2016綜合布線基礎(chǔ)知識講義26

10.1光纖結(jié)構(gòu)和類型10.2光纖傳輸原理10.3光纖傳輸特性10.4光纜10.5光纖特性測量方法第十

章光纖和光纜返回主目錄第十

章光纖和光纜10.1光纖結(jié)構(gòu)和類型

10.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖（OpticalFiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細絲。

返回n1n2n2n1n2纖芯包層涂覆層護套結(jié)構(gòu)—兩個同軸區(qū)，內(nèi)區(qū)稱為纖芯，外區(qū)稱為包層。通常，在包層外面還有一層起支撐保護作用的套層。圖10.1光纖的外形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作用。

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n1>n2。纖芯和包層的相對折射率差

Δ=（n1-n2）/n1

的典型值，一般單模光纖為0.3%~0.6%，多模光纖為1%~2%。Δ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。

10.1.2光纖類型

實用光纖主要有三種基本類型突變型多模光纖（StepIndexFiber,SIF）漸變型多模光纖（GradedIndexFiber,GIF）單模光纖（SingleModeFiber,SMF）圖2.2三種基本類型型的光纖(a)突變型多模光光纖；(b)漸變型多模光光纖；（（c）單模光纖纖n2n1多模階躍光纖nr多模梯度光纖n2n1單模梯度光纖單模光纖和多多模光纖圖2.3典型特種單模模光纖(a)雙包層；(b)三角芯；(c)橢圓芯漸變型多模光光纖的帶寬可可達1~2GHz·km，適用于中等等容量（34~140Mb/s）中等距離（（10~20km）系統(tǒng)。大容量（565Mb/s～2.5Gb/s）長距離(30km以上)系統(tǒng)要用單模模光纖。特種單模光纖纖大幅度提高高光纖通信系系統(tǒng)的水平。。10.2光纖傳輸原理理在極限介質(zhì)空空間尺寸>>波長λ條件下，可以以用幾何光學(xué)學(xué)的射線方程程作近似分析析。幾何光學(xué)的方方法比較直觀觀，容易理理解，但并并不十分嚴格格。10.2.1幾何光學(xué)方法法1.突變型多模光光纖（SIF）圖2.4突變型多模光光纖的光線傳傳播原理以突變型多模模光纖的交軸軸(子午)光線為例，進進一步討論光光纖的傳輸條條件。設(shè)纖芯芯和包層折射射率分別為n1和n2，空氣的折射射率n0=1，纖芯中心心軸線與z軸一致，如如圖2.4。光線在光纖纖端面以小角角度θ從空氣入射到到纖芯(n0<n1)，折射角為θ1，折射后的光光線在纖芯直直線傳播，并并在纖芯與與包層交界面面以角度ψ1入射到包層(n1>n2)。改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將將在纖芯與包包層交界面發(fā)發(fā)生反射或折折射。根據(jù)全反射原理，存在一個個臨界角θc，當(dāng)θ<θc時，相應(yīng)的光光線將在交界界面發(fā)生全反反射而返回纖纖芯，并以以折線的形狀狀向前傳播，，如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)當(dāng)θ=θc時，相應(yīng)的光光線將以ψc入射到交界面面，并沿交界界面向前傳播播(折射角為90°)，如光線2，當(dāng)θ>θc時，相應(yīng)的光光線將在交界界面折射進入入包層并逐漸漸消失，如光光線3。由此可見，，只有在半錐錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射射的光束才能能在光纖中傳傳播。定義臨界角θc的正弦為數(shù)值值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和和斯奈爾定律律式中Δ=(n1-n2)/n1為纖芯與包層層相對折射率率差。設(shè)Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。NA表示光纖接收收和傳輸光的的能力，NA(或θc)越大，光纖接接收光的能力力越強，從光光源到光纖的的耦合效率越越高。對于無無損耗光纖，，在θc內(nèi)的入射光都都能在光纖中中傳輸。NA越大，纖芯芯對光能量的的束縛越強，，光纖抗彎曲曲性能越好。。但NA越大經(jīng)光纖纖傳輸后產(chǎn)生生的信號畸變變越大，因而而限制了信息息傳輸容量。。