光纖通信課件2

1、第2章 光纖光纖結(jié)構(gòu)光纖傳輸原理 單模光纖多模光纖光纖使用特性和產(chǎn)品介紹 光纖是光纖通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)，它具有傳輸損耗低、傳輸容量大的特點(diǎn)。對(duì)于光纖而言，其衰減和色散特性是影響系統(tǒng)性能的主要因素。當(dāng)入射到光纖內(nèi)的光功率較大時(shí)，光纖呈現(xiàn)的非線性效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的傳輸會(huì)產(chǎn)生較大的影響。 隨著技術(shù)的發(fā)展，光纖的性能也不斷地得到改善，新的光纖品種不斷出現(xiàn)，其價(jià)格也逐年下降，應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展。為了對(duì)光纖通信系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解，必須認(rèn)識(shí)光纖的工作原理及其性能，以便根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境選擇光纖產(chǎn)品，保證光纖性能穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠地運(yùn)行。 本章用幾何光學(xué)和波動(dòng)方程兩種方法闡述了光纖中光的傳輸機(jī)理，在此基礎(chǔ)上，對(duì)

2、單模光纖和多模光纖傳輸特性進(jìn)行了分析，并介紹了光纖制作工藝、光纖產(chǎn)品及其光纖的使用特性。2.1 光纖結(jié)構(gòu)按照光纖橫截面上徑向折射率的分布特點(diǎn)，我們把光纖分為階躍折射率光纖和漸變折射率光纖兩大類。2.1.1 階躍折射率光纖階躍折射率光纖的折射率分布如圖2.1.1所示。圖（a）、（b）分別為單模和多模階躍折射率光纖示意圖。 圖2.1.1 階躍折射率光纖示意圖圖中，2a為纖芯直徑，2b為包層直徑，纖芯和包層的折射率都是常數(shù)，分別為n1和n2。為了滿足光在纖芯內(nèi)的全內(nèi)反射條件，要求。在纖芯和包層分界面處，折射率呈階躍式變化，用數(shù)學(xué)形式表示為 （2.1.1）多模階躍光纖由于存在著較大的模間色散，使用受到

3、了很大限制。光線n2n1nr2b2a(a) 單模階躍折射率光纖(b) 多模階躍折射率光纖光線r2b2ann1n22.1.2 漸變折射率光纖漸變折射率光纖纖芯中折射率不是常數(shù)，而是在纖芯中心最大，為n1，沿徑向（r方向）按一定的規(guī)律逐漸減小至n2，包層中折射率不變?nèi)詾?n2。其折射率分布是： （2.1.2）式中，r是光纖的徑向半徑，參數(shù)決定折射率形式。為相對(duì)折射率差。值越大，把能量束縛在纖芯中傳輸?shù)哪芰υ綇?qiáng)，對(duì)漸變多模光纖而言，其典型值為0.015。圖2.1.2示出了多模漸變折射率光纖中折射率分布和光線傳輸示意圖，與階躍型光纖不同的是，光線傳播的路徑是連續(xù)的彎曲線。 表2.1列出了階躍型單模光纖

4、、階躍型多模光纖和漸變型多模光纖的典型參數(shù)。圖2.1.2 漸變折射率光纖光線r2b2ann1n22.2 光纖傳輸原理 由物理學(xué)可知，光具有粒子性和波動(dòng)性，對(duì)其分析也有兩種方法：一是幾何光學(xué)分析法，二是波動(dòng)方程分析法。2.2.1 幾何光學(xué)分析法幾何光學(xué)分析法是用射線光學(xué)理論分析光纖中光傳輸特性的方法。這種分析方法的前提條件是光的波長要遠(yuǎn)小于光纖尺寸，用這種方法可以得到一些基本概念：全內(nèi)反射、數(shù)值孔徑等，其特點(diǎn)是直觀、簡(jiǎn)單。1. 全內(nèi)反射光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，描述介質(zhì)對(duì)光這種作用的參數(shù)就是折射率，折射率與光之間的關(guān)系為 （2.2.1）式中，c是光在真空中的傳播速度，c3108m/s，是光在

5、介質(zhì)中的傳播速度，n是介質(zhì)的折射率。空氣的折射率近似為1。折射率越高，介質(zhì)材料密度越大，光在其中傳播的速度越慢。在均勻介質(zhì)中，光是直線傳播的，當(dāng)光由一種折射率介質(zhì)向另一種折射率介質(zhì)傳播時(shí)，在介質(zhì)分界面上會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，見圖2.2.1。入射光反射光折射光123n1n2界面(光疏介質(zhì))(光密介質(zhì))入射光反射光折射光123n1n2界面(光密介質(zhì))(光疏介質(zhì))1增加入射光反射光折射光129003n1n2界面(光密介質(zhì))(光疏介質(zhì))1C入射光反射光13n1n2界面(光密介質(zhì))(光疏介質(zhì))1C圖2.2.1 光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)的入射由斯涅爾定理可知，入射光、反射光以及折射光與界面垂線間的角度滿足下

6、列關(guān)系 （2.2.2）式中，1、2和3分別稱為入射角、折射角和反射角。我們將折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，折射率較小的稱為光疏介質(zhì)，由（2.2.2）式可知，當(dāng)光由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)，折射角小于入射角；反之，光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角。在這種情況下（n1n2），隨著入射角的增大，折射角也增大，當(dāng) 時(shí)，折射光將沿著分界面?zhèn)鞑ィ藭r(shí)對(duì)應(yīng)的入射角稱為臨界入射角，記為 。圖2.2.1 光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)的入射由（2.2.2）式可求得臨界入射角： ，即 （2.2.3）如果入射光的入射角，所有的光將被反射回入射介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱之為全反射，光纖就是利用這種折射率安排來傳導(dǎo)光的：光纖纖

7、芯的折射率高于包層折射率，在纖芯與包層的分界面上，光發(fā)生全內(nèi)反射，沿著光纖軸線曲折前進(jìn)，如圖2.2.2所示。我們將光纖內(nèi)的光線分成兩類：一類是子午光線，見圖2.2.2（a）。另一類是斜光線，見圖2.2.2（b）。子午光線是在與光纖軸線構(gòu)成的平面（子午面）內(nèi)傳輸，斜光線則在傳播的過程中不固定在一個(gè)平面內(nèi)。(b) 斜光線（a) 子午光線n1n2圖2.2.2 子午光線和斜光線2. 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑是光纖一個(gè)非常重要的參數(shù)，它體現(xiàn)了光纖與光源之間的耦合效率。圖2.2.3示出了光源發(fā)出的光進(jìn)入光纖的情況。圖2.2.3 光源出射光與光纖的耦合c包層n2纖芯n1包層n20c光 源空氣n01光纖端面光源與光纖

