認(rèn)為單模光纖基模HE11的電磁場分布近似為高斯分布(2.37) 405. 2405. 2ccVV或 (r)=A exp )(20wr第 2 章光 纖 和 光 纜式中，A為場的幅度，r為徑向坐標(biāo)，w0為高斯分布1/e點的半寬度，稱為模場半徑。實際單模光纖的模場半徑w0是用測量確定的，常規(guī)單模光纖用纖芯半徑a歸一化的模場半徑的經(jīng)驗公式為w0/a與V(或/c)的關(guān)系示于圖2.10。圖中是基模HE11的注入效率。由圖可見，在3V1.4(0.8/c96%。 (2.38) aw0 0.651.619V1.52.879V60.650.4

20、34 0.01495 . 1)(c6)(c第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.10用對LP01模給出最佳注入效率的高斯場分布時，歸一化模場半徑w0/a和注入效率與歸一化波長/c或歸一化頻率V的函數(shù)關(guān)系 第 2 章光 纖 和 光 纜雙折射和偏振保持光纖前面的討論都假設(shè)了光纖具有完美的圓形橫截面和理想的圓對稱折射率分布，而且沿光纖軸向不發(fā)生變化。因此，HE11(LP01)模的x偏振模(Ey=0)和y偏振模(Ex=0)具有相同的傳輸常數(shù)(x=y)，兩個偏振模完全簡并。但是實際光纖難以避免的形狀不完善或應(yīng)力不均勻，必定造成折射率分布各向異性，使兩個偏振模具有不同的傳輸常數(shù)(xy)。因此，在傳輸過程要引

21、起偏振態(tài)的變化，我們把兩個偏振模傳輸常數(shù)的差(xy)定義為雙折射，通常用歸一化雙折射B來表示，x11HEy11HE第 2 章光 纖 和 光 纜式中，=(x+y)/2為兩個傳輸常數(shù)的平均值。把兩個正交偏振模的相位差達(dá)到2的光纖長度定義為拍長 )(yx(2.40) (2.39) 2bL第 2 章光 纖 和 光 纜存在雙折射，要產(chǎn)生偏振色散，因而限制系統(tǒng)的傳輸容量。許多單模光纖傳輸系統(tǒng)都要求盡可能地減小或消除雙折射。一般單模光纖B值雖然不大，但是通過光纖制造技術(shù)來消除它卻十分困難。合理的解決辦法是通過光纖設(shè)計，人為地引入強雙折射，把B值增加到足以使偏振態(tài)保持不變，或只保存一個偏振模式，實現(xiàn)單模單偏振

22、傳輸。強雙折射光纖和單模單偏振光纖為偏振保持光纖。獲得偏振保持光纖的方法很多，例如引入形狀各向異性的橢圓芯光纖。 第 2 章光 纖 和 光 纜 2.3光纖傳輸特性光纖傳輸特性光信號經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生損耗和畸變(失真)，因而輸出信號和輸入信號不同。對于脈沖信號，不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸帶寬。本節(jié)討論光纖的色散和損耗的機理和特性，為光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)。第 2 章光 纖 和 光 纜2.3.1光纖色散光纖色散1. 色散、色散、 帶寬和脈沖展寬帶寬和脈沖展寬色散(Disp

23、ersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的傳播時間不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模式色散、 材料色散和波導(dǎo)色散。模式色散是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(guān)。第 2 章光 纖 和 光 纜材料色散是由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同波長成分的光(實際光源不是純單色光)，其傳播時間不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。色散對光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時域和頻域的表示方法不同。從頻域上看，色

24、散限制了傳輸信號的帶寬(Bandwith)； 從時域上看， 色散引起信號脈沖的展寬(Pulse Broadening)。所以，色散通常用3 dB光帶寬f3 dB或脈沖展寬表示。第 2 章光 纖 和 光 纜用脈沖展寬表示時，光纖色散可以寫成=(2n+2m+2w)1/2 式中n、m、w分別為模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散所引起的脈沖展寬的均方根值。光纖帶寬的概念來源于線性非時變系統(tǒng)的一般理論。如果光纖可以按線性系統(tǒng)處理，其輸入光脈沖功率Pi(t)和輸出光脈沖功率Po(t)的一般關(guān)系為 (2.41) (2.42) ttPtthtPd)()()(io第 2 章光 纖 和 光 纜當(dāng)輸入光脈沖Pi(t)=(