所以要根據(jù)據(jù)實際使用場場合，選擇適適當(dāng)?shù)腘A。現(xiàn)在我們來觀觀察光線在光光纖中的傳播播時間。入射射角為θ的光線在長度度為L(ox)的光纖中傳輸輸，所經(jīng)歷的的路程為l(oy)，在θ不大的條件下下，其傳播時時間即時間延延遲為式中c為真空中的光光速。由式(2.4)得到最大入射射角(θ=θc)和最小入射角角(θ=0)的光線之間時時間延遲差近近似為注意：n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1這種時間延遲遲差在時域產(chǎn)產(chǎn)生脈沖展寬寬，或稱為信信號畸變。設(shè)光纖NA=0.20，n1=1.5，L=1km，計算得到脈沖沖展寬Δτ=44ns，相當(dāng)于10MHz··km左右的帶寬。。2.漸變型多模光光纖漸變型多模光光纖具有能減減小脈沖展寬寬、增加帶寬寬的優(yōu)點。漸漸變型光纖纖折射率分布布的普遍公式式為n1［1-Δ］=n2r≥a0≤r≤an(r)=式中，n1和n2分別為纖芯中中心和包層的的折射率，r和a分別為徑向坐坐標和纖芯半半徑，Δ=(n1-n2)/n1為相對折射率率差，g為折射率分布布指數(shù)。在g→∞，(r/a)→→0的極限條件下下，表示突變變型多模光纖纖的折射率分分布。g=2，n(r)按平方律(拋物線)變化，表示常常規(guī)漸變型多多模光纖的折折射率分布。。具有這種分布布的光纖，不不同入射角的的光線會聚在在中心軸線的的一點上，因因而脈沖展寬寬減小。nr多模梯度光纖由于漸變型多多模光纖折射射率分布是徑徑向坐標r的函數(shù)，纖芯芯各點數(shù)值孔孔徑不同，所所以要定義局局部數(shù)值孔徑徑NA(r)和最大數(shù)值孔孔徑NAmax圖2.5漸變型多模光光纖的光線傳傳播原理選用圓柱坐標標(r,φ，z)，漸變型多模模光纖的子午午面(r-z)漸變型多模光光纖的光線軌軌跡是傳輸距距離z的正弦函數(shù)，，對于確定的的光纖，其幅幅度的大小取取決于入射角角θ0，其周期Λ=2πa/，取決于光纖的的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,Δ)，而與入射射角θ0無關(guān)。這說明不同入入射角相應(yīng)的的光線，雖雖然經(jīng)歷的路路程不同，但但是最終都會會聚在P點上上，，這這種種現(xiàn)現(xiàn)象象稱稱為為自聚聚焦焦(SelfFocusing)效應(yīng)應(yīng)。漸變變型型多多模模光光纖纖具具有有自自聚聚焦焦效效應(yīng)應(yīng)，，不不僅僅不不同同入入射射角角相相應(yīng)應(yīng)的的光光線線會會聚聚在在同同一一點點上上，，而而且且這這些些光光線線的的時時間間延延遲遲也也近近似似相相等等。。nr多模梯度光纖10.2光纖纖傳傳輸輸原原理理要詳詳細細描描述述光光纖纖傳傳輸輸原原理理，，需需要要求求解解由由麥麥克克斯斯韋韋方方程程組組導(dǎo)導(dǎo)出出的的波波動動方方程程。。但但在在極極限限(波數(shù)數(shù)k=2ππ/λλ非常常大大，，波波長長λ→→0)條件件下下，，可可以以用用幾幾何何光光學(xué)學(xué)的的射射線線方方程程作作近近似似分分析析。。幾幾何何光光學(xué)學(xué)的的方方法法比比較較直直觀觀，，容容易易理理解解，，但但并并不不十十分分嚴嚴格格。。不不管管是是射射線線方方程程還還是是波波動動方方程程，，數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)推推演演都都比比較較復(fù)復(fù)雜雜，，我我們們只只選選取取其其中中主主要要部部分分和和有有用用的的結(jié)結(jié)果果。。10.2.2光纖纖傳傳輸輸?shù)牡牟ú▌觿永砝碚撜撾m然然幾幾何何光光學(xué)學(xué)的的方方法法對對光光線線在在光光纖纖中中的的傳傳播播可可以以提提供供直直觀觀的的圖圖像像，，但但對對光光纖纖的的傳傳輸輸特特性性只只能能提提供供近近似似的的結(jié)結(jié)果果。。光光波波是是電電磁磁波波，，只只有有通通過過求求解解由由麥克克斯斯韋韋方方程程組組導(dǎo)出出的的波波動動方方程程分分析析電電磁磁場場的的分分布布(傳輸輸模模式式)的性性質(zhì)質(zhì)，，才才能能更更準準確確地地獲獲得得光光纖纖的的傳傳輸輸特特性性。。1.波動動方方程程和和電電磁磁場場表表達達式式設(shè)光光纖纖沒沒有有損損耗耗，，折折射射率率n變化化很很小小，，在在光光纖纖中中傳傳播播的的是是角角頻頻率率為為ω的單單色色光光，，電電磁磁場場與與時時間間t的關(guān)關(guān)系系為為exp(jωωt)，則則標量量波波動動方方程程為式中中，，E和H分別別為為電電場場和和磁磁場場在在直直角角坐坐標標中中的的任任一一分分量量，，c為光光速速。。