8、端面之間存在著空氣縫隙，入射到光纖端面上的光，一部分是不能進(jìn)入光纖的，而能進(jìn)入光纖端面內(nèi)的光也不一定能在光纖中傳輸，只有符合特定條件的光才能在光纖中發(fā)生全內(nèi)反射而傳播到遠(yuǎn)方。由圖2.2.3可知，只有從空氣縫隙到光纖端面光的入射角小于o，入射到光纖里的光線才能傳播。實(shí)際上o是個(gè)空間角，也就是說如果光從一個(gè)限制在2o的錐形區(qū)域中入射到光纖端面上，則光可被光纖捕捉。設(shè)空氣的折射率為no，在空氣與光纖端面上運(yùn)用斯涅爾定律，有 （2.2.4）式中C與臨界入射角C之間的關(guān)系為 （2.2.5）由（2.2.4）式和（2.2.5）式可得對(duì)空氣，有n01，故有 （2.2.6）顯然，0越大，即纖芯與包層的折射率之差

9、越大，光纖捕捉光線的能力越強(qiáng)，而參數(shù)直接反映了這種能力，我們稱為光纖的數(shù)值孔徑NA(Numerical Aperture) (2.2.7)稱0為最大接收角，c為臨界傳播角。例2.2.1 n11.48、n21.46的階躍光纖的數(shù)值孔徑是多少？最大接收角是多少？解：數(shù)值孔徑還可以表示成 （2.2.8）相對(duì)折射率差大一些，光纖與光源之間的耦合效率就高一些，但是過大，色散影響就會(huì)嚴(yán)重，實(shí)際光纖總有0， 。綜合而論，導(dǎo)波模存在的條件是W0，U0，也即傳播常數(shù)要滿足 （ 2.2.43）輻射模是指電磁波能量在向z軸方向傳播的同時(shí)又在包層中形成徑向的輻射。這類模式同樣要滿足麥克斯韋方程，滿足邊界條件。實(shí)際上它

10、們是由于光源入射到光纖端面光線的入射空間角大于最大接收角0，導(dǎo)致光進(jìn)入纖芯后在纖芯與包層的分界面上產(chǎn)生折射的結(jié)果。顯然這類模式的光波不可能沿z軸方向長距離傳輸。由方程（2.2.38）和（2.2.39）中 的性質(zhì)可知，若W0，k0n2，則不能滿足 時(shí) 的條件，光場(chǎng)不再受約束在纖芯中傳輸，能量將沿徑向輻射出來。產(chǎn)生輻射模的條件是 （2.2.44）對(duì)輻射模而言，的取值在滿足（2.2.44）式的范圍內(nèi)是連續(xù)的，而導(dǎo)波模只能取離散值。下面我們對(duì)導(dǎo)波模作進(jìn)一步的分析。導(dǎo)波模式是指在光纖中的光波的分布模式，即電磁場(chǎng)分布形式，通過對(duì)它的討論，可以深入了解光纖中光的傳播機(jī)理。而它的討論，又是建立在特征方程基礎(chǔ)上

11、的。特征方程是反映導(dǎo)波模涉及到的參數(shù)U、W和之間相互關(guān)系的方程，求解的詳細(xì)過程在這里不作贅述，其基本思路是利用在纖芯與包層分界面上（處），電場(chǎng)與磁場(chǎng)的切向分量（分量）應(yīng)連續(xù)的邊界條件，由（2.2.38）式或（2.2.39）式先求出場(chǎng)切向分量的表達(dá)式，代入邊界條件。對(duì)于弱導(dǎo)光纖則可得到特征方程 （2.2.45）（2.2.45）式是弱導(dǎo)光纖的特征方程，它是分析弱導(dǎo)光纖傳輸特性的基礎(chǔ)，由于該方程是一個(gè)復(fù)雜的超越方程，一般情況下只能用數(shù)值解。通過對(duì)特征方程的求解，可以發(fā)現(xiàn)傳播常數(shù)為一系列的離散值，通常，對(duì)于每個(gè)整數(shù)m，都存在多個(gè)解，記為，n=1,2,3。每一個(gè)值都對(duì)應(yīng)著由（2.2.38）(2.2.42

12、) 式確定的、能在光纖中傳播的光場(chǎng)的一個(gè)空間分布，這種空間分布在傳播的過程中只有相位的變化，沒有形態(tài)的變化，且始終滿足邊界條件，這種空間分布稱為導(dǎo)波模的模式，簡(jiǎn)稱模式。除了m0的情況外，光纖中導(dǎo)波模的模式分布中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的縱向分量都存在，我們將這種情況稱之為混合模，根據(jù)或哪一個(gè)相對(duì)作用大些，又可將混合模分成模EH (EzHz)和模（HzEz）；當(dāng)m0時(shí)，將模HE0n和模EH0n分別記為TE0n和TH0n，它們分別對(duì)應(yīng)于場(chǎng)的縱向分量Ez0和 Hz0的模式，簡(jiǎn)稱TE模和TM模。（1）TE模和TM模對(duì)于TE模，有Ez0，也即（2.2.38）式中的常數(shù)A0。根據(jù)邊界條件，可以求得m=0，由 (2.2

13、.45) 式得到 （2.2.46）利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式，又可將（2.2.46）式寫成 （2.2.47）這就是TE模特征方程的一般表達(dá)式。對(duì)于TM模，有Hz0，同樣可求得須m=0時(shí)邊界條件才成立，此時(shí)得TM模的特征方程為 （2.2.48）在弱導(dǎo)條件下（2.2.48）式與（2.2.47）式一致，也就是說，此時(shí)TE模和TM模有著共同的特征方程。m=0，意味著光場(chǎng)與無關(guān)，即場(chǎng)分量在光纖中呈軸對(duì)稱分布。（2）EH模和HE模如果 ，場(chǎng)量沿圓周方向按或函數(shù)分布，要使邊界條件得到滿足，則A和B都不得為0，也就是說Hz和Ez同時(shí)存在，此時(shí)對(duì)應(yīng)同一m值，有兩組不同的解，分別對(duì)應(yīng)著兩類不同的模式，（2.2.45

14、）式右邊取正號(hào)時(shí)所解的一組模式稱為EH模，取負(fù)號(hào)時(shí)所解的一組模式稱為HE模。根據(jù)（2.2.45）式，并利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式，得EH波和HE波的特征方程為EH模（2.2.49）HE模（2.2.50a）利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式，不難得到該公式的另一種表達(dá)式 （2.2.50b）HE11TE01TM01HE21圖2.2.9 階躍折射率光纖四個(gè)最低階模式的橫向電場(chǎng)截面分布（3）LP模LP模稱為線偏振模（Linear Polarization Mode）。在相對(duì)折射差很小，也即在弱導(dǎo)光纖條件下光纖中的HE和EH模具有十分相似的電磁場(chǎng)分布和幾乎相等的傳播常數(shù)，同樣 和 和 模也具有相似的特性，如果我們定

