入門版光纖通信的基本原理

1、第2章 光纖通信的基本原理本章內(nèi)容2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.2 光纖傳光原理2.3 光纖中的傳輸模式2.4 光纖中的傳輸損耗2.5 光纖的色散特性2.6 光纖的物理機(jī)械特性2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1.1光纖的結(jié)構(gòu) 光纖(Optical Fiber，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)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。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類n纖芯：纖芯位于光纖的中心部位。直徑d1=4m50m，n單模光纖的纖芯為4m10m；n多模光纖的纖芯為50m。n纖芯的成分是高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑（如GeO2，P2O5）

2、，作用是提高纖芯對(duì)光的折射率（n1），以保證光信號(hào)在光纖中的傳輸。光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類n包層：包層位于纖芯的周圍。n直徑d2=125m，其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2。而摻雜劑（如B2O3）的作用則是適當(dāng)降低包層對(duì)光的折射率（n2），使之略低于纖芯的折射率，即n1n2，從而使得光信號(hào)封閉在纖芯中傳輸。光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類n涂覆層：光纖的最外層為涂覆層，包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層。n一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料；n緩沖層一般為性能良好的填充油膏；n二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物。n涂覆的作用是保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械

3、擦傷，同時(shí)又增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用。涂覆后的光纖其外徑約1.5mm。通常所說(shuō)的光纖為此種光纖。光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.1.2光纖的類型 光纖的分類方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來(lái)分類，又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少、光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)來(lái)分類。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類 1.按光纖材料分類 石英光纖。石英光纖是目前應(yīng)用最廣泛的光纖，其主要材料為二氧化硅，并摻有少量改變折射率的摻雜劑。具有損耗低、頻帶寬的特點(diǎn)，現(xiàn)在已廣泛 應(yīng)用于有線電視和通信系統(tǒng)。 2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類 多組份玻璃光纖。是以二氧化硅為主體材料，摻有較多堿金屬、堿土

4、金屬氧化物的玻璃光纖。具有制造工藝簡(jiǎn)單，但機(jī)械強(qiáng)度低、可靠性差的特點(diǎn)，目前已基本不再使用。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類 塑料光纖（POF）。塑料光纖是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作為芯層材料，PMMA、氟塑料等作為皮層材料的一類光纖（光導(dǎo)纖維）。它的特點(diǎn)是制造成本低廉，相對(duì)來(lái)說(shuō)芯徑較大，與光源的耦合效率高，耦合進(jìn)光纖的光功率大，使用方便。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計(jì)算機(jī)網(wǎng)鏈路、船舶內(nèi)通信等。汽車光纖2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類 氟化物光纖。氟化物光纖（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纖。是迄今

5、為止研究最多的光纖，它的主要特點(diǎn)是具有最低的損耗，經(jīng)大量的理論計(jì)算表明，氟化物光纖的最低損耗在2.5um附近約為10-3dB/km，比SiO2光纖的最低損耗要低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，如按當(dāng)前SiO2光纖無(wú)中繼距離100km的水平計(jì)算 ，可以推測(cè)氟化物光纖無(wú)中繼距離可達(dá)到10000km以上。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類2.按傳輸模式的數(shù)量分類 按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖(Multi-Mode Fiber，MMF)和單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)。 多模光纖和單模光纖是由光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目決定的，判斷一根光纖是不是單模傳輸，除了光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還與光纖中傳輸

6、的光波長(zhǎng)有關(guān)。 2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類 在光纖的受光角內(nèi)，以某一角度射入光纖斷面，并能在光纖纖芯/包層交界面上產(chǎn)生全反射的傳播光線，就可以稱為一個(gè)光的傳輸模式。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類n多模光纖：顧名思義，多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說(shuō)在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模。n優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，容易注入光功率，可以使用LED作為光源n缺點(diǎn)：存在模間色散，只能用于短距離傳輸模間色散：每個(gè)模式在光纖中傳播速度不同，導(dǎo)致光脈沖在不同模式下的能量到達(dá)目的的時(shí)間不同，造成脈沖展寬2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類n單模光纖：只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖。n優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)文９饫w只能傳輸基模(最低階模)，它不