選選用用圓圓柱柱坐坐標標(r,φφ，z)，使使z軸與與光光纖纖中中心心軸軸線線一一致致，，將將式式(2.18)在圓圓柱柱坐坐標標中中展開開，，得得到到電電場場的的z分量量Ez的波波動動方方程程為為(磁場場分分量量Hz方程程的的形形式式完完全全相相同同)：(2.18)(2.19)把Ez(r,φφ,z)分解解為為Ez(r)、Ez(φφ)和Ez(z)。設(shè)光光沿沿光光纖纖軸軸向向(z軸)傳輸輸，，其其傳輸輸常常數(shù)數(shù)為為β，則則Ez(z)應(yīng)為為exp(-jββz)。由于于光光纖纖的的圓圓對對稱稱性性，，Ez(φφ)應(yīng)為方位位角φ的周期函函數(shù)，設(shè)設(shè)為exp(jvφφ)，v為整數(shù)。?，F(xiàn)在Ez(r)為未知函函數(shù)，利利用這些些表達式式，電電場z分量可以以寫成Ez(r,φ,z)=Ez(r)exp[j(vφ-βz)](2.20)把式(2.20)代入式(2.19)得到式中，k=2ππ/λ=2πf/c=ω/c，λ和f為光的波波長和頻頻率。這這樣就就把分析析光纖中中的電磁磁場分布布，歸結(jié)結(jié)為求解貝塞塞爾(Bessel)方程(2.21)。設(shè)纖芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1，包層(r≥a)折射率n(r)=n2，實際上上突變型型多模光光纖和常常規(guī)單模模光纖都都滿足這這個條件件。為為求解方方程(2.21)，引入無無量綱參參數(shù)u,w和V。(2.21)w2=a2(β2-n22k2)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)利用這些些參數(shù)，，把式式(2.21)分解為兩兩個貝塞塞爾微分分方程：：(0≤r≤a)(2.23a)(r≥a)(2.23b)因為光能能量要在在纖芯(0≤r≤a)中傳輸，，在r=0處，電磁磁場應(yīng)為為有限實實數(shù)；在在包層(r≥a)，光能量量沿徑向向r迅速衰減減，當(dāng)r→∞時，電電磁場應(yīng)應(yīng)消逝為為零。根據(jù)這些些特點，，式(2.23a)的解應(yīng)取取v階貝塞爾爾函數(shù)Jv(ur/a)，而式(2.23b)的解則應(yīng)應(yīng)取v階修正的的貝塞爾爾函數(shù)Kv(wr/a)。因此，，在纖芯芯和包層層的電場場Ez(r,φφ,z)和磁場Hz(r,φφ,z)表達式為為Ez1(r,φφ,z)Hz1(r,φφ,z)=Ez2(r,φφ,z)Hz2(r,φφ,z)圖2.7（a)貝賽爾函函數(shù)；（（b)修正的貝貝賽爾函函數(shù)Jv(u)類似振幅幅衰減的的正弦曲曲線，Kv(w)類似衰減減的指數(shù)數(shù)曲線。。（a)（b)2.特征方程程和傳輸輸模式光纖傳輸輸模式的的電磁場場分布和和性質(zhì)取取決于特特征參數(shù)數(shù)u、w和β的值。u和w決定纖芯芯和包層層橫向(r)電磁場的的分布，，稱為橫向傳輸輸常數(shù)；β決定縱向向(z)電磁場分分布和傳傳輸性質(zhì)質(zhì)，所以以稱為(縱向)傳輸常數(shù)數(shù)。因為電磁磁場強度度的切向向分量在在纖芯包包層交界界面連續(xù)續(xù)，在在r=a處應(yīng)該有有Ez1=Ez2Hz1=Hz2Eφ1=Eφ2Hφ1=Hφ2由Eφ和Hφ的邊界條條件導(dǎo)出出β滿足的特特征方程程為(2.26)這是一個個超越方方程，由由這個方方程和下下式定義義的特征征參數(shù)V聯(lián)立，就就可求得得β值。w2=a2(β2-n22k2)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)但數(shù)值計計算十分分復(fù)雜，，其結(jié)果果示于圖圖2.8。圖中中縱坐標標的傳輸輸常數(shù)β取值范圍圍為n2k≤β≤≤n1k相當(dāng)于歸歸一化傳傳輸常數(shù)數(shù)b的取值范范圍為0≤b≤≤1，圖2.8若干低階階模式歸歸一化傳傳輸常數(shù)數(shù)隨歸一一化頻率率變化的的曲線坐標的V稱為歸一一化頻率率，根根據(jù)式(2.22)(2.29)圖中每一一條曲線線表示一一個傳輸輸模式的的β隨V的變化，，所以以方程(2.26)又稱為色色散方程程。對于光纖纖傳輸模模式，有有兩種情情況非常常重要，，一種是是模式截截止，另另一種是是模式遠遠離截止止。分析析這兩種種情況的的u、w和β，對了了解模式式特性很很有意義義。