15、義一個(gè)新的參量 （2.2.51）則可將（2.2.47）式（2.2.50）式表示成同一形式： （2.2.52）（2.2.51）式和（2.2.52）式表明，所有具有相同下標(biāo)的模式具有相同的特征方程，我們把這些模式稱為簡(jiǎn)并模，如 和 是簡(jiǎn)并模，這些簡(jiǎn)并模的組合就可以構(gòu)成光纖中的導(dǎo)波模，我們用線偏振模 來表示它們。在弱導(dǎo)條件下，光纖內(nèi)傳播的導(dǎo)波盡管仍然可以區(qū)別為 、 和 等模式，但可以證明這些模式場(chǎng)的縱向分量比橫向分量小的多，組合后的場(chǎng)的橫向分量在傳播過程中保持偏振狀態(tài)不定，這樣可以使問題的分析變得較為簡(jiǎn)化，我們可以將簡(jiǎn)并模與線偏振模的關(guān)系歸納如下：（a） 模由 模決定。（b） 模由 、 和 模構(gòu)成。

16、（c） （2）由 模和 構(gòu)成。圖2.2.10示出了簡(jiǎn)并模構(gòu)成線偏振模的一個(gè)例子。HE21TE01+LP11TM01HE21+LP114. 導(dǎo)波模截止一個(gè)導(dǎo)波模的特性可以用三個(gè)參數(shù) U、W和 來表達(dá)，U表示導(dǎo)波模場(chǎng)在纖芯內(nèi)部的橫向分布規(guī)律，W表示它在包層中的橫向分布規(guī)律，兩者結(jié)合起來，就可以完整地描述導(dǎo)波模的橫向分布規(guī)律， 是軸向的相位傳播常數(shù)，表明導(dǎo)模的縱向傳輸特性，要得到特征方程的精確解，須用數(shù)值法求解。在此為了簡(jiǎn)化分析，只考慮兩種極端情況下特征方程的解，這兩種情況分別是導(dǎo)波模在截止和遠(yuǎn)離截止時(shí)的特性。導(dǎo)波模截止是指電磁能量已經(jīng)不能集中在纖芯中傳播而向包層彌散的臨界狀態(tài)，此時(shí)的導(dǎo)波模徑向歸一

17、化衰減常數(shù)0，將此時(shí)的歸一化頻率和歸一化相位常數(shù)分別記為U、V 。通過由特征方程對(duì)、的求解，可以知道相應(yīng)模式的截止條件，即光纖參數(shù)與工作波長的制約條件。(1)TE、TM模的截止條件由TE、TM模的特性方程（2.2.47）式和（2.2.48）式，在模式截止時(shí)，且由貝塞爾函數(shù)的漸近公式可得 (2.2.53)截止?fàn)顟B(tài)時(shí)的歸一化相位常數(shù)（等于歸一化頻率）是零階貝塞爾函數(shù)的零點(diǎn)，零階貝塞爾函數(shù)有幾窮多個(gè)零點(diǎn)：2.405，5.520，8.654 ,它們分別對(duì)應(yīng)著 、 、模式的截止頻率。光波在光纖中傳播時(shí)，如果工作波長、光纖參數(shù)a、n1、n2都是確定的，則歸一化頻率 是一個(gè)完全確定的數(shù)。如果大于某個(gè)模式的歸

18、一化頻率，則有W0，該模式可以在光纖中傳播；反之，如果小于某個(gè)模式的歸一化截止頻率，則W2.408，則模就能在光纖中存在，所有和模中，和模的歸一化截止頻率最低、截止波長最大。（2）HE模的截止條件由于當(dāng) 0時(shí)， 在m1和m 1時(shí)的漸近關(guān)系不同，所以分成兩種情況來討論： m1 根據(jù)模的特征方程（2.2.50a）式，有 (2.2.55)在模式截止時(shí)， 0，模的特征方程可化為 (2.2.55)零點(diǎn)有0，3.832,7.016,。它們依次對(duì)應(yīng)著 HE11 、HE12、HE13 等模式的截止頻率。我們可以從上面的分析中得到一個(gè)重要結(jié)論，即HE11模的截止頻率為零，或者說截止波長為無窮大，也即HE11模不

19、會(huì)截止，它可以以任意低的頻率在光纖中傳輸。 HE11稱為光纖中的基?；蛑髂！．?dāng)然，實(shí)際上如基模HE11的工作波長過長，其攜帶的能量將向包層轉(zhuǎn)移，傳輸損耗將加大。m 1 W=0時(shí)， 的漸近式為 ，將其代入HE模的特征方程（2.2.50a）式，并利用貝塞爾函數(shù)的遞推公式 ，可得(2.2.56)這就是模HEnm（m1）在截止時(shí)的特征方程，表2.2.1示出了當(dāng)m2和 m3時(shí)模對(duì)應(yīng)的截止頻率。（3）EH模的截止條件根據(jù)EH模的特征方程（2.2.49）式，在 時(shí)應(yīng)用貝賽爾函數(shù)的漸近式，得到 模在截止條件下的特征方程為 (2.2.57)歸一化截止頻率也就是階貝賽爾函數(shù)的根。5導(dǎo)波模遠(yuǎn)離截止所謂遠(yuǎn)離截止時(shí)的導(dǎo)

20、波模是指歸一化頻率遠(yuǎn)大于歸一化截止頻率、能量幾乎完全集中在纖芯中的模式狀態(tài)。為了簡(jiǎn)化分析，我們將遠(yuǎn)離截止的狀態(tài)看成極限情況，由于 ，當(dāng)它趨于無窮時(shí)，等效于 趨于無窮大，此時(shí)電磁波的傳輸特性與平面波在折射率為n的無限介質(zhì)中傳播相似，其縱向相位常數(shù) ，故（2.2.41）式可表示成 即 是模式遠(yuǎn)離截止的條件， 的漸近式為 (2.2.60)利用上式，分別代入各模式的特征方程，可得遠(yuǎn)離截止時(shí)的特征方程為 模 (2.2.61) 模 (2.2.62) 模 (2.2.63)對(duì)于 、 模，U值是一階貝塞爾函數(shù)的根，它們分別是3.832，7.016，10.173，其中3.832是 和 模遠(yuǎn)離截止時(shí)的值，依此類推。

21、與前述截止時(shí)的值聯(lián)系起來可以看出， 、 模的U值是限制在零階貝塞爾函數(shù)的第個(gè)根與一階貝賽爾函數(shù)的第個(gè)根之間的，對(duì)于一個(gè)確定的模，知道了U值的范圍，在用數(shù)值法求解時(shí)可以大大加快求解過程的收斂速度。同樣，我們可以知道，對(duì)于 模，U值的范圍在 與 之間，表示m階貝賽爾方程的第n個(gè)根。 模的 值的范圍在 與 之間。上述模式分析討論的方法僅適用于階躍型折射率的光纖，對(duì)于漸變折射率光纖并不適用。2.3 單模光纖2.3.1 單模傳輸條件及模場(chǎng)分布根據(jù)上節(jié)的分析可以知道，HE11模是光纖的主模。如果光纖的歸一化頻率 ，TE01、TM01、HE21等低階模就不會(huì)出現(xiàn)，光纖中只有HE11模傳輸，因此或(2.3.1