25、t)時，輸出光脈沖Po(t)=h(t)，式中(t)為函數(shù)，h(t)稱為光纖的沖擊響應(yīng)。沖擊響應(yīng)h(t)的傅里葉(Fourier)變換為 一般，頻率響應(yīng)|H(f)|隨頻率的增加而下降，這表明輸入信號的高頻成分被光纖衰減了。受這種影響，光纖起了低通濾波器的作用。將歸一化頻率響應(yīng)|H(f)/H(0)|下降一半或減小3 dB的頻率定義為光纖3 dB光帶寬f3 dB，由此得到 (2.43) tftthfHd)2jexp()()(21)0()(dB 3HfH(2.44a) 第 2 章光 纖 和 光 纜或T(f)10 lg | H(f3 dB)/H(0)|3 (2.44b)一般，光纖不能按線性系統(tǒng)處理，但如

26、果系統(tǒng)光源的頻譜寬度比信號的頻譜寬度s大得多，光纖就可以近似為線性系統(tǒng)。光纖傳輸系統(tǒng)通常滿足這個條件。光纖實際測試表明，輸出光脈沖一般為高斯波形，設(shè) Po(t)h(t)exp式中，為均方根(rms)脈沖寬度。對式(2.45)進(jìn)行傅里葉變換，代入式(2.44a)得到)2(22t(2.45) 第 2 章光 纖 和 光 纜由式(2.46)得到3 dB光纖帶寬為用高斯脈沖半峰值全寬度(FWHM)=2 =2.355，代入式(2.47a)得到式(2.47)脈沖寬度和是信號通過光纖產(chǎn)生的脈沖展寬，單位為ns。 (2.46) 21)2exp(2dB322f)MHZ(187122ln2dB 3f(2.47a)

27、)MHZ(441dB 3f2ln2(2.47b) 第 2 章光 纖 和 光 纜輸入脈沖一般不是函數(shù)。設(shè)輸入脈沖和輸出脈沖為式(2.45)表示的高斯函數(shù)，其rms脈沖寬度分別為1和2，頻率響應(yīng)分別為H1( f )和H2( f )，根據(jù)傅里葉變換特性得到由此得到，信號通過光纖后產(chǎn)生的脈沖展寬=或=，1和2分別為輸入脈沖和輸出脈沖的半峰值全寬度(FWHM)。 光纖3 dB光帶寬f3 dB和脈沖展寬、的定義示于圖2.11。 (2.48) )()()(12fHfHfH21222122第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.11光纖帶寬和脈沖展寬的定義第 2 章光 纖 和 光 纜2. 多模光纖的色散多模光纖的

28、色散多模光纖折射率分布的普遍公式用式(2.6)的n(r)表示，第q階模式群的傳輸常數(shù)用式(2.34)的q表示。單位長度光纖第q階模式群產(chǎn)生的時間延遲 式中，c為光速 ，k=2/，為光波長。設(shè)光源的功率譜很陡峭，其rms光譜寬度為，每個傳輸模式具有相同的功率，經(jīng)復(fù)雜的計算，得到長度為L的多模光纖rms脈沖展寬為 kcwqqqdd1dd22222模內(nèi)模間qq(2.49) 第 2 章光 纖 和 光 纜(2.50a) 212222211211)23)(25()22(412) 1(4)222)(1(2gggcggcccggggCLN模間21112121)232)(11(11)(2)( ggCNaCNnn

29、CLN模間221ggC)2(22232ggCddNn112ddnnN111(2.50b) 第 2 章光 纖 和 光 纜模間為模式色散產(chǎn)生的rms脈沖展寬。當(dāng)g時，相應(yīng)于突變型光纖，由式(2.50a)簡化得到 模間(g) 當(dāng)g=2+時，相應(yīng)于rms脈沖展寬達(dá)到最小值的漸變型光纖，由式(2.50a)簡化得到模間(g=2+) 由此可見，漸變型光纖的rms脈沖展寬比突變型光纖減小/2倍。 cLN321(2.50c) (2.50d) cLNg34)2(21第 2 章光 纖 和 光 纜模內(nèi)為模內(nèi)色散產(chǎn)生的rms脈沖展寬，其中第一項為材料色散，第三項為波導(dǎo)色散，第二項包含材料色散和波導(dǎo)色散的影響。對于一般多