模式截止止由修正的的貝塞爾爾函數(shù)的的性質(zhì)可可知，當(dāng)當(dāng)→∞時，，→→，，要要求在在包層電電磁場消消逝為零零，即即→→0，必要要條件是是w>0。如果w<0，電磁磁場將在在包層振振蕩，傳傳輸模模式將轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為輻輻射模式式，使能能量從包包層輻射射出去。。w=0(β=n2k)介于傳輸輸模式和和輻射模模式的臨臨界狀態(tài)態(tài)，這這個狀態(tài)態(tài)稱為模模式截止止。其u、w和β值記為uc、wc和βc，此時V=Vc=uc。對于每個個確定的的v值，可以以從特征征方程(2.26)求出一系系列uc值，每個個uc值對應(yīng)一一定的模模式，決決定其β值和電磁磁場分布布。當(dāng)v=0時，電磁磁場可分分為兩類類。一類只有有Ez、Er和Hφ分量，Hz=Hr=0，Eφ=0，這類類在傳輸輸方向無無磁場的的模式稱為橫磁磁模(波)，記為TM0μ。另一類只只有Hz、Hr和Eφ分量，Ez=Er=0，Hφ=0，這類在在傳輸方方向無電電場的模模式稱為為橫電模(波)，記為TE0μ。在微波技技術(shù)中，，金屬波波導(dǎo)傳輸輸電磁場場的模式式只有TM波和TE波。當(dāng)v≠0時，電磁磁場六個個分量都都存在，，這些模模式稱為混合合模(波)?；旌夏Ｒ惨灿袃深愵?，一一類Ez<Hz，記為HEvμμ，另一類類Hz<Ez，記為EHvμμ。模式遠離截截止當(dāng)V→∞時，w增加很快，，當(dāng)w→∞時，u只能增加到到一個有限限值，這個個狀態(tài)稱為模式遠遠離截止，，其u值記為u∞。LPvμ——線性偏振(LinearlyPolarized)模，圖2.9四個低階模模式的電磁磁場矢量結(jié)結(jié)構(gòu)圖基礎(chǔ)知識：：電磁波的產(chǎn)產(chǎn)生和傳播播按照麥克斯斯韋電磁場場理論，變變化的電場場在其周圍圍空間要產(chǎn)產(chǎn)生變化磁磁場，而變變化的磁場場又要產(chǎn)生生新的變化化電場。這這樣，變化化電場和變變化磁場之之間相互依依賴，相互互激發(fā)，交交替產(chǎn)生，，并以一定定速度由近近及遠地在在空間傳播出去。。例如：振蕩蕩電偶極子子輻射。..qq+..qq+..q+q.q+qHExyzpSEEHHS....aabb電場磁場P振蕩電偶極極子電磁場場分布電磁波不同同于機械波波，它的傳傳播不需依依賴任何彈彈性介質(zhì)，，它只靠“變變化電場產(chǎn)產(chǎn)生變化磁磁場，變化化磁場產(chǎn)生生變化電場場”的機理理來傳播，因此，電磁波在真真空中也同同樣可以傳傳播。麥克斯韋由由電磁理論論預(yù)見了電電磁波的存存在是在1865年，二十余余年之后，，赫茲于1887年用類似上上述電偶極極子產(chǎn)生了了電磁波，，他的實驗驗在歷史上上第一次直直接驗證了了電磁波的的存在，并并且還證明明了這種電電磁波就是是光波，即即光波本質(zhì)上上也是電磁磁波。3、E和H同相位，且且E2=H24、電磁波的的傳播速度度：u=1/()1/2在真空中電電磁波的速速度為：c=1/(oo)1/2=3.0×108m/s與真空中的的光速相等等。kEH電磁波的性性質(zhì)（在均勻無無限大介質(zhì)質(zhì)中）1、電磁波是是橫波：E⊥k，H⊥kk表示電磁波波傳播方向向的單位矢矢量。2、E與H相互垂直，，且與k組成右手螺螺旋系，即即：電磁波波沿著E×H的方向傳播播。纖芯對包層層的相對折折射率差纖芯對包層層的數(shù)值孔孔徑歸一化頻率率單模光纖：：V<2.405普通單模光光纖：~310-3a=2~4m多模光纖：：a=25~60mb125m光纖的最基基本參數(shù)10.3光纖傳輸特特性光信號經(jīng)光光纖傳輸后后要產(chǎn)生損耗和畸變(失真)，因而輸出出信號和輸輸入信號不不同。對于于脈沖信號，不僅幅度度要減小，，而且波形形要展寬。。產(chǎn)生信號畸畸變的主要要原因是光光纖中存在在色散。損耗和和色散是光光纖最重要要的傳輸特特性。損耗耗限制系統(tǒng)統(tǒng)的傳輸距距離，色散散則限制系系統(tǒng)的傳輸輸容量。10.3.1光纖色散1.色散、帶帶寬和脈沖沖展寬色散(Dispersion)是在光纖中中傳輸?shù)墓夤庑盘?，由由于不同成成分的光的的時間延遲遲不同而產(chǎn)產(chǎn)生的一種種物理效應(yīng)應(yīng)。色散一一般包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。模式色散是由于不同同模式的時時間延遲不不同而產(chǎn)生生的，它它取決于光光纖的折射射率分布，，并和光纖纖材料折射射率的波長長特性有關(guān)關(guān)。