22、)就是階躍型折射率光纖單模傳輸?shù)臈l件，單模光纖的截止波長 （2.3.2） 當(dāng)單模光纖中的光波長滿足 ，即可實(shí)現(xiàn)單模傳輸。通常單模光纖的纖芯半徑在幾個(gè)微米之內(nèi)，這是從物理尺寸上保證單模傳輸?shù)谋匾獥l件。單模階躍光纖中，在弱導(dǎo)條件下，傳輸?shù)幕E11?？捎镁€偏振模LP01來描述，即由方程(2.2.49)表征。將l=0代入 (2.2.52) 式，并利用遞推公式，可得(2.3.3)其中 ，利用數(shù)值解，可求得在V=2.405時(shí)，U=1.645, W=1.753。LP01模的橫向電場(chǎng)可以表示為 (2.3.4) (2.3.5) 纖芯和包層傳輸?shù)墓β史謩e為P纖芯和P包層，則(2.3.6) (2.3.7)將數(shù)值

23、解代入（2.3.6）式和 (2.3.7) 式，可以算得纖芯中功率占總傳輸功率的84，包層中功率占16。V越小，包層中的功率就越多，例如，V=1時(shí)，纖芯和包層的功率比例分別是30和70。所以實(shí)際的單模光纖，歸一化頻率選在2.02.35之間，以保證單模傳輸?shù)耐瑫r(shí)，大部分光功率集中在纖芯中傳播。在很多實(shí)際情況，LP01模的場(chǎng)分布可以用高斯函數(shù)來逼近，高斯函數(shù)同樣可以描述拋物型折射率分布光纖中的主模LP00，其場(chǎng)分布為下列形式(2.3.8a)(2.3.8b)式中w稱為模的半徑，2w稱為模場(chǎng)直徑（MFD），MFD是單模光纖的一個(gè)重要參數(shù)，用它可以估算連接損耗、彎曲損耗及微彎損耗，當(dāng)兩根具有不同模場(chǎng)直徑的

24、光纖相連接時(shí)，插入損耗可由下面的公式估算 （2.3.9）式中，w1、w2分別為兩根光纖的模場(chǎng)半徑。與單模光纖的纖芯直徑相比較，模場(chǎng)半徑更能反映場(chǎng)強(qiáng)在空間的分布，如圖2.3.1所示。在時(shí)，場(chǎng)量下降到中心軸處的1/e。用高斯分布替代貝塞爾函數(shù)分布，可使分析大大簡(jiǎn)化。模場(chǎng)直徑可用下式計(jì)算 (2.3.10)在1.2Vn2n3，相對(duì)折射率差(2.3.13)式中，分別是纖芯與外包層、內(nèi)包層與外包層的相對(duì)折射率差。相對(duì)折射率的增加使光纖對(duì)模場(chǎng)的約束能力大大提高了。r2a2a10纖芯內(nèi)包層外包層n1n2n3n圖2.3.2 單模光纖凹陷包層結(jié)構(gòu)r2a2a10纖芯內(nèi)包層外包層n1n2n3n2.3.3 單模光纖的色

25、散與帶寬1. 色度色散在第一章中，我們已經(jīng)對(duì)色散現(xiàn)象及產(chǎn)生色散的原因進(jìn)行了初步討論，色散是由于光在光纖這種介質(zhì)中傳輸而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，它造成光脈沖沿傳輸路徑的不斷展寬。對(duì)于單模光纖而言，由于只有一種模式傳輸，所以不存在模間色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散，且材料色散影響較波導(dǎo)色散影響要大，材料色散和波導(dǎo)色散的總和也叫色度色散，它引起的單位長度的脈沖展寬為(2.3.14)式中 、 分別是材料色散系數(shù)和波導(dǎo)色散系數(shù)，為光源的線寬，對(duì)于石英材料，可用近似關(guān)系表示(2.3.15)式中的單位為，范圍在1260和1700之間時(shí)，上式的相對(duì)誤差1%，顯然，當(dāng)=1273時(shí)， =0。在第一章中，我們已經(jīng)說明，材料色

26、散是由于纖芯對(duì)不同波長的波呈現(xiàn)出不同的折射率而引起的。在單模光纖中，由于光源不可能是單一頻率的，總是存在線寬，所以光脈沖中不同頻率成分以不同的群速度傳播，因而延時(shí)也不同，(2.2.24)式反映了群速度與波長的關(guān)系。材料色散引起的脈沖展寬也稱為群延遲 （2.3.16）式中，為基模的傳輸常數(shù)。反映了單位距離上信號(hào)的傳輸延遲。由（2.2.24）式和（2.3.16）式分析可知，長波長的波延時(shí)較短，而短波長的波延時(shí)較長，所以它們到達(dá)光纖末端的時(shí)間也不同，導(dǎo)致脈沖展寬。波導(dǎo)色散是由于導(dǎo)波模的相位常數(shù)隨工作波長的變化而引起的，它可以表示為 (2.3.17)式中為歸一化頻率，為光速，單位為，的單位為，為歸一化

27、傳輸常數(shù)。 (2.3.18)波導(dǎo)色散中因子可用經(jīng)驗(yàn)公式表示為 （2.3.19）當(dāng)?shù)姆秶?.3到2.6之間時(shí)，上式的相對(duì)誤差5%。2.3.4. 色散補(bǔ)償方案 光纖的損耗和色散是制約光纖通信系統(tǒng)無中繼傳輸距離的兩個(gè)主要因素，隨著光放大器的實(shí)用化，使得光功率的損耗得到了有效的補(bǔ)償，但并沒有解決色散問題，這就使得色散成為高速光纖通信系統(tǒng)最主要的制約因素。目前已大量鋪設(shè)的常規(guī)單模光纖（G.652），其零色散波長在1310nm附近，在它最低損耗窗口1550nm處的色散系數(shù)達(dá)到1020。即使用了線寬極窄的光源，當(dāng)數(shù)據(jù)比特率增加到10Gbit/s時(shí)，傳輸距離也不超過50公里，由此可見，用常規(guī)光纖在1550n

28、m窗口傳輸高速數(shù)據(jù)流，光纖的色散成為最終的制約因素。為了減少色散對(duì)系統(tǒng)的影響，出現(xiàn)了各種補(bǔ)償技術(shù)，有些在光發(fā)送端或接收端實(shí)現(xiàn)，有些則在光纖鏈路中實(shí)現(xiàn)。這里僅討論在光纖鏈路中實(shí)現(xiàn)色散補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)。色散補(bǔ)償光纖 色散補(bǔ)償光纖DCF（Dispersion Compensation Fiber）是目前較為成熟且使用廣泛的技術(shù)。色散補(bǔ)償光纖是具有負(fù)色散特性的光纖，其補(bǔ)償?shù)幕舅悸肥窃诰哂姓⑻匦缘臉?biāo)準(zhǔn)單模光纖之后接入一段色散補(bǔ)償光纖，如圖2.3.4所示。圖2.3.4 色散補(bǔ)償光纖（負(fù)色散）的補(bǔ)償原理設(shè)D1、D2分別為標(biāo)準(zhǔn)單模光纖和色散補(bǔ)償光纖的色散系數(shù)，L1、L2分別為它們各自的長度，當(dāng)滿足(2.3.2