30、模光纖，第一項是主要的，其他兩項可以忽略，由式(2.50b)簡化得到 圖 2.12示出三種不同光源對應(yīng)的rms脈沖展寬和折射率分布指數(shù)g的關(guān)系。由圖可見，rms脈沖展寬隨光源譜寬的增大而增大，并在很大程度上取決于折射率分布指數(shù)g。當(dāng)g=g0時，達(dá)到最小值。g的最佳值g0=2+，取決于光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料的波長特性。當(dāng)用分布反饋激光器時，最小約為0.018 ns，相應(yīng)的帶寬達(dá)到10 GHzkm。(2.50e) 模間2122dndcL第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.12三種不同光源的均方根脈沖展寬與折射率分布指數(shù)的關(guān)系 第 2 章光 纖 和 光 纜3. 單模光纖的色散單模光纖的色散色度色散理想單

31、模光纖沒有模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散和波導(dǎo)色散總稱為色度色散(Chromatic Dispersion)，常簡稱為色散，它是傳播時間隨波長變化產(chǎn)生的結(jié)果。由于纖芯和包層的相對折射率差s，且光譜不受調(diào)制的影響。實際上，這相當(dāng)于多縱模半導(dǎo)體激光器的情況。考慮rms譜線寬度為的高斯型光源，其功率譜密度為式中，0為中心波長。利用/2的條件下，輸出光脈沖仍保持高斯型，設(shè)其rms脈沖寬度為2，由式(2.54)、式(2.53)和式(2.48)得到 (2.55a) 0d)(dC220202122)(21)(LCLC第 2 章光 纖 和 光 纜由長度為L的單模光纖色度色散產(chǎn)生的脈沖展寬為作為一級

32、近似，| C0 |L。由式(2.47)可以計算出3 dB光帶寬，圖2.14示出常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系。 (2.55b) 2)()(22002LCLC第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.14常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系第 2 章光 纖 和 光 纜單色光源： 設(shè)無調(diào)制時光源的頻譜寬度和調(diào)制帶寬s相比可以忽略(s)，且中心波長不受調(diào)制的影響。實際上，這相當(dāng)于鎖模激光器和穩(wěn)定的單頻激光器。在長度為L的單模光纖上，輸入和輸出的光脈沖都是高斯型，其rms脈沖寬度分別為1和2，經(jīng)計算得到上式右邊第二項為光纖產(chǎn)生的脈沖展寬。和多色光源不同，單色光源脈沖展寬與輸入脈沖寬度1有關(guān)。根據(jù)式(2.56a)，可以

33、選取使輸出脈沖寬度2最小的最佳輸入脈沖寬度1 (2.56a) 21202122)4(0cLC第 2 章光 纖 和 光 纜由此得到最佳輸出脈沖寬度中等譜寬：設(shè)光源的頻譜寬度和調(diào)制帶寬s相近(s)，這相當(dāng)于頻譜寬度較大的單縱模激光器。在這種情況下 LCc0214)(0最佳(2.56b) 最佳最佳)(2)(12(2.56c) (2.57) )41)4221212002122wCLC（第 2 章光 纖 和 光 纜式中，為光源的rms頻譜寬度(用角頻率表示)。同樣可以選取使2最小的最佳1。偏振模色散在理想完善的單模光纖中，HE11模由兩個具有相同傳輸常數(shù)相互垂直的偏振模簡并組成。但實際光纖不可避免地存在

34、一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。偏振模色散取決于光纖的雙折射，由=xynxknyk得到， )(1dd1yxnnckc(2.58) 第 2 章光 纖 和 光 纜式中，nx和ny分別為x和y方向的等效折射率。偏振模色散本質(zhì)上是模式色散，由于模式耦合是隨機的，因而它是一個統(tǒng)計量。目前雖沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但一般要求偏振模色散小于0.5 ps/km。由于存在偏振模色散，即使在色度色散C()=0的波長，帶寬也不是無限大，見圖2.14。2.3.2光纖損耗光纖損耗由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，不管是模擬信號還是數(shù)字信號