材料色散是由于光纖纖的折射率率隨波長而而改變，以以及模式內(nèi)內(nèi)部不同波波長成分的的光(實際光源不不是純單色色光)，其時間延延遲不同而而產(chǎn)生的。。這種色散散取決于光光纖材料折折射率的波波長特性和和光源的譜譜線寬度。。波導(dǎo)色散是由于波導(dǎo)導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)與波長有有關(guān)而產(chǎn)生生的，它它取決于波波導(dǎo)尺寸和和纖芯與包包層的相對對折射率差差。色散對光纖纖傳輸系統(tǒng)統(tǒng)的影響，，在時域和和頻域的表表示方法不不同。如果果信號是模模擬調(diào)制的的，色散限制帶帶寬(Bandwidth)；如果信信號是數(shù)字字脈沖，色散產(chǎn)生脈脈沖展寬(Pulsebroadening)。所以，，色散通通常用3dB光帶寬f3dB或脈沖展寬寬Δτ表示。用脈沖展寬寬表示時，，光纖色色散可以寫寫成Δτ=(ΔΔτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2式中Δτn、Δτm、Δτw分別為模式式色散、材材料色散和和波導(dǎo)色散散所引起的的脈沖展寬寬的均方根根值。對色散有4種表示方法法：1．單位長度度上的群延延時差，即即在單位長長度上模式式最先到達達終點和最最后到達終終點的時間間差。2.用輸出與輸輸入脈沖寬寬度均方根根之比表示示。3．用光纖的的沖激響應(yīng)應(yīng)經(jīng)傅氏變變換得到的的頻率響應(yīng)應(yīng)的3dB帶寬表示。。4．用單位長長度的單位位波長間隔隔內(nèi)的平均均群延時差差來表示。。光纖帶寬的的概念來源源于線性非非時變系統(tǒng)統(tǒng)的一般理理論。如果果光纖可以以按線性系系統(tǒng)處理，，其輸入光光脈沖功率率Pi(t)和輸出光脈脈沖功率Po(t)的一般關(guān)系系為Po(t)=當(dāng)輸入光脈脈沖Pi(t)=δ(t)時，輸出光光脈沖Po(t)=h(t)，式中δ(t)為δ函數(shù)，h(t)稱為光纖沖沖擊響應(yīng)。。沖擊響應(yīng)h(t)的傅里葉(Fourier)變換為H(f)=(2.43)將歸一化頻頻率響應(yīng)|H(f)/H(0)|下降一半或或減小3dB的頻率定義義為光纖3dB光帶寬f3dB，由此得到到|H(f3dB)/H(0)|=1/2(2.44a)或T(f)=10lg|H(f3dB)/H(0)|=-3(2.44b)圖2.11光纖帶寬和和脈沖展寬寬的定義f3dB=用高斯脈沖沖半極大全全寬度(FWHM)Δτ==2.355σ，代入式式(2.47a)得到f3dB=式(2.47)脈沖寬度σ和Δτ是信號通過過光纖產(chǎn)生生的脈沖展展寬，單位位為ns。(2.47a)(2.47b)2.多模光光纖的的色散散對于多多模光光纖，，模間間色散散通常常占主主導(dǎo)地地位。。如果果把模模間色色散平平衡掉掉，則則剩下下的是是材料料色散散和波波導(dǎo)色色散。。此時時，情情況與與單模模傳輸輸類似似，不不同的的是這這里的的波導(dǎo)導(dǎo)色散散是多多模波波導(dǎo)色色散。。在多多模光光纖中中，波波導(dǎo)色色散與與材料料色散散相比比，常常常可可以忽忽略。。σ模間為模式式色散散產(chǎn)生生的脈脈沖展展寬。。突變型型光纖纖σ模間(g→→∞)≈σ模間(g=2+εε)≈≈由此可可見，，漸變變型光光纖的的rms脈沖展展寬比比突變變型光光纖減減小Δ/2倍。σ模內(nèi)為模內(nèi)內(nèi)色散散產(chǎn)生生的脈脈沖展展寬σ模內(nèi)≈漸變型型光纖纖3.單模光光纖的的色散散色度色色散理理想單單模光光纖沒沒有模模式色色散，，只有有材料料色散散和波波導(dǎo)色色散。。材料料色散散和波波導(dǎo)色色散總總稱為為色度度色散散(ChromaticDispersion)，常簡簡稱為為色散散，它它是時時間延延遲隨隨波長長變化化產(chǎn)生生的結(jié)結(jié)果。。由于單單模光光纖只只傳輸輸一種種模式式，因因而它它不存存在模模間色色散，，只有有模內(nèi)內(nèi)色散散，即即材料料色散散和波波導(dǎo)色色散。。它們們分別別用色色散系系數(shù)σc和σω表示。?？偵ⅵ?σc+σω。通常，，材料料色散散比波波導(dǎo)色色散大大兩個個量級級。但但是，，在零零色散散區(qū)，，材料料色散散與波波導(dǎo)色色散值值大致致相當(dāng)當(dāng)，只只是兩兩者符符號相相反。。圖2.13不同結(jié)結(jié)構(gòu)單單模光光纖的的色散散特性性圖2.14常規(guī)單單模光光纖帶帶寬和和波長長的關(guān)關(guān)系作業(yè)P121．