29、5)時(shí)，整條光纖線路的總色散為零。為了減少鏈路的衰減，通常L2應(yīng)盡可能小，所以色散補(bǔ)償光纖的色散系數(shù)應(yīng)盡可能大些。光發(fā)射機(jī)L11傳輸光纖(a) L1=L11+L12 ， L2=L21+L22光接收機(jī)傳輸光纖色散補(bǔ)償光纖模塊色散補(bǔ)償光纖模塊L21L12L22色散累積傳輸距離（km）(ps/nm)L11L21L12L22(b)2. 色散補(bǔ)償光纖光柵光纖光柵是光纖通信系統(tǒng)中一種十分重要的無源器件，它是利用光纖材料的光敏性制成的,圖2.3.5示出了光纖光柵制作的過程，圖中所用光纖為摻雜的光敏光纖，用很強(qiáng)的紫外光干涉圖案曝光該光纖，所采用的圖案事先經(jīng)過設(shè)計(jì)，它與將要形成的光柵周期相同，這樣光纖的折射率將

30、按照該周期變化，并永久地固定下來。光纖光柵折射率沿軸線的分布可寫為 (2.3.26)式中, 為纖芯折射率；為光柵周期的長度； 稱為包絡(luò)函數(shù)，如果是常數(shù)，則是均勻周期性光纖光柵，否則是非周期性光纖光柵，稱為光纖啁啾，均勻光柵的0。紫外光干涉圖案包層光柵纖芯光敏光纖圖2.3.5 光纖光柵的制作紫外光干涉圖案包層光柵纖芯光敏光纖光纖光柵的種類很多，有均勻周期性光纖光柵，線性啁啾光柵，Taper型光柵，Moire光纖光柵，Blazed型光柵和取樣光柵等。它們的應(yīng)用也各不相同，如濾波器，信道選擇器，反射鏡，波長變換器，波長復(fù)用器/解復(fù)用器，傳感器。而用作色散補(bǔ)償?shù)某＿x線性啁啾光柵。其光柵節(jié)距不是常數(shù)，而

31、是作線性變化，這樣可以控制光不同頻率成分的延時(shí)。圖2.3.6示出了線性啁啾光柵補(bǔ)償色散的工作原理，圖(a)中采用了環(huán)形器將光脈沖導(dǎo)入光柵處理后圖2.3.6 線性啁啾光柵的工作原理再輸出，由于光纖色散的影響，經(jīng)過光纖傳輸后的光脈沖發(fā)生了展寬，脈沖成分中的短波長分量(高頻分量)一進(jìn)入光柵就被反射，而長波長分量(低頻分量)則在光柵的末端才被反射，如圖(b)所示，即光柵對(duì)短波長產(chǎn)生較短的延遲，對(duì)長波長產(chǎn)生較長的延遲，它剛好與單模光纖色散引入的延遲相反，也就是說光柵壓縮了脈沖，使脈沖變窄，也即對(duì)光纖的色散起到了補(bǔ)償作用。光纖光柵補(bǔ)償色散的技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，因?yàn)槠潴w積較小，長度一般在10-20cm，可

32、以很方便地對(duì)已經(jīng)敷設(shè)的光纖鏈路擴(kuò)容和升級(jí)。延遲波長（c）光纖鏈路光柵環(huán)形器輸入光脈沖輸出光脈沖(a)光脈沖輸入長波長光柵短波長光脈沖輸出(b)2.3.5 單模光纖的非線性效應(yīng) 光纖中的非線性效應(yīng)是指光和物質(zhì)相互作用時(shí)發(fā)生的一些現(xiàn)象，也即光使得傳輸介質(zhì)的特性發(fā)生了變化，而介質(zhì)特性的改變又反過來影響了光場(chǎng)。這一過程可由極化強(qiáng)度矢量與電場(chǎng)強(qiáng)度矢量的關(guān)系未描述。如果這一關(guān)系是線性，就稱該媒質(zhì)是線性，線性介質(zhì)由下式描述 (2.3.27)式中 為真空中的介電常數(shù)，為媒質(zhì)的電極化率，它與折射率的關(guān)系為 （2.3.28）在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,任何介質(zhì)都會(huì)呈現(xiàn)非線性，光纖也不例外。在光纖中與的關(guān)系可近似表示為 (2.

33、3.29)式中 為三階電極化率，它是一個(gè)張量。此時(shí)介質(zhì)的折射率就變?yōu)?2.3.30)式中第一項(xiàng)是線性折射率，它實(shí)際上反應(yīng)了介質(zhì)的的材料色散，第二項(xiàng)表示非線性效應(yīng)，與光強(qiáng)成正比，非線性折射率系數(shù)是一個(gè)與三階電極率有關(guān)的量。折射率的另一種表達(dá)方法為(2.3.31)式中，為光功率，為光纖的等效面積，為橫場(chǎng)半徑。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)石英光纖，典型的值大約為，。設(shè)1mW，則，石英的折射率大約為1.45，可見，小功率輸入時(shí)，非線性現(xiàn)象常可忽略。非線性效應(yīng)不僅與光強(qiáng)有關(guān)，還依賴于它作用的光纖長度，光纖越長，光與介質(zhì)的相互影響就越多，非線性效應(yīng)也就越大；另一方面，隨著光沿光纖的傳輸，光功率會(huì)減小，非線性效應(yīng)又會(huì)減弱，

34、我們引入光纖等效長度來描述光纖長度的影響。設(shè)輸入功率為，因?yàn)椋视校?2.3.32)式中，為光纖長度，為光纖衰減，單位為。折射率對(duì)光強(qiáng)度的依賴特性引起多種非線性效應(yīng)，下面我們分別討論。1. 自相位調(diào)制SPM自相位調(diào)制是指?jìng)鬏斶^程中由于非線性效應(yīng)，光脈沖自身的相位發(fā)生變化，導(dǎo)致光脈沖頻譜擴(kuò)展的物理過程。傳播常數(shù)(2.3.33)式中 為傳播常數(shù)的線性部分，為非線性系數(shù)，由非線性引起的非線性相移(2.3.34)由上式可見，非線性相移與輸入光功率有關(guān)。當(dāng)光波被信號(hào)調(diào)制后，值會(huì)隨時(shí)間變化，也就是說，相位會(huì)隨時(shí)間變化。相位隨時(shí)間說明產(chǎn)生了新的頻率分量,在光脈沖中心頻率兩側(cè)有了新的不同的瞬時(shí)光頻率分量，導(dǎo)致