35、，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示 第 2 章光 纖 和 光 纜式中，是損耗系數(shù)。設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)式(2.59)，輸出光功率應(yīng)為Po=Pi exp(L)(2.60)習(xí)慣上的單位用dB/km，由式(2.60)得到損耗系數(shù) 1. 損耗的機理損耗的機理圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 PzPdd(2.59) )dB/km( lg10oiPPL(2.61a) 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.15

36、單模光纖損耗譜，示出各種損耗機理第 2 章光 纖 和 光 纜吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。由材料電子躍遷引起的吸收帶發(fā)生在紫外(UV)區(qū)(7 m)，由于SiO2是非晶狀材料，兩種吸收帶從不同方向伸展到可見光區(qū)。由此而產(chǎn)生的固有吸收很小，在0.81.6 m波段，小于0.1 dB/km，在1.31.6 m波段，小于0.03 dB/km。光纖中的雜質(zhì)主要有過渡金屬(例如Fe2+、Co2+、Cu2+)和氫氧根(OH)離子，這些雜質(zhì)是早期實現(xiàn)低損耗光纖的障礙。由于技術(shù)的進(jìn)步，目前過渡金屬離子含量已經(jīng)降低到其影響可以忽略的程度。由氫氧根離子(OH)產(chǎn)生的吸收峰出現(xiàn)在0.9

37、5 m、1.24 m和1.39 m波長，其中以1.39 m的吸收峰影響最為嚴(yán)重。目前OH的含量已經(jīng)降低到109以下，1.39 m吸收峰損耗也減小到0.5 dB/km以下。 第 2 章光 纖 和 光 纜散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關(guān)。瑞利散射損耗R與波長四次方成反比，可用經(jīng)驗公式表示為R=A/4，瑞利散射系數(shù)A取決于纖芯與包層折射率差。當(dāng)分別為0.2%和0.5%時，A分別為0.86和1.02。瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。如果=0.2%，在1.55m波長

38、，光纖最低理論極限為0.149 dB/km。 第 2 章光 纖 和 光 纜2. 實用光纖的損耗譜實用光纖的損耗譜根據(jù)以上分析和經(jīng)驗，光纖總損耗與波長的關(guān)系可以表示為式中，A為瑞利散射系數(shù)，B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW()、IR()和UV()分別為雜質(zhì)吸收、 紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗。圖2.16示出三種實用光纖和一種優(yōu)質(zhì)單模光纖測量的損耗譜。 = +B+CW()+IR()+UV() 4A(2.61b) 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.16光纖損耗譜(a) 三種實用光纖； (b) 優(yōu)質(zhì)單模光纖 第 2 章光 纖 和 光 纜由圖2.16看到： 從多模突變型(SIF)、 漸變型(GIF)光

39、纖到單模(SMF)光纖，損耗依次減小。在0.81.55 m波段內(nèi)，除吸收峰外，光纖損耗隨波長增加而迅速減小。在1.39 m OH吸收峰兩側(cè)1.31 m和1.55 m存在兩個損耗極小的波長“窗口”。另一方面，從色散的討論中看到： 從多模SIF、 GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(帶寬依次增大)。石英單模光纖的零色散波長在1.31 m，還可以把零色散波長從1.31 m移到1.55 m，實現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。正因為這些特性，使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長(0.85 m)“窗口”發(fā)展到長波長(1.31 m和1.55 m)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。 第 2 章

40、光 纖 和 光 纜2.3.3光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用制訂光纖標(biāo)準(zhǔn)的國際組織主要有ITU-T(國際電信聯(lián)盟-電信標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu))，即原CCITT(國際電報電話咨詢委員會)和IEC(國際電工委員會)。表2.3列出了ITU-T已公布的光纖特性的標(biāo)準(zhǔn)。第 2 章光 纖 和 光 纜表表 2.3光纖特性的標(biāo)準(zhǔn)光纖特性的標(biāo)準(zhǔn) 第 2 章光 纖 和 光 纜* 括號內(nèi)的數(shù)字是已經(jīng)達(dá)到的水平。 第 2 章光 纖 和 光 纜G.651多模漸變型(GIF)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)。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