7、存在模間時(shí)延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速長(zhǎng)途傳輸是非常重要的。n缺點(diǎn)：芯徑小，較多模光纖而言不容易進(jìn)行光耦合，需要使用半導(dǎo)體激光器激勵(lì)。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類3.按光纖截面上折射率分布分類 按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖(Step-Index Fiber，SIF)和漸變型光纖(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如右圖所示。光纖的折射率分布2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類n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n1n2, n1=1.4631.467, n2=1.451.46。n漸變型光纖與階躍型光

8、纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù)，而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類4.按工作波長(zhǎng)分n短波長(zhǎng)光纖：0.80.9m（目前實(shí)用波長(zhǎng)為0.85m）n長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖：1.01.7m（主要有1.31m和1.55m兩個(gè)窗口）n超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖： 2m 短波長(zhǎng)與長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖為石英系光纖，而超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖為非石英系光纖，如重金屬氧化物、硫硒碲化合物和鹵化物光纖等。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類5.按套塑（二次被覆）分類 按套塑（二次被覆）分類可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。n緊套光纖就是在一次涂覆的光纖上再緊緊地套上一層尼龍或聚乙烯等塑料套管，光纖在套管內(nèi)不能自由活動(dòng)。n松套光纖，就是在光纖涂

9、覆層外面再套上一層塑料套管，光纖可以在套管中自由活動(dòng)。2.1光纖的結(jié)構(gòu)與分類6.按ITU-T建議分類nG.652光纖(常規(guī)單模光纖) 在1310 nm工作時(shí)，理論色散值為零。 在1550 nm工作時(shí)，傳輸損耗最低。nG.653光纖(色散位移光纖) 零色散點(diǎn)從1310 nm移至1550 nm，同時(shí)1550 nm處損耗最低。nG.654光纖(衰減最小光纖) 纖芯純石英制造，在1550 nm處衰減最小(僅0.185dB/km)， 用于長(zhǎng)距離海底傳輸。nG.655光纖(非零色散位移光纖) 引入微量色散抑制光纖非線性，適于長(zhǎng)途傳輸。ITU-T：國(guó)際電信聯(lián)盟遠(yuǎn)程通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ITU-T for ITU

10、Telecommunication Standardization Sector), 它是國(guó)際電信聯(lián)盟管理下的專門制定遠(yuǎn)程通信相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的組織。 2.2光纖傳光原理 分析光纖的傳輸原理有兩種方法：n幾何光學(xué)法：將光看成一條條的幾何射線來(lái)分析，也稱射線理論。 應(yīng)用條件：光波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于光纖的幾何尺寸，只適用于多模光纖。n波動(dòng)光學(xué)法：光波按電磁場(chǎng)理論，用麥克斯韋方程組求解，也稱模式理論。 它既可用于多模光纖，也可用于單模光纖2.2光纖傳光原理2.2.1 階躍型光纖的傳輸原理光線 2 以c角從光纖端面入射，折射線在纖芯/包層邊界恰好滿足全反射（折射角為90），相應(yīng)光線將以c 入射到交界面，并沿交界

11、面向前傳播。 2.2光纖傳光原理光線 1 以角從光纖端面入射，折射角為1，若在包層/纖芯邊界滿足： 1 c（全反射臨界角)，則光線 1 以之字形折線在纖芯中傳播，直至能量損失殆盡或從光纖中另一端射出。2.2光纖傳光原理光線 3 在光纖端面的入射角較大，致使到達(dá)芯/包界面時(shí)不滿足該處全反射條件，此光線折射進(jìn)入包層。這種光線的能量經(jīng)過(guò)不長(zhǎng)光纖的傳輸（約幾百米）便損失掉了。2.2光纖傳光原理n始終被束縛在纖芯區(qū)中的光線被稱為“傳導(dǎo)?！?，或簡(jiǎn)稱“導(dǎo)?！惫饩€，根據(jù)斯奈爾(Snell)定律,有 n0Sin n1Sin1 n1Cos1n光線 3被稱為“包層?！被颉拜椛淠！惫饩€，它對(duì)光纖通信無(wú)效。n由上述三種