35、了頻譜的展寬。這種相位的不穩(wěn)定對(duì)相干通信系統(tǒng)的影響較大，所以要求，令，相位穩(wěn)定條件成為(2.3.35)用典型值 ， 代入，得到輸入功率應(yīng)當(dāng)被限制在46mW以下的結(jié)論。自相位調(diào)制的重要應(yīng)用是在光纖中產(chǎn)生的孤子，有關(guān)內(nèi)容將在第10章節(jié)中進(jìn)一步介紹。2. 交叉相位調(diào)制XPM當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)不同波長的光波同時(shí)在光纖中傳輸時(shí)，某信道的非線性相移不僅依賴于該信道本身的功率變化，而且與其它信道的功率有關(guān)，從而引起較大的頻譜展寬。例如兩個(gè)信道的傳輸，第一個(gè)信道的非線性相移可表示為(2.3.36)上式中第二項(xiàng)稱為交叉相位調(diào)制項(xiàng)。XPM雖然與SPM都以相同的方式影響著系統(tǒng)性能，但由于交叉調(diào)制項(xiàng)的系數(shù)較大，所以其它信道

36、對(duì)本信道的影響程度更嚴(yán)重，在波分復(fù)用系統(tǒng)中，XPM成為一個(gè)重要的限制。通過調(diào)制和檢測(cè)方案的選擇，可以在一定程度上控制XPM的影響，如采用移相鍵控PSK調(diào)制相干系統(tǒng)，XPM效應(yīng)可以忽略，但對(duì)于幅度鍵控ASK調(diào)制的相干系統(tǒng)，每個(gè)信道的輸入光功率就要受到XPM的嚴(yán)重制約。3. 四波混頻FWM四波混頻是指當(dāng)多個(gè)共有較強(qiáng)功率的光波長信號(hào)在光纖中混合傳輸時(shí)，由于介質(zhì)的非線性，將導(dǎo)致產(chǎn)生新的波長部分，這個(gè)過程既要滿足能量守恒，又要滿足動(dòng)量守恒，也就是相位匹配條件。FWM可分為兩種情況：一種是三個(gè)頻率的光波f1、f2和f3同時(shí)在光纖中傳輸，產(chǎn)生了第四個(gè)頻率f4的光波。從形式上看，這些組合都可能存在，但因?yàn)樗牟?/p>

37、混頻還需滿足相位匹配條件，所以，大多數(shù)組合都不能產(chǎn)生。在波分復(fù)用系統(tǒng)中，的組合形式最為不利，特別是當(dāng)信道間隔很小時(shí)，相位匹配條件很容易滿足，有相當(dāng)比例的信道功率通過四波混頻被轉(zhuǎn)移到新的光場(chǎng)中去。另一種情況是兩個(gè)頻率f1、f2的光波，在光纖中傳輸時(shí)產(chǎn)生了另兩個(gè)頻率f3、f4的光波(2.3.37)其相位匹配條件可表示為(2.3.38)在 時(shí)，上式較易滿足，因此，這種四波頻率是最容易產(chǎn)生的。我們也可以將上述過程看成是一個(gè)很強(qiáng)的頻率為f1的泵浦光。在非線性介質(zhì)中激發(fā)兩個(gè)光波，一個(gè)為，另一個(gè)為，。顯然，對(duì)于波分復(fù)用系統(tǒng)，如果和，和與其它信道頻率相近，就會(huì)造成信道間的串?dāng)_，也就是一個(gè)信道的信息對(duì)另一個(gè)信道

38、造成干擾，為了避免這種影響，可以將信道不均勻的設(shè)置。四波混頻導(dǎo)致了功率從一個(gè)信道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信道，除了造成信道串?dāng)_外，也會(huì)使誤碼率指標(biāo)劣化，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)“1”沒有獲得足夠大的功率。2.4 多模光纖多模光纖是傳輸一個(gè)以上模式光場(chǎng)的光纖。其傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目可由（2.2.58）式估算。多模光纖通常用在短距離通信場(chǎng)合。因?yàn)槠淅w芯尺寸比單模光纖大得多，因此連接較為方便。另外，其終端設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用發(fā)光二極管作為光源，所以成本較為低廉。在小范圍場(chǎng)所得到了廣泛的應(yīng)用。本節(jié)對(duì)多模光纖的特征作一些介紹。2.4.1 多模光纖的衰減多模光纖的衰減機(jī)理與單模光纖相似，分成彎曲損耗、散射損耗和吸收損耗。彎曲損耗分為兩類

39、：宏彎損耗和微彎損耗。宏彎損耗是隨著光纖彎曲的曲率半徑的減小，光纖的輻射損耗增加的一種衰減，它與模式有密切的關(guān)系。當(dāng)光纖彎曲時(shí)，高階模式首先消逝。因?yàn)槔w芯對(duì)高階模式的限制作用不如低階模式，所以首先從光纖中輻射出去的是高階模式。宏彎損耗與彎曲半徑成反比。微彎損耗是因?yàn)楣饫w軸線的微觀畸變引起的，光纖生產(chǎn)中的不均勻性或光纖在成纜時(shí)受到的不均勻壓力都會(huì)造成微彎損耗，對(duì)于多模光纖，高階模式比低階模式到達(dá)纖芯包層邊界的次數(shù)更多，所以受微彎損耗影響的幾率大于低階模式。散射和吸收損耗：由于多模光纖的摻雜濃度較高，因此散射和吸收損耗比單模光纖大。在多模光纖中，高階模式比低階模式消逝得快。高階模式在光纖中實(shí)際傳輸

40、的距離更長，所以他們經(jīng)歷了更多的散射和吸收，圖2.4.1示出了多模光纖和單模光纖衰減的對(duì)照?qǐng)D，其中GI為漸變多模光纖，SI為階躍多模光纖。圖2.4.1 多模光纖和單模光纖的衰減2.4.2 多模光纖的色散在多模光纖中，傳播的導(dǎo)波模數(shù)量很多，不同模式的相位常數(shù)不同，因而有不同的相速度和群速度，模式色散成為主要的色散因素。前面我們已經(jīng)提到了計(jì)算階躍多模光纖模式色散的關(guān)系式：。對(duì)于折射率為拋物線分布的漸變型光纖的計(jì)算關(guān)系式：。當(dāng)0.01 時(shí)，拋物線折射率漸變光纖的模式色散僅為階躍型光纖的兩百分之一，可見，漸變型光纖對(duì)于模式色散有明顯的抑制作用，對(duì)于折射率指數(shù)為其它分布的漸變型光纖，模式色散可用下式近似

41、計(jì)算 (2.4.1)多模光纖中的材料色散經(jīng)常使用經(jīng)驗(yàn)公式(2.4.2)如圖2.4.2所示，標(biāo)準(zhǔn)非色散位移光纖的典型值為0.092ps/(nm2km)，對(duì)于色散位移光纖，在0.06到0.082ps/(nm2km)之間。圖2.4.2 色散系數(shù)與波長的關(guān)系漸變折射率多模光纖中，材料色散的影響與模式色散相當(dāng)。波導(dǎo)色散是因傳播常數(shù)與波長有關(guān)引起的，在多模光纖中，它只占總色散的很小一部分，所以常將多模光纖中的色度色散稱為材料色散。D()Ps/(nmkm) (nm)零色散斜率S00-40-8002.4.3 多模光纖的帶寬多模光纖的帶寬計(jì)算公式與單模光纖相似：(2.4.3)對(duì)于階躍折射率光纖，計(jì)算模式色散限制