P441、3纖芯對對包層層的相相對折折射率率差纖芯對對包層層的數(shù)數(shù)值孔孔徑歸一化化頻率率單模光光纖：：V<2.405普通單單模光光纖：：~310-3a=2~4m多模光光纖：：a=25~60mb125m光纖的的最基基本參參數(shù)10.3.2光纖損損耗由于損損耗的的存在在，在在光纖纖中傳傳輸?shù)牡墓庑判盘?，，不管管是模模擬信信號還還是數(shù)數(shù)字脈脈沖，，其幅幅度都都要減減小。。光纖纖的損損耗在在很大大程度度上決決定了了系統(tǒng)統(tǒng)的傳傳輸距距離。。在最一一般的的條件件下，，在在光纖纖內(nèi)傳傳輸?shù)牡墓夤β蔖隨距離離z的變化化，可可以用用下式式表示示(2.59)式中，，α是損耗耗系數(shù)數(shù)。設(shè)設(shè)長度度為L(km)的光纖纖，輸輸入入光功功率為為Pi，根據(jù)據(jù)式(2.59)，輸出出光功功率應(yīng)應(yīng)為Po=Piexp(-ααL)習(xí)慣上上α的單位位用dB/km，由由式(2.60)得到損損耗系系數(shù)α=1.損耗的的機理理單模光光纖的的損耗耗譜，，包括括吸收收損耗耗和散散射損損耗兩兩部分分。吸收損損耗是是由SiO2材料引引起的的固有有吸收收和由由雜質(zhì)質(zhì)引起起的吸吸收產(chǎn)產(chǎn)生的的。由材料料電子子躍遷遷引起起的吸吸收帶帶發(fā)生生在紫紫外(UV)區(qū)(λ<0.4μμm)，由分分子振振動引引起的的吸收收帶發(fā)發(fā)生在在紅外外(IR)區(qū)(λ>7μμm)，由于于SiO2是非晶晶狀材材料，，兩種種吸收收帶從從不同同方向向伸展展到可可見光光區(qū)。。固有吸吸收很很小，，在0.8~1.6μm波段，，小于于0.1dB/km，在1.3~1.6μm波段，，小于于0.03dB/km。光纖中中的雜雜質(zhì)主主要有有過渡渡金屬屬(例如Fe2+、Co2+、Cu2+)和氫氧氧根(OH-)離子，，這些些雜質(zhì)質(zhì)是早早期實實現(xiàn)低低損耗耗光纖纖的障障礙。。氫氧根根離子子(OH-)吸收峰峰在0.95μμm、1.24μμm和1.39μμm波長長，，其其中中以以1.39μμm的吸吸收收峰峰影影響響最最為為嚴嚴重重。。散射射損損耗耗主主要要由由材材料料微微觀觀密密度度不不均均勻勻引引起起的的瑞瑞利利散散射射和和由由光光纖纖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)缺缺陷陷(如氣氣泡泡)引起起的的散散射射產(chǎn)產(chǎn)生生的的。。結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)缺缺陷陷散散射射產(chǎn)產(chǎn)生生的的損損耗耗與與波波長長無無關(guān)關(guān)。。瑞利利散散射射損損耗耗αR與波波長長λ四次次方方成成反反比比，，可可用用經(jīng)經(jīng)驗驗公公式式表表示示為為αR=A/λλ4，瑞瑞利利散散射射系系數(shù)數(shù)A取決決于于纖纖芯芯與與包包層層折折射射率率差差Δ。當(dāng)當(dāng)Δ分別別為為0.2%和0.5%時，，A分別別為為0.86和1.02。瑞瑞利利散散射射損損耗耗是是光光纖纖的的固固有有損損耗耗，，它它決決定定著著光光纖纖損損耗耗的的最最低低理理論論極極限限。。如如果果Δ=0.2%，在在1.55μμm波長長，，光光纖纖最最低低理理論論極極限限為為0.149dB/km。2.實用用光光纖纖的的損損耗耗譜譜根據(jù)據(jù)以以上上分分析析和和經(jīng)經(jīng)驗驗，，光光纖纖總總損損耗耗α與波波長長λ的關(guān)關(guān)系系可可以以表表示示為為α=+B+CW(λλ)+IR(λλ)+UV(λλ)式中中，，A為瑞瑞利利散散射射系系數(shù)數(shù)，，B為結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)缺缺陷陷散散射射產(chǎn)產(chǎn)生生的的損損耗耗，，CW(λλ)、IR(λλ)和UV(λλ)分別別為為雜雜質(zhì)質(zhì)吸吸收收、、紅紅外外吸吸收收和和紫紫外外吸吸收收產(chǎn)產(chǎn)生生的的損損耗耗光纖纖損損耗耗譜譜(a)三種種實實用用光光纖纖；；(b)優(yōu)質(zhì)質(zhì)單單模模光光纖纖從多多模模突突變變型型(SIF)、漸漸變變型型(GIF)光纖纖到到單單模模(SMF)光纖纖，，損損耗耗依依次次減減小小。。在在0.8~1.55μμm波段段內(nèi)內(nèi)，，除除吸吸收收峰峰外外，，光光纖纖損損耗耗隨隨波波長長增增加加而而迅迅速速減減小小。。