12、光線軌跡可知，只有在半錐角為 c的圓錐內(nèi)的入射的光束才能在光纖中傳播， c稱為臨界端面入射角，2c稱為受光角。根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角c的正弦為數(shù)值孔徑，用NA表示。根據(jù)定義和斯奈爾定律: 2.2光纖傳光原理c 1c 010cos )-(90sin sinnnnNAc=2 - )(-1 cos )(-1cos 90sinsin 122212121 c1212c02c1nnnnnnnNAnnnn則所以而包相對(duì)折射率差。稱為芯，在這里/ - 2- 121212221nnnnnn=2.2光纖傳光原理n數(shù)值孔徑NA是表達(dá)光纖接受和傳輸光的能力的參數(shù)，它與光纖的纖芯、包層折射率有關(guān)，而與光纖尺寸無(wú)關(guān)

13、。nNA或c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)于無(wú)損耗光纖，在2c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)，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)崎變?cè)酱螅捵儾?，限制了信息傳輸容量。nITUT(CCITU)規(guī)定： NA0.150.24 0.002n我國(guó)規(guī)定： NA0.2 0.022.2光纖傳光原理2.2.2漸變型光纖的傳輸原理 1g 2g )(g g )(2-1 )( 1211時(shí)，表示三角型光纖。；時(shí)，表示拋物線型光纖，表示階躍型光纖；為無(wú)窮大時(shí)，其中：為光纖半徑。；為纖芯折射率分布指數(shù)為纖芯半徑；式中：纖芯折射率：=nrnr

14、aarnrng2.2光纖傳光原理n由于纖芯折射率分布是隨光纖半徑r變化的，所以光線的傳輸軌跡不是曲折的直線而是圓滑曲線，如下圖所示，光線的彎曲折射與反射遵循折射定律和反射定律。為分析漸變型多模光纖中光線的傳播，采用級(jí)限逼近法，按照階躍型多模光纖的分析思路作近似處理：將沿光纖半徑r方向連續(xù)變化的折射率分割成不連續(xù)的若干薄層且假設(shè)每一薄層的折射率是近似均勻的，那么，從第零層入射的光是以怎樣的軌跡傳播呢？2.2光纖傳光原理n漸變多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相應(yīng)的光線會(huì)聚焦在同一點(diǎn)上，而且這些光線的時(shí)間延遲也近似相等。這是因?yàn)楣饩€傳播速度v( r) =c/n( r)，入射角大的光線經(jīng)歷的路程

15、較長(zhǎng)，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線， n( r )較小，傳播速度較快，補(bǔ)償了較長(zhǎng)的路程。入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢，所以這些光線的時(shí)間延遲相等。2.2光纖傳光原理n用C表示光線在第n層發(fā)生全反射時(shí)對(duì)應(yīng)光纖端面入射光線的孔徑角最大值，當(dāng)入射角i小于C值時(shí)，光線將被封鎖在芯層中向前傳播，而此時(shí)對(duì)應(yīng)的NA（r）被定義為局部數(shù)值孔徑，它表示第n層接收光的能力。22210-)()(sin)(nrnrnrNAc=若n層為包層時(shí)，所對(duì)應(yīng)的NA（r）為光纖最大數(shù)值孔徑NAmax 。其物理含義為可接收光波的光纖端面最大入射角正弦值，表示多模漸變性光纖接收光最大能力。2221max-)0(nnN

16、A=2.2光纖傳光原理2.2.3 光纖參數(shù)1.光學(xué)參數(shù)（1）數(shù)值孔徑及孔徑角 表示光纖接收光能力的強(qiáng)弱。（2）相對(duì)折射率差 表示纖芯與包層折射率相差程度。（3）折射率分布指數(shù) 表示纖芯折射率分布的形狀的參數(shù)。c 1c 010cos )-(90sin sinnnnNAc=2.2光纖傳光原理2.結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖拉絲是無(wú)模拉絲，導(dǎo)致光纖的結(jié)構(gòu)不是理想圓形。（1）纖芯不圓度（2）包層不圓度（3）纖芯與包層同心度偏差 對(duì)單模光纖來(lái)說(shuō)，由于其纖芯直徑過(guò)小，無(wú)法用光學(xué)儀器測(cè)量，不再叫做纖芯直徑，而叫模場(chǎng)直徑。n定義:若單模光纖中的光強(qiáng)呈高斯分布，則將光波場(chǎng)強(qiáng)幅度下降到中心場(chǎng)強(qiáng)的1/e 時(shí)的各點(diǎn)所連成的圓周直徑定