42、的帶寬，可用代入，而對(duì)于漸變折射率光纖，則用或代入，計(jì)算材料色散限制的帶寬，可用式 代入。實(shí)際上漸變折射率多模光纖帶寬是一個(gè)與波長有關(guān)的量，圖2.4.3給出了模式色散限制帶寬與波長關(guān)系的理論曲線。圖2.4.3 模式色散限制帶寬與波長的關(guān)系同樣材料色散限制帶寬也與波長有關(guān)，見圖2.4.4圖2.4.4 材料色散限制帶寬與波長的關(guān)系從圖中我們可以觀察到最佳帶寬在1300nm窗口，這就是多模光纖往往選擇1300nm作為工作波長的原因。0帶寬（MHzkm) (nm)13421200060001341134050/125光纖62.5/125光纖1065帶寬（MHzkm) (nm)1350151013401

43、330 =1nm =2nm2.5 光纖使用特性和產(chǎn)品介紹了解光纖使用特性和產(chǎn)品之前，我們先介紹一下光纖制造過程，它有利于我們對(duì)光纖的使用和維護(hù)。2.5.1 光纖制作工藝光纖的制作工藝包括兩個(gè)主要階段，第一是制作預(yù)制棒，第二是拉絲。1. 預(yù)制棒的制作預(yù)制棒是制作光纖的原料，它的徑向折射率按照芯層和包層的折射率要求而分布，但尺寸則要大的多，典型的預(yù)制棒直徑約為1025mm，長度約為60120cm。目前，生產(chǎn)預(yù)制棒的工藝采用兩步法，先制造預(yù)制棒的棒芯，然后在芯棒外采用不同技術(shù)制造包層。芯棒的制造決定了光纖的傳輸性能，而包層的則決定了光纖的制造成本。圖2.5.1 預(yù)制棒制造工藝流程由圖可見，芯棒的制作

44、有四種工藝，它們分別是改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法MCVD(Modified Chemical Vapor Deposition)，外部氣相沉積法OVD(Outside Vapor Deposition)，汽相軸向沉積法VAD(Vapor Axial Deposition)和等離子體化學(xué)汽相沉積法PCVD(Plasma Chemical Vapor Deposition)，其基本化學(xué)反應(yīng)是用兩種氣體SiCl4和O2在高溫下進(jìn)行混合,生成二氧化硅SiO2：為了控制折射率,往往還要加入一些摻雜物。MCVDPCVDOVDVAD芯 棒外套管技術(shù)外沉積技術(shù)外噴技術(shù)預(yù)制棒芯棒的制作技術(shù)有以下四種。外部汽相沉積法O

45、VD這種方法如圖2.5.2所示?；粲墒⒒蜓趸U做成，從噴管出來的SiO2粉塵在旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)的基棒上形成一層沉積層，沉積層較為松散，沉積過程完成后抽走基棒，將粉塵預(yù)制棒置于固化爐中,在高溫(大約14000C)環(huán)境下將其脫水固化，制成潔凈的玻璃基棒，這種管狀芯棒的中心空洞在拉絲過程中會(huì)消失。OVD法要求環(huán)境清潔，嚴(yán)格脫水，可以制得0.16dB/km，的單模光纖，幾乎接近于石英光纖在1.55窗口的理論損耗0.15dB/km。沉積層SiO2粉塵基棒O2SiCl4圖2.5.2 沉積過程沉積層SiO2粉塵基棒O2SiCl4（2）改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法MCVDMCVD廣泛用于低損耗漸變折射率光纖的生產(chǎn)，

46、圖2.5.3示出了其過程，反應(yīng)氣體(O2、SiCl4、CeCl4等)由基管(合成石英管)的左側(cè)流進(jìn)基管，基管是旋轉(zhuǎn)的，下面有來回移動(dòng)的噴燈，這樣SiO2、GeO2和其它摻雜物將形成粉塵并沉積在基管內(nèi)的表面，經(jīng)過噴燈燒結(jié)成一層純凈的玻璃薄層，其工作溫度大約有16000C。當(dāng)管子內(nèi)壁的玻璃沉積層達(dá)到一定厚度時(shí)，停止反應(yīng)氣體的供給，將基管加熱至20000C，使之成為實(shí)心棒。 MCVD時(shí)是目前制備高質(zhì)量石英光纖比較穩(wěn)定可靠的方法。該法備制的單模光纖性能可達(dá)0.20.3dB/lm。MCVD屬于內(nèi)沉積工藝。內(nèi)沉積技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于可精確地控制徑向折射率的分布，而芯棒的外沉積技術(shù)（如OVD）的優(yōu)勢(shì)在于不用價(jià)格很

47、昂貴的合成石英管，沉積速率、沉積層數(shù)不會(huì)受到基管直徑的限制，特別有利于以高沉積速率制造大型預(yù)制棒。反應(yīng)氣體粉塵生成氫氧噴燈（移動(dòng)）O2、SiCl4、GeCl4等粉塵沉積玻璃膜層圖2.5.3 MCVD工藝示意圖反應(yīng)氣體粉塵生成氫氧噴燈（移動(dòng)）O2、SiCl4、GeCl4等粉塵沉積玻璃膜層（3）汽相軸向沉積法VAD這種方法是在反應(yīng)室里放置一根基棒石英玻璃棒，基棒可以旋轉(zhuǎn)并向反應(yīng)室外移動(dòng)，如圖2.5.4所示。當(dāng)反應(yīng)氣體送入反應(yīng)室之后，就在基棒上沉積，基棒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)保證了芯棒的軸對(duì)稱性，疏松的預(yù)制棒在向上移動(dòng)的過程中經(jīng)過一環(huán)形加熱器，從而生成玻璃預(yù)制棒。玻璃預(yù)制棒沉積預(yù)制棒環(huán)形加熱器反應(yīng)氣體入孔反應(yīng)室

48、 圖2.5.4 VAD工藝示意圖玻璃預(yù)制棒沉積預(yù)制棒環(huán)形加熱器反應(yīng)氣體入孔反應(yīng)室（4）等離子體化學(xué)汽相沉積法PCVD 該方法與MCVD有些相似，它用微波加熱腔代替噴燈，在合成石英管內(nèi)形成離子化氣體等離子體。等離子體激發(fā)的化學(xué)反應(yīng)可直接將一層純凈玻璃直接沉積在管壁上，而不形成粉塵，當(dāng)達(dá)到所需的厚度的玻璃以后，再將管子制成實(shí)心預(yù)制棒。目前微波加熱腔的移動(dòng)速度在8m/min，這允許管內(nèi)沉積數(shù)千個(gè)薄層，從而使每層的沉積厚度減小，因此折射率分布的控制更為精確，可以獲得更高的帶寬。2. 拉絲圖2.5.5示出了拉絲的設(shè)備，預(yù)制棒被放在拉絲加熱爐，其底部受熱熔化，受熱熔化的部分開始下降，置于底部的拉線塔上卷繞