41、離只受損耗的限制。目前世界上已敷設(shè)的光纖線路90%采用這種光纖。這種光纖的缺點是，在零色散波長1.31 m損耗(0.4 dB/km)不是最小值。在1.31 m光纖放大器投入使用之前，要實現(xiàn)長距離通信系統(tǒng)，只能采用電/光和光/電的中繼方式。 第 2 章光 纖 和 光 纜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 色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)，特別是20世紀(jì)80年代末期1.55 m分布反饋激光器(DFB-LD)研制成功，90年代初期1.55 m摻鉺光纖放大器(EDFA)投入應(yīng)用，突破通信距離受損耗的限制，進(jìn)一步提高了大容量長距離通信系統(tǒng)的水平。

42、G.6541.55 m損耗最小的單模光纖，其特點是在波長1.31 m色散為零，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(dá)0.20 dB/km以下。這種光纖實際上是一種用于1.55 m改進(jìn)的常規(guī)單模光纖，目的是增加傳輸距離。 第 2 章光 纖 和 光 纜此外, 還有色散補償光纖，其特點是在波長1.55 m具有大的負(fù)色散。這種光纖是針對波長1.31 m常規(guī)單模光纖通信系統(tǒng)的升級而設(shè)計的，因為當(dāng)這種系統(tǒng)要使用摻鉺光纖放大器(EDFA)以增加傳輸距離時，必須把工作波長從1.31 m移到1.55 m。用色散補償光纖在波長1.55 m的負(fù)色散和常規(guī)單模光纖在1

43、.55 m的正色散相互抵消，以獲得線路總色散為零損耗又最小的效果。 第 2 章光 纖 和 光 纜G.655非零色散光纖，是一種改進(jìn)的色散移位光纖。在密集波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中，當(dāng)使用波長1.55 m色散為零的色散移位光纖時，由于復(fù)用信道多，信道間隔小，出現(xiàn)了一種稱為四波混頻的非線性效應(yīng)。這種效應(yīng)是由兩個或三個波長的傳輸光混合而產(chǎn)生的有害的頻率分量，它使信道間相互干擾。如果色散為零，四波混頻的干擾十分嚴(yán)重，如果有微量色散，四波混頻反而減小。為消除這種效應(yīng)，科學(xué)家開始研究了非零色散光纖。這種光纖的特點是有效面積較大，零色散波長不在1.55 m，而在1.525 m或1.585 m。第 2 章光 纖

44、 和 光 纜在1.55 m有適中的微量色散，其值大到足以抑制密集波分復(fù)用系統(tǒng)中的四波混頻效應(yīng)，小到允許信道傳輸速率達(dá)到10 Gb/s以上。非零色散光纖具有常規(guī)單模光纖和色散移位光纖的優(yōu)點，是最新一代的單模光纖。這種光纖在密集波分復(fù)用和孤子傳輸系統(tǒng)中使用，實現(xiàn)了超大容量超長距離的通信?？祵?Corning)公司開發(fā)的這種新型光纖稱為長距離系統(tǒng)光纖(Long Haul System Fiber)，其結(jié)構(gòu)見圖2.3(b)。AT&T(美國電報電話)公司開發(fā)的這種光纖稱為真波光纖(True Wave Fiber)。 第 2 章光 纖 和 光 纜2.4光纜光纜對光纜的基本要求是保護(hù)光纖的機械強度和

45、傳輸特性，防止施工過程和使用期間光纖斷裂，保持傳輸特性穩(wěn)定。為此，必須根據(jù)使用環(huán)境設(shè)計各種結(jié)構(gòu)的光纜，以保證光纖不受應(yīng)力的作用和有害物質(zhì)的侵蝕。2.4.1光纜基本要求光纜基本要求保護(hù)光纖固有機械強度的方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力篩選。光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料(例如紫外固化的丙烯酸樹脂)進(jìn)行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖，并對成品光纖用硬塑料(例如高強度聚酰胺塑料)進(jìn)行二次被覆。 第 2 章光 纖 和 光 纜應(yīng)力篩選條件直接影響光纖的使用壽命。設(shè)對光纖進(jìn)行拉伸應(yīng)力篩選時，施加的應(yīng)力為p，作用時間為tp(設(shè)為1 s)； 長期使用時，容許施加的應(yīng)力為r，作用時間為tr，斷裂概率為10