17、義為MFD。2.2光纖傳光原理n模場(chǎng)直徑是指描述單模光纖中光能集中程度的參量。n有效面積與模場(chǎng)直徑的物理意義相同，通過(guò)模場(chǎng)直徑可以利用圓面積公式計(jì)算出有效面積。n模場(chǎng)直徑越小，通過(guò)光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過(guò)光纖的能量密度過(guò)大時(shí)，會(huì)引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。 因此，對(duì)于傳輸光纖而言，模場(chǎng)直徑（或有效面積）越大越好。2.3 光纖中的傳輸模式2.3.1 模式的概念n模式：波動(dòng)方程的一個(gè)“特解”，表示電磁場(chǎng)的一種穩(wěn)定存在形式，用電力線或磁力線將此形式描繪出來(lái)便是一種特定圖案，這種電磁場(chǎng)分布的特定圖案或稱“場(chǎng)型”，被稱為“模式”。n對(duì)光纖而言，光線的方向

18、即電磁場(chǎng)的傳播方向，不同角度的光線對(duì)應(yīng)為不同的電磁場(chǎng)方向即為不同的模式。2.3 光纖中的傳輸模式n能滿足全反射條件的光線中，只有某些特定角度的光線能在光纖中傳輸，因此能在光纖中傳輸?shù)哪Ｊ降臄?shù)目是有限。n在同一光纖中傳輸?shù)牟煌Ｊ降墓?，其傳輸路程不同，則軸向傳播速度不同，受到的衰減也不同。路程長(zhǎng)的衰減大。n始終被束縛在纖芯區(qū)中的光線被稱為“傳導(dǎo)?！?，或簡(jiǎn)稱“導(dǎo)模”。不能在光纖中傳輸?shù)墓夥Q為“包層模”或“輻射?！惫饩€，它對(duì)光纖通信無(wú)效。n相對(duì)來(lái)講，與軸線夾角大的稱之為高次模，反之，稱之為低次模。2.3 光纖中的傳輸模式2.3.2 模變換 光線在光纖中傳輸時(shí)，遇到不均勻界面或不均勻點(diǎn)時(shí)，它與軸線的夾

19、角要改變，從一種模式變?yōu)榱硪环N模式，這種現(xiàn)象稱為模變換。 模變換對(duì)光傳輸?shù)挠绊懀?（1）使傳輸損耗增加； （2）對(duì)多模光纖色散有改善作用。2.3 光纖中的傳輸模式2.3.3 光纖中傳導(dǎo)模的數(shù)目工作光波長(zhǎng)。包相對(duì)折射率差；芯纖芯半徑；歸一化頻率，折射率分布指數(shù)；式中：。，則拋物線漸變型光纖。，則三角型漸變型光纖；為無(wú)窮大，則階躍型光纖- /- -a 22 - -g42g61g22g212222naVVVNVNVNggVN=+=2.3 光纖中的傳輸模式n歸一化頻率不僅包含了光纖的主要參數(shù)a、n、，而且還考慮了所傳輸光的波長(zhǎng)，所以，它是一種具體光纖中光的具體傳輸狀態(tài)度綜合反映，由于V具有頻率的量綱，