49、軸的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定光纖的拉制速度，而拉制速度又決定了光纖的粗細(xì)，所以卷繞軸的轉(zhuǎn)速必須精確控制并保持不變。光纖直徑監(jiān)測(cè)儀通過反饋實(shí)現(xiàn)對(duì)于拉絲速度的調(diào)整，光纖拉成以后，將被立即涂覆上一層有彈性的覆蓋物。夾具預(yù)制棒拉絲加熱爐直徑監(jiān)測(cè)儀涂覆設(shè)備硬化設(shè)備（紫外燈或熱源）卷線軸圖2.5.5 光纖拉制工藝示意圖夾具預(yù)制棒拉絲加熱爐直徑監(jiān)測(cè)儀涂覆設(shè)備硬化設(shè)備（紫外燈或熱源）卷線軸2.5.2 光纖的使用特性光纖的使用特性包括傳輸特性，幾何特性，機(jī)械特性，環(huán)境特性等，下面分別介紹。1. 傳輸特性:內(nèi)容主要有衰減，數(shù)值孔徑，色散，反向散射特性，群折射率(漸變折射率光纖的等效折射率)。2. 幾何特性幾何特性有纖芯直徑，包層

50、直徑和涂覆蓋層直徑，纖芯非圓性，包層非圓性和涂敷層非圓性，纖芯/包層和涂敷層同心性誤差，標(biāo)準(zhǔn)長度。其中非圓性的計(jì)算公式為：(2.5.1)纖芯/包層和涂敷層同心性誤差是指纖芯與包層或包層與涂敷層的幾何中心間的最大可能距離。3. 機(jī)械特性機(jī)械特性對(duì)光纖的使用特別重要。光纖必須能夠經(jīng)受住成纜和光纖敷設(shè)過程中的壓力和張力，其參數(shù)有抗拉強(qiáng)度，靜態(tài)、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定疲勞，光纖翹曲半徑，涂敷層剝離力等?？估瓘?qiáng)度用長為L的光纖在應(yīng)力作用下斷裂的概率來表示,它可由Werbull公式表述 (2.5.2)式中、和是與初始慣性強(qiáng)度分布相關(guān)的常數(shù)。純凈玻璃光纖的縱向拉伸張力是可以與金屬絲相比擬的，其最大抗拉強(qiáng)度為14Gpa，鋼

51、絲為20Gpa。但由于光纖在生產(chǎn)過程中，玻璃基體存在小的不均勻性，高溫熔融驟冷拉絲形成應(yīng)力不均勻及環(huán)境塵埃、機(jī)械損傷使光纖中有許多裂紋，從而造成一定長度的光纖拉伸張力大為降低。疲勞指的是光纖表面裂紋逐漸增長至光纖斷裂的過程。靜態(tài)疲勞與裂紋在潮濕環(huán)境和拉力作用下緩慢增長有關(guān)。動(dòng)態(tài)疲勞與光纖在一個(gè)具有恒定速率應(yīng)力(如光纜在牽引工具下的摩擦力,架設(shè)光纜風(fēng)力作用下橫向擺動(dòng))的作用下斷裂時(shí)間有關(guān)。如果將斷裂應(yīng)力記為，恒定外力應(yīng)力速率為，則 (2.5.3)式中為常數(shù)，稱為動(dòng)態(tài)疲勞指數(shù)。光纖翹曲半徑是指涂敷層剝除后石英玻璃光纖自然彎曲的曲率半徑。它是由于光纖制造過程中的高速拉制和驟然冷卻使光纖產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的結(jié)

52、果，對(duì)光纖的連接損耗影響較大，特別是對(duì)多模光纖構(gòu)成的光纖帶的連接影響較大，因?yàn)楦鞲饫w的翹曲方向使隨機(jī)的。篩選應(yīng)變是篩選試驗(yàn)結(jié)果的表示方法，篩選試驗(yàn)的目的是將整根光纖長度上強(qiáng)度低于篩選應(yīng)力的點(diǎn)去除，保證光纖的機(jī)械可靠性。采用的方法是縱向張力法，即施加張力荷載至拉絲涂敷層的整根光纖上，被測(cè)的初始光纖會(huì)斷成幾段，可以為每段光纖通過了篩選試驗(yàn)。設(shè)光纖張力為，應(yīng)變?yōu)?，它們的關(guān)系如下(2.5.4)式中 稱為楊氏模量，為非線性參數(shù)，典型值為36。4. 環(huán)境特性環(huán)境特性有溫度特性，水浸性能和濕熱性能，這部分說明因?yàn)榄h(huán)境條件的變化導(dǎo)致衰減會(huì)增加多少，比如因?yàn)槭⒑凸饫w涂敷層的熱膨脹系數(shù)不同,兩者的長度的變化量

53、相差非常大，于是產(chǎn)生的張力會(huì)使光纖發(fā)生彎曲，增加損耗。表2.4列出了某光纖產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范。2.5.3 光纖產(chǎn)品介紹國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)部ITU-T(Telecommunication Standardization Sector of International Telecommunication Union)公布的幾種光纖標(biāo)準(zhǔn)如下：G.651光纖（漸變多模光纖）G.651光纖的工作波長有兩種：1310nm和1550nm。在1310nm處具有最小色散值，在1550nm處具有最小衰減系數(shù)。按照纖芯/包層尺寸，G.651進(jìn)一步分為4種，它們的纖芯/包層直徑/數(shù)值孔徑分別為50/125/0.200，

54、62.5/125/0.275，85/125/0.275和100/140/0.316.2. G.652光纖（標(biāo)準(zhǔn)單模光纖）G.652是零色散波長在1310nm處的單模光纖，它的傳輸距離一般只受光纖衰減的限制。在1310nm處，該光纖的衰減率達(dá)到0.30.4dB/km。目前已經(jīng)鋪設(shè)的光纜線路絕大部分都采用這種光纖，該光纖也可用于1.55波段、2.5Gb/s的干線傳輸，雖然在1550nm處的色散較大，為20，但如果采用高性能的電吸收調(diào)制器，傳輸距離可達(dá)600公里。但如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率達(dá)10Gb/s，只能傳輸50公里。G.652光纖的新產(chǎn)品還有G.652B、C和D，其中G.625B光纖具有低PMD值，成纜光纖的最大PMD為，可支持?jǐn)?shù)據(jù)速率10GBb/s，達(dá)3000公里，如數(shù)據(jù)速率為40Gb/s，則可傳輸80km。G.652C光纖為無水峰光纖，原水峰處13833nm處的衰減可做到不大于1310nm處的值，所以系統(tǒng)可工作在E波段和S波段，見表2.5。同時(shí)，水峰的消除使在1550nm處的損耗更低，從而可傳輸速率為10Gb/s的數(shù)據(jù)。G.652D光纖在波長和帶寬上與G.652C光纖類似，支持CWDM和O/E/S/C/L/U波段應(yīng)用，在數(shù)據(jù)速率上與G.652B光纖類似。表2.5 單模光纖波段劃分3. G.653光纖（色散位移光纖）G.652光纖由于零色散與低衰減不在同一波長上，使工程應(yīng)用受到很