46、6 km一個斷裂點。理論推算得到的容許作用時間(光纖使用壽命)tr和應(yīng)力比r/p的關(guān)系示于圖2.17。圖中n為疲勞因子，其數(shù)值隨環(huán)境條件而變化，例如充氣光纜n=20，不充氣光纜n=1320。由圖可見，為保證20年的光纖使用壽命，應(yīng)力比被限制為0.200.35。經(jīng)驗確定，陸上光纜敷設(shè)后，長期使用應(yīng)力(用應(yīng)變表示)r=0.17%，因此要求篩選應(yīng)力p=0.5%0.9%，海底光纜要求更高，p2%。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.17光纖使用壽命和應(yīng)力比的關(guān)系第 2 章光 纖 和 光 纜即使進(jìn)行應(yīng)力篩選，軟塑料一次被覆光纖的機械強度，對于成纜的要求還是不夠的。因此要用硬塑料進(jìn)行二次被覆。二次被覆光

47、纖有緊套、 松套、 大套管和帶狀線光纖四種，見圖2.18。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.18二次被覆光纖(芯線)簡圖(a) 緊套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 帶狀線第 2 章光 纖 和 光 纜把一次被覆光纖裝入硬塑料套管內(nèi)，使光纖與外力隔離是保護(hù)光纖的有效方法。在工程應(yīng)用中，光纜不可避免要遭受一定的拉力而伸長，或者遭遇低溫而收縮。因此，松套管內(nèi)的光纖要留有一定的余長，使光纖受拉力或壓力的作用。圖2.19表示松套管光纖無應(yīng)力“窗口”。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.19松套管光纖的無應(yīng)力“窗口”第 2 章光 纖 和 光 纜2.4.2光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜一

48、般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時在護(hù)套外面加有鎧裝。1. 纜芯纜芯纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強件兩部分。被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。加強件起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時配置在護(hù)套中。加強件通常用楊氏模量大的鋼絲或非金屬材料例如芳綸纖維(Kevlar)做成。光纜類型多種多樣，圖2.20給出了若干典型實例。根據(jù)纜芯結(jié)構(gòu)的特點，光纜可分為四種基本型式。第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.20光纜類型的典型實例第 2 章光 纖 和 光 纜層絞式把松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的纜芯制造設(shè)備簡單，工藝相當(dāng)成熟，得到廣泛應(yīng)用。采用松套光纖的纜芯可以增

49、強抗拉強度，改善溫度特性。骨架式把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的纜芯抗側(cè)壓力性能好，有利于對光纖的保護(hù)。第 2 章光 纖 和 光 纜中心束管式把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強件配置在套管周圍而構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)的加強件同時起著護(hù)套的部分作用，有利于減輕光纜的重量。帶狀式把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。帶狀式纜芯有利于制造容納幾百根光纖的高密度光纜，這種光纜已廣泛應(yīng)用于接入網(wǎng)。第 2 章光 纖 和 光 纜2. 護(hù)套護(hù)套護(hù)套起著對纜芯的機械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，

50、要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)成。不同使用環(huán)境和敷設(shè)方式對護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)有不同的要求。根據(jù)使用條件，光纜又可以分為許多類型。一般光纜有室內(nèi)光纜、 架空光纜、 埋地光纜和管道光纜等。特種光纜常見的有： 電力網(wǎng)使用的架空地線復(fù)合光纜(OPGW)，跨越海洋的海底光纜，易燃、 易爆環(huán)境使用的阻燃光纜以及各種不同條件下使用的軍用光纜等。 第 2 章光 纖 和 光 纜2.4.3光纜特性光纜特性光纜的傳輸特性取決于被覆光纖。對光纜機械特性和環(huán)境特性的要求由使用條件確定。光纜生產(chǎn)出來后，對這些特性的主要項目，例如拉力、 壓力、 扭

51、轉(zhuǎn)、 彎曲、 沖擊、 振動和溫度等，要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定做例行試驗。成品光纜一般要求給出下述特性，這些特性的參數(shù)都可以用經(jīng)驗公式進(jìn)行分析計算，這里我們只作簡要的定性說明。1. 拉力特性拉力特性光纜能承受的最大拉力取決于加強件的材料和橫截面積，一般要求大于1 km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400 kg范圍。 第 2 章光 纖 和 光 纜2. 壓力特性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100400 kg/10 cm。3. 彎曲特性彎曲特性彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。實用光纖最小彎曲半徑一般為2050 mm，光纜最