20、故稱之為歸一化頻率。n光纖單模傳輸?shù)臈l件： 以目前廣泛應(yīng)用的階躍型光纖為例，其單模傳輸?shù)臈l件是： 歸一化頻率V2.405（此時(shí)，N=2，即光纖中傳輸?shù)氖莾蓚€(gè)正交模，為一種模式）。2.4 光纖中的傳輸損耗 即使是最好的光纖，光從它的一端傳到另一端，強(qiáng)度也會(huì)有所減弱。光纖中的信號(hào)劣化與光纖的傳輸特性有關(guān)。光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性、色散特性和非線性特性。 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對(duì)光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。 光纖的損耗限制了光信號(hào)的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗三種損耗。2.4 光纖中的傳輸損耗 2.4

21、.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(guò)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，包括: (1)本征吸收損耗 (2)雜質(zhì)吸收損耗 (3)原子缺陷吸收損耗2.4 光纖中的傳輸損耗(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。紫外波段吸收損耗 紫外波段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。吸收峰在0.16m,尾巴延伸至光纖通信波段,在短波長(zhǎng)區(qū)達(dá)1dB/km,長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)約0.05 dB/km。2.4 光纖中的傳輸損耗 紅外波段吸收損耗 紅外波段吸收損耗是由于光纖中傳

22、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。 Si-O鍵振動(dòng)吸收,諧振吸收峰在9.1m、12.5 m 、21 m ，尾巴延伸至1.51.7m，造成光纖工作波長(zhǎng)的上限。2.4 光纖中的傳輸損耗(2)雜質(zhì)吸收損耗 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過(guò)渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH離子。nOH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長(zhǎng)為2.73m，與Si-O鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39m、1.24m、0.95m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)窗口。n金屬離子吸收：金屬雜質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的邊帶吸收峰（0.51.1m

23、)，目前雜質(zhì)含量低于10-9，其影響已可忽略。2.4 光纖中的傳輸損耗解決方法：(1)對(duì)制造光纖的材料進(jìn)行嚴(yán)格的化學(xué)提純，比如材料達(dá)到99.9999999%的純度(2)制造工藝上改進(jìn)，如避免使用氫氧焰加熱(汽相軸向沉積法)2.4 光纖中的傳輸損耗（3）原子缺陷吸收損耗 通常在光纖的制造過(guò)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。2.4 光纖中的傳輸損耗2.4.2散射損耗 空氣中浮游著無(wú)數(shù)的煙霧、塵粒，光照射到這些微粒上，微粒把光朝四面八方散射，微粒越多，光柱越亮，光

24、的散射損耗越大，照射的距離也就越短。這種散射叫分子散射。一切物質(zhì)都由分子構(gòu)成，光纖材料也不例外，所以散射損耗不可避免。 另有一種散射是由光纖材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不完整所引起，比如光纖中有氣泡、雜質(zhì)，粗細(xì)不均勻，特別是纖芯包層的界面不平滑，光傳輸?shù)竭@里，也會(huì)被散射到各個(gè)方面。2.4 光纖中的傳輸損耗（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。2.4 光纖中的傳輸損耗瑞利散射 由于材料的不均勻使光信號(hào)向四面八方散射而引起

25、的損耗稱為瑞利散射損耗。 瑞利散射是一種最基本的散射過(guò)程，屬于固有散射。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。 光纖在加熱制造過(guò)程中的熱運(yùn)動(dòng)，造成材料密度不均勻，進(jìn)而造成折射率的不均勻（比光波長(zhǎng)小的尺度上的隨機(jī)變化），引起光的散射-瑞利散射。大小與波長(zhǎng)的四次方成反比。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達(dá)0.120.16 dB/km，仍是該波段損耗的主要原因。顯然，若能在更長(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)工作，瑞利損耗的影響將會(huì)減?。?m處約0.01 dB/km)，但受限于石英光纖的材料損耗（紅外吸收）。采用新型材料的光纖可望在遠(yuǎn)紅外區(qū)域獲得更低的損耗氟化物光纖。2.4 光

26、纖中的傳輸損耗 波導(dǎo)散射損耗 在光纖制造過(guò)程中，由于工藝、技術(shù)問(wèn)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。 光纖芯徑沿軸向不均勻（大于光波長(zhǎng)尺度）造成導(dǎo)模和輻射模間的能量耦合，使能量從導(dǎo)模轉(zhuǎn)移到輻射模，造成波導(dǎo)散射損耗（又稱米氏散射），目前的光纖制造水平，可將芯徑的變動(dòng)控制到1%，相應(yīng)的散射損耗0.03dB/km，可以忽略。2.4 光纖中的傳輸損耗2.4.3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。