在在1.39μμmOH-吸收收峰峰兩兩側(cè)側(cè)1.31μμm和1.55μμm存在在兩兩個個損損耗耗極極小小的的波波長長“窗口口”。10.4光纜纜10.4.1光纜纜基基本本要要求求保護護光光纖纖固固有有機機械械強強度度的的方方法法，，通通常常是是采采用用塑料料被被覆覆和應(yīng)應(yīng)力力篩篩選選。。光光纖纖從從高高溫溫拉拉制制出出來來后后，，要要立立即即用用軟軟塑塑料料(例如紫外固化化的丙烯酸樹脂)進行一次被覆覆和應(yīng)力篩選選，除去斷裂裂光纖，并對對成品光纖用用硬塑料(例如高強度聚酰胺胺塑料)進行二次被覆覆。10.4.2光纜結(jié)構(gòu)和類類型光纜一般由纜纜芯和護套兩兩部分組成，，有時在護護套外面加有有鎧裝。1.纜芯纜芯通常包括括被覆光纖(或稱芯線)和加強件兩部部分。被覆光光纖是光纜的的核心，決定定著光纜的傳傳輸特性。加加強件起著承承受光纜拉力力的作用，通通常處在纜芯芯中心，有時時配置在護套套中。返回2.護套護套起著對纜纜芯的機械保保護和環(huán)境保保護作用，要要求具有良好好的抗側(cè)壓力力性能及密封封防潮和耐腐腐蝕的能力。。10.4.3光纜特性光纜的傳輸特特性取決于被被覆光纖。對對光纜機械械特性和環(huán)境境特性的要求求由使用條件件確定。1.拉力特性光纜能承受的的最大拉力取取決于加強件件的材料和橫橫截面積，一一般要求大大于1km光纜的重量，，多數(shù)光纜在在100~400kg范圍。2.壓力特性光纜能承受的的最大側(cè)壓力力取決于護套套的材料和結(jié)結(jié)構(gòu)，多數(shù)數(shù)光纜能承受受的最大側(cè)壓壓力在100~400kg/10cm。3.彎曲特性彎曲特性主要要取決于纖芯芯與包層的相相對折射率差差Δ以及光纜的材材料和結(jié)構(gòu)。。實用光纖最最小彎曲半徑徑一般為20~50mm，光纜最小小彎曲半徑一一般為200~500mm，等于或大于于光纖最小彎彎曲半徑。在在以上條件下下，光輻射引引起的光纖附附加損耗可以以忽略，若小小于最小彎曲曲半徑，附加加損耗則急劇劇增加。4.溫度特性光纖本身具有有良好的溫度度特性。光纜的種種類1.按敷設(shè)方式分分有：自承重架空光光纜，管道光纜，鎧裝地埋光纜纜和海底光纜。2.按光纜結(jié)構(gòu)分分有：束管式光纜纜，層絞式光光纜，緊抱式式光纜，帶式式光纜，非金金屬光纜和可可分支光纜。。3.按用途分有：長途通訊用用光纜、短途途室外光纜、、混合光纜和和建筑物內(nèi)用用光纜。1.中心管式—帶狀光纜帶狀光纜特點點帶狀光纜具有有外徑小、芯芯數(shù)大、便于于集中熔接等等優(yōu)點，可用用于寬帶、高高速、大容量量多媒體的多多網(wǎng)絡(luò)信息傳傳輸。中心管式帶狀狀光纜適用于于管道直埋與與架空敷設(shè)光纜的的結(jié)構(gòu)構(gòu)聚乙烯外護套套鋼絲增強件聚烯烴細繩聚乙烯內(nèi)護套套紙1212陣列（每12根光纖熔在一一條塑料帶內(nèi)內(nèi)）中心管式帶狀狀光纜中心管管式帶帶狀狀光纜纜結(jié)構(gòu)構(gòu)層絞式帶狀光光纜結(jié)構(gòu)圖GYXTW型束管式輕型型光纜GYXTS型束管式光纜纜光纜型號GYSTAGYSTY53GYSTA53GYSTA33光纖芯數(shù)4-1728光纜外徑8-6010-6810-6810-70光纜重量300-2000365-2500340-2500787-3000允許最大拉力50006000600020000允許最大壓力1000200020003000幾種光纜纜的相相關(guān)指標標10.5光纖特性測量量方法光纖的特性參參數(shù)很多，基基本上可分為為幾何特性、、光學(xué)特性和和傳輸特性三三類。幾何特性包括括纖芯與包層層的直徑、偏偏心度和不圓圓度；光學(xué)特性主要要有折射率分分布、數(shù)值孔孔徑、模場直直徑和截止波波長；傳輸特性主要要有損耗、帶帶寬和色散。。10.5.1損耗測量光纖損耗測量量有兩種基本本方法：一種種是測量通過過光纖的傳輸輸光功率，稱稱剪斷法和插入入法；另一種是測測量光纖的后后向散射光功功率，稱后向散射法。1.剪斷法光纖損耗系數(shù)數(shù)式中，L為被測光纖長長度(km)，P1和P2分別為輸入光光功率和輸出出光功率(mW或W)。圖2.21光功率和光纖纖長度的關(guān)系系只有在穩(wěn)態(tài)模模式分布的條條件下，才能能得到惟一代代表光纖本征征特性的α值。獲得穩(wěn)態(tài)模式式分布有三種種方法：(1)建立NAb≈Naf的光學(xué)系統(tǒng)；；(2)建立穩(wěn)態(tài)模式式模擬器，一一般包括擾擾模器和包包層模模消除器；(3)用一根性能和和被測光纖相相同或相似的的輔助光纖，，代替光纖耦耦合長度的作作用，這種方方法在現(xiàn)場應(yīng)應(yīng)用得非常方方便。