52、小彎曲半徑一般為200500 mm，等于或大于光纖最小彎曲半徑。在以上條件下，光輻射引起的光纖附加損耗可以忽略，若小于最小彎曲半徑，附加損耗則急劇增加。第 2 章光 纖 和 光 纜4. 溫度特性溫度特性光纖本身具有良好的溫度特性。光纜溫度特性主要取決于光纜材料的選擇及結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用松套管二次被覆光纖的光纜溫度特性較好。溫度變化時，光纖損耗增加，主要是由于光纜材料(塑料)的熱膨脹系數(shù)比光纖材料(石英)大23個數(shù)量級，在冷縮或熱脹過程中，光纖受到應(yīng)力作用而產(chǎn)生的。在我國，對光纜使用溫度的要求，一般在低溫地區(qū)為40+40，在高溫地區(qū)為5+60。 第 2 章光 纖 和 光 纜 2.5光纖特性測量方法

53、光纖特性測量方法光纖的特性參數(shù)很多，基本上可分為幾何特性、 光學(xué)特性和傳輸特性三類。幾何特性包括纖芯與包層的直徑、 偏心度和不圓度； 光學(xué)特性主要有折射率分布、 數(shù)值孔徑、 模場直徑和截止波長； 傳輸特性主要有損耗、 帶寬和色散。每個特性參數(shù)有多種不同的測量方法，國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)對各個特性參數(shù)規(guī)定了基準(zhǔn)測量方法和替代測量方法。在光纖通信系統(tǒng)的應(yīng)用中，當(dāng)使用條件變化時，幾何特性和大多數(shù)光學(xué)特性基本上是穩(wěn)定的，一般可以采用生產(chǎn)廠家的測量數(shù)據(jù)。損耗、 帶寬(色散)和截止波長，不同程度地受使用條件的影響，直接關(guān)系到光纖傳輸系統(tǒng)的性能，也是我們要特別關(guān)注的指標(biāo)。 第 2 章光 纖 和 光 纜本節(jié)介紹光

54、纖損耗、 帶寬(色散)和截止波長的測量原理和測量方法。這些特性參數(shù)的測量的共同的特點是用特定波長的光通過光纖，然后測出輸出端相對于輸入端的光功率或幅度、 相位等物理量的變化，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理來實現(xiàn)。測量系統(tǒng)一般包括發(fā)射光源、 注入裝置和接收與數(shù)據(jù)處理設(shè)備。測量儀器要求穩(wěn)定、 可靠，并有足夠的精確度。測量的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范由國際標(biāo)準(zhǔn)(例如ITU-T，即原CCITT G650)或國家標(biāo)準(zhǔn)確定。 第 2 章光 纖 和 光 纜2.5.1損耗測量損耗測量光纖損耗測量有兩種基本方法： 一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。1. 剪斷法剪斷法光纖損

55、耗系數(shù)由式(2.61a)確定，即 )km/dB( lg1021PPL(2.62a) 第 2 章光 纖 和 光 纜式中，L為被測光纖長度(km)，P1和P2分別為輸入光功率和輸出光功率(mW或W)。由此可見，只要測量長度為L2的長光纖輸出光功率P2，保持注入條件不變，在注入裝置附近剪斷光纖，保留長度為L1(一般為23 m)的短光纖，測量其輸出光功率P1(即長度為L=L2L1這段光纖的輸入光功率)，根據(jù)式(2.62a)就可以計算出值。 第 2 章光 纖 和 光 纜問題是由于高階模式的損耗比低階模式的更大，在光纖中傳輸?shù)?對數(shù))光功率lgP與光纖長度L的關(guān)系不是線性關(guān)系。如圖2.21所示，測得的值與