27、 宏彎：在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過(guò)程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。光纖有一定曲率半徑的彎曲時(shí)就會(huì)產(chǎn)生輻射損耗。當(dāng)曲率半徑減小時(shí)，損耗以指數(shù)形式增加。2.4 光纖中的傳輸損耗2.4 光纖中的傳輸損耗n 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。微彎導(dǎo)致了導(dǎo)播模與泄漏?；蚍菍?dǎo)波模之間的重復(fù)性能量耦合。n微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過(guò)程中的帶來(lái)的不均 成纜時(shí)受到壓力不均 使用過(guò)程中由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同n導(dǎo)致的后果： 造成能量輻射損耗2.4 光纖中的傳輸損耗減小微彎的一種辦法是在光纖外面一層彈性保護(hù)套

28、2.4 光纖中的傳輸損耗2.4 光纖中的傳輸損耗n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)，一般用表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：kmdBPPL/ lg1021=2.4 光纖中的傳輸損耗n在單模光纖中有兩個(gè)低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，即通常說(shuō)的1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分為C-band（1525nm1562nm）和L-band（1565nm1610nm）。一般標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在1550 nm的損耗系數(shù)為0.2 dB/km。2.5 光纖的色

29、散特性2.5.1色散的概念 當(dāng)日光通過(guò)棱鏡或水霧時(shí)會(huì)呈現(xiàn)按紅橙黃綠青藍(lán)紫順序排列的彩色光譜。這是由于棱鏡材料（玻璃）或水對(duì)不同波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)于不同的顏色）的光呈現(xiàn)的折射率n不同，從而使光的傳播速度不同和折射角度不同，最終使不同顏色的光在空間上散開。2.5 光纖的色散特性n光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同，這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，這就是光纖的色散，如圖所示。色散一般用時(shí)延差來(lái)表示，所謂時(shí)延差，是指不同頻率的信號(hào)成分傳輸同樣的距離所需要的時(shí)間之差。色散引起的脈沖展寬示意圖2.5 光纖的色散特性2.5.2色散對(duì)光纖通信的影響脈沖展寬導(dǎo)致接收端無(wú)法將相鄰的脈

30、沖分開，從而導(dǎo)致誤碼。因此色散特性限制了光纖的傳輸容量與通信距離。2.5 光纖的色散特性脈沖展寬用 來(lái)表示，單位為ns/km或ps/km。傳輸帶寬 ,單位為Hzkm。A為常數(shù)，A=0.44AB =2.5 光纖的色散特性2.5.3色散的產(chǎn)生原因及種類（1）模式色散M 多模光纖中不同模式的光束有不同的群速度，在傳輸過(guò)程中，不同模式的光束的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的色散，稱模式色散。 所謂模式色散，用光的射線理論來(lái)說(shuō)，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。2.5 光纖的色散特性 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和以臨界角c入

31、射的光線，如下圖所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線和光線到達(dá)終端的時(shí)延差。cn1a=2.5 光纖的色散特性 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。cnb221=2.5 光纖的色散特性（2）材料色散m 由于光源的不同頻率（或波長(zhǎng)）成分具有不同的群速度，在傳輸過(guò)程中，不同頻率的光束的時(shí)間延遲不同。由于材料折射率隨光信號(hào)頻率的變化而不同，光信號(hào)不同頻率成分所對(duì)應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。 一般情況下，材料色散往往是用材料色散系數(shù)這個(gè)物理量來(lái)衡量，材料色散系數(shù)定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率

32、成份通過(guò)單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散。22)(dndcDm=減小材料色散方法：選擇譜寬窄的光源，采用較長(zhǎng)的工作波長(zhǎng)。2.5 光纖的色散特性 （3）波導(dǎo)色散W 單模光纖只有約80%的光功率在纖芯中傳播，20%在包層中傳播的光功率其速率要更大一些。這種由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱為波導(dǎo)色散。2.5 光纖的色散特性（4）偏振模色散（極化色散）g 偏振模色散（PMD）也稱為極化色散。由于光信號(hào)的兩個(gè)正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散。2.5 光纖的色散特性各色散的關(guān)系：M m W g多模光纖的色散： M +m +W M 單模光纖的色散： m +W + g m +W 2.5 光纖的色

33、散特性標(biāo)準(zhǔn)單模光纖總的模內(nèi)色散波導(dǎo)色散特性取決于光纖的特性，如：芯徑a，相對(duì)折射率差以及折射率分布等，因此可以通過(guò)改變光纖特性來(lái)改變其色散特性。色散的改變主要集中在零色散波長(zhǎng)的位移和色散平坦兩方面。2.6 光纖的物理機(jī)械特性2.6.1光纖的機(jī)械特性 光纖的機(jī)械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強(qiáng)度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。-510項(xiàng)目 材料硅玻璃銅鋁鋼化學(xué)符號(hào)SiO2CuAlFe比重2.28.92.77.9拉伸強(qiáng)度kg/mm25002510120楊氏模量kg/mm2720012000630020000伸長(zhǎng)率(%)2-820-307-205-15熱膨脹系數(shù)51.72.31比熱( C

34、al/.g ) 0.20.090.50.1導(dǎo)電率1.7 9761融點(diǎn)( oC 510-610-710-19102.6 光纖的物理機(jī)械特性2.6 光纖的物理機(jī)械特性無(wú)裂痕硅玻璃斷裂應(yīng)力2.6 光纖的物理機(jī)械特性2.6.2 光纖斷裂的機(jī)理 由前表知，硅玻璃的拉伸強(qiáng)度是鐵的4倍多，與銅、鋁相比，差不多高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，但當(dāng)光纖表面出現(xiàn)裂痕時(shí)，由于張應(yīng)力集中于裂痕末梢，當(dāng)應(yīng)變能量的攝取率大于表面能的增長(zhǎng)率時(shí)，裂痕就會(huì)擴(kuò)展，若超過(guò)允許值，光纖就會(huì)立即斷裂。2.6 光纖的物理機(jī)械特性光纖表面產(chǎn)生裂痕的原因：光纖預(yù)制棒的質(zhì)量不佳；從預(yù)制棒拉制光纖時(shí)，吸附了灰塵，水分子以及其它雜質(zhì)；在

35、不潔凈的車間里快速拉絲時(shí)，受到“粒子”的摩擦；拉絲時(shí)與收線盤或其它物體碰撞。光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖2.6 光纖的物理機(jī)械特性處理辦法：采取多種措施，使預(yù)制棒和光纖在“超凈”的環(huán)境中進(jìn)行；對(duì)預(yù)制棒表面進(jìn)行處理，并在拉絲前從嚴(yán)篩選；在拉絲過(guò)程中對(duì)裸光纖加添一涂覆層，既使光纖不直接和其它物體接觸，又可改善其機(jī)械強(qiáng)度（斷裂強(qiáng)度可提高10倍左右，約6-7kg，而一般工程中所產(chǎn)生的張力約1kg）；成纜前對(duì)所有光纖從嚴(yán)篩選。常見的方法有：張力放線法，雙絞盤法，彎曲應(yīng)變法。目的是剔除不合格的光纖，確保成纜后的質(zhì)量；使用氣密涂層光纖。2.6 光纖的物理機(jī)械特性 2.6.3穩(wěn)定性能 （1）疲勞 疲勞：玻璃所受的