56、注入條件和光纖長度有關(guān)，但不能惟一代表光纖的本征特性。由圖可見，只有在穩(wěn)態(tài)模式分布(注入光束數(shù)值孔徑NAb和被測光纖數(shù)值孔徑NAf相匹配)的注入條件下，lgP與L才是線性關(guān)系。在滿注入(NAbNAf)或欠注入(NAbNAf)的條件下，被測短光纖的長度要等于或大于光纖耦合長度(L1Lc)，才能獲得穩(wěn)態(tài)模式分布。只有在穩(wěn)態(tài)模式分布的條件下，才能得到惟一代表光纖本征特性的值。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.21光功率和光纖長度的關(guān)系第 2 章光 纖 和 光 纜獲得穩(wěn)態(tài)模式分布有三種方法： (1) 建立NAbNAf的光學(xué)系統(tǒng)； (2) 建立穩(wěn)態(tài)模式模擬器，一般包括擾模器和包層模消除器； (3)

57、用一根性能和被測光纖相同或相似的輔助光纖，代替光纖耦合長度的作用，這種方法在現(xiàn)場應(yīng)用得非常方便。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖2.22示出剪斷法光纖損耗測量系統(tǒng)的框圖。光源一般采用光譜寬度足夠窄的激光器。在整個測量過程中，光源位置、 強度和波長應(yīng)保持穩(wěn)定。注入裝置的功能是保證多模光纖在短距離內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)模式分布。對于單模光纖，應(yīng)保證全長為單模傳輸。接收一般包括光敏面積足夠大的光檢測器、 放大器和電平測量或數(shù)據(jù)顯示，通常用光功率計來實現(xiàn)。根據(jù)測得的P1和P2計算值。 第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.22剪斷法光纖損耗測量系統(tǒng)框圖第 2 章光 纖 和 光 纜對于損耗譜的測量要求采用光譜寬度很寬

58、的光源(例如鹵燈或發(fā)光管)和波長選擇器(例如單色儀或濾光片)，測出不同波長的光功率P1()和P2()，然后計算()值。剪斷法是根據(jù)損耗系數(shù)的定義，直接測量傳輸光功率而實現(xiàn)的，所用儀器簡單，測量結(jié)果準(zhǔn)確，因而被確定為基準(zhǔn)方法。但這種方法是破壞性的，不利于多次重復(fù)測量。在實際應(yīng)用中，可以采用插入法作為替代方法。插入法是在注入裝置的輸出和光檢測器的輸入之間直接連接，測出光功率P1，然后在兩者之間插入被測光纖，再測出光功率P2，據(jù)此計算值。這種方法可以根據(jù)工作環(huán)境，靈活運用，但應(yīng)對連接損耗作合理的修正。 第 2 章光 纖 和 光 纜2. 后向散射法后向散射法瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。利用與傳輸

59、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，稱為后向散射法。設(shè)在光纖中正向傳輸光功率為P，經(jīng)過L1和L2點(L1P2)，從這兩點返回輸入端(L=0)。光檢測器的后向散射光功率分別為Pd(L1)和Pd(L2)，經(jīng)分析推導(dǎo)得到，正向和反向平均損耗系數(shù)(2.62b) )km/(dB )()(lg)(2102d1d12LPLPLL 第 2 章光 纖 和 光 纜式中右邊分母中因子2是光經(jīng)過正向和反向兩次傳輸產(chǎn)生的結(jié)果。后向散射法不僅可以測量損耗系數(shù)，還可利用光在光纖中傳輸?shù)臅r間來確定光纖的長度L。顯然，式中，c為真空中的光速，n1為光纖的纖芯折射率，t為光脈沖的往返傳播時間。 (2.63) 12

60、nctL 第 2 章光 纖 和 光 纜圖2.23示出后向散射法光纖損耗測量系統(tǒng)的框圖。光源應(yīng)采用特定波長穩(wěn)定的大功率激光器，調(diào)制的脈沖寬度和重復(fù)頻率應(yīng)和所要求的長度分辨率相適應(yīng)。耦合器件把光脈沖注入被測光纖，又把后向散射光注入光檢測器。光檢測器應(yīng)有很高的靈敏度。 圖 2.24是后向散射功率曲線的示例，圖中(a)輸入端反射區(qū)；(b)恒定斜率區(qū)，用以確定損耗系數(shù)；(c)連接器、接頭或局部缺陷引起的損耗；(d)介質(zhì)缺陷(例如氣泡)引起的反射；(e)輸出端反射區(qū)，用以確定光纖長度。第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.23后向散射法光纖損耗測量系統(tǒng)框圖第 2 章光 纖 和 光 纜圖 2.24后向散射功率曲線的示