36、力低于臨界應(yīng)力，但因裂痕緩慢擴(kuò)大而導(dǎo)致斷裂的現(xiàn)象。 施加給玻璃的力是恒定的靜態(tài)疲勞。 施加的應(yīng)力隨時(shí)間而遞增動(dòng)態(tài)疲勞。 產(chǎn)生原因：光纖在機(jī)械力、溫度或放射性輻射的作用下，機(jī)械性能會(huì)發(fā)生變化。 采用措施：通過(guò)篩選測(cè)試剔除不合格產(chǎn)品。2.6 光纖的物理機(jī)械特性 （2）H2影響 1982年，英國(guó)和日本在日常測(cè)試中相繼發(fā)現(xiàn)：1980年敷設(shè)的光纜，在1.01.6m波長(zhǎng)范圍內(nèi)，損耗值增加了10，這是一種用GeO2和P2O5摻雜，外覆硅銅和尼龍的光纖。 針對(duì)這一發(fā)現(xiàn)，電纜工程師們對(duì)此光纖作了高溫和浸水試驗(yàn)： 把光纖加熱到200，1小時(shí)后發(fā)現(xiàn)，在1.21.6m范圍內(nèi)，損耗值增大，在1.39m處有一吸收峰； 在

37、室溫下，把光纖浸在水中，數(shù)月后發(fā)現(xiàn)， 1.39m處有一吸收峰，但在1.24 m處又出現(xiàn)一個(gè)衰減值更大的新的吸收峰； 把水注入光纜，再通電，幾天后，在1.24 m處發(fā)現(xiàn)一個(gè)新的吸收峰，原因是水被電解產(chǎn)生了氫和氧，而1.24 m正好是Si-OH產(chǎn)生吸收峰的位置。 結(jié)論：之所以出現(xiàn)衰減增大，是因?yàn)槌霈F(xiàn)了H2。 機(jī)理：H2一旦進(jìn)入光纖，幾十小時(shí)便會(huì)擴(kuò)散到纖芯，H與SiO2的原子作用，造成了吸收峰。 目前傾向性作法：在裸光纖外表面加覆氣密涂層2.6 光纖的物理機(jī)械特性（3）H2O的影響 水對(duì)光纖的危害： 玻璃表面易吸附水氣，從而會(huì)因Si-O鍵的破壞而使裂痕擴(kuò)展； 純水對(duì)玻璃有浸蝕作用。如果玻璃纖維含有堿

38、離子，則將因玻璃的被溶蝕而龜裂，在遇有外力時(shí)導(dǎo)致斷裂； 吸附在玻璃表面上的OH-與玻璃中的堿離子產(chǎn)生反應(yīng)的結(jié)果，使SiO2的分子健斷裂。 措施：成纜時(shí)設(shè)法采取防水措施2.6 光纖的物理機(jī)械特性2.6.4光纖的溫度特性nSiO2在1000高溫下也不會(huì)軟化，且可長(zhǎng)期連續(xù)使用，但光纖外面的塑料涂層不能承受如此高的溫度，因此，使用溫度的上限一般規(guī)定為100150。n裸光纖外面涂覆以氟塑硅樹脂，聚酰亞胺和鋁之后，最高溫度分別提高到：200，300和600。前二者已實(shí)用。由于鋁的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)高于玻璃，所以在溫度稍低時(shí)會(huì)因微彎曲而實(shí)光纖的傳輸衰減上升。光纖低溫特性曲線2.6 光纖的物理機(jī)械特性 2.6.5

39、成纜對(duì)光纖特性的影響 纜芯：一般來(lái)說(shuō)，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，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；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。 護(hù)層：其作用是進(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(guò)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。2.6 光纖的物理機(jī)械特性（1）改善光纖的溫度特性 虛線：光纖自身的特性曲線； 實(shí)線：成纜后的特性曲線（2）增加機(jī)械強(qiáng)度 由于光

40、纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于光纖；不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強(qiáng)（3） 成纜的附加損耗 不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來(lái)附加損耗，(比如說(shuō)不良應(yīng)力造成微彎) 稱之為成纜損耗思考題一、填空1.光纖傳輸特性主要是指它的光纖傳輸特性主要是指它的_和和_特性。引起光纖衰減的主要原特性。引起光纖衰減的主要原因是因是_、_、_和連接損耗。和連接損耗。2.2.光纖的種類很多，按照不同的分類方式，可以將光纖分為不同的種光纖的種類很多，按照不同的分類方式，可以將光纖分為不同的種類。按光纖折射率分布形式，可將光纖分為類。按光纖折射率分布形式，可將光纖分為 與與_。