圖10.22剪斷法光纖損損耗測量系統(tǒng)統(tǒng)框圖在實際應(yīng)用中中，可以采用用插入法作為為替代方法。。插入法是在在注入裝置的的輸出和光檢檢測器的輸入入之間直接連連接，測出光光功率P1，然后在兩者者之間插入被被測光纖，再再測出光功率率P2，據(jù)此計算α值。這種方法法可以根據(jù)工工作環(huán)境，靈靈活運用，但但應(yīng)對連接損損耗作合理的的修正。光纖損失測試試儀器1.光功率計計(OpticalPowerMeter)主要材料有Si或Ge或InGaAs三種.用來測試光的的功率,以dBm或mW表示.2.光源(OpticalLightSource)提供測試用的的參考光源,分為LED,LD(FP,DFB).一般LD光源強度為-4dBm~-10dBm之間.LED強度為-20dBm~-30dBm之間.區(qū)間損失測試試:光源+光功率計先將光源及光光功率計用光光纖跳接線連連接,將光功功率計歸零,再放置於兩兩端測試,即即可測試區(qū)間間損失,單位位為dB.Patchcordadaptor待測光纖雙向光纖測試試儀器光源及光功率率計做在同一一臺儀器內(nèi),做雙向測試試時,可避免免人力來回奔奔波.ToPowerMeterEndToPowerMeterEnd光源Powermeter光源PowermeterAB光纖顯微鏡測試光纖接接頭是否乾乾淨(jìng),可放放大至400倍.當(dāng)當(dāng)傳輸速率率愈來愈快快,565Mb/s2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s,如果光纖接接頭不乾淨(jìng)淨(jìng),將會影影響傳輸?shù)牡钠焚|(zhì).清潔工具:光纖清潔潔帶,無水水酒精,擦擦拭紙.

乾淨(jìng)清潔的端面

髒污的端面

損壞的端面

可調(diào)式光衰衰減器模擬光衰減減,可用於於製造,或或電信.接收端需裝裝置幾dB固定式光衰衰減器,使使其於在最最佳的光功功率下工作作.瑞利散射光光功率與傳傳輸光功率率成比例。。利用與傳傳輸光相反反方向的瑞瑞利散射光光功率來確確定光纖損損耗系數(shù)的的方法，稱稱為后向散散射法。設(shè)在光纖中中正向傳輸輸光功率為為P，經(jīng)過L1和L2點(L1<L2)時分別為P1和P2(P1>P2)，從這兩點點返回輸入入端(L=0)。光檢測測器的后向向散射光功功率分別為為Pd(L1)和Pd(L2)，經(jīng)分析推推導(dǎo)得到，，正向和反反向平均損損耗系數(shù)2.后向散射法法基于后向散散射光檢測測的OTDR原理圖式中右邊分分母中因子子2是光經(jīng)過正正向和反向向兩次傳輸輸產(chǎn)生的結(jié)結(jié)果。后向散射法法不僅可以以測量損耗耗系數(shù)，還還可利用光光在光纖中中傳輸?shù)臅r時間來確定定光纖的長長度L。顯然，式中，c為光速，n1為光纖的纖纖芯折射率率，t為光脈沖發(fā)發(fā)出到返回回的時間。。沿光纖長度度上的某一一點散射信信號的變化化，可以通通過OTDR方法獨立地地探測出來來，而不受受其他點散散射信號改改變的影響響。后向散射光光檢測波形形示意圖相對回波光功率初始脈沖作用點終端費涅爾回波長度Z圖2.23后向散射法法光纖損耗耗測量圖2.24后向散射功功率曲線的的示例(a)輸入端反射射區(qū)；(b)恒定斜率區(qū)區(qū)，用以以確定損耗耗系數(shù)；(c)連接器、接接頭或局局部缺陷引引起的損耗耗；(d)介質(zhì)缺陷(例如氣泡)引起的反射射；(e)輸出端反射射區(qū)，用以以確定光纖纖長度。用后向散射射法的原理理設(shè)計的測測量儀器稱稱為光時域域反射儀(OTDR)。這種儀器器采用單端端輸入和輸輸出，不破破壞光纖，，使用非非常方便。。OTDR不僅可以測測量光纖損損耗系數(shù)和和光纖長度度，還可以以測量連接接器和接頭頭的損耗，，觀察光纖纖沿線的均均勻性和確確定故障點點的位置，，確實是光光纖通信系系統(tǒng)工程現(xiàn)現(xiàn)場測量不不可缺少的的工具。OTDR:5PointSplice5點法測試損損失標點M3距離機房0.488km處損失0.24dBOTDR:Loss,Loss(LSA)連續(xù)測兩個個平均損失失標點M1至M3兩個點距離離4.677km損失2.10dB標點M3至M5兩個點距離離4.917km損失2.72dBOTDR:FixDlt(2PA)標點1與2間光纖損損失值標點M12.5.2帶寬測量光纖帶寬測測量有時域域和頻域兩兩種基本方方法。時域域法是測量量通過光纖纖的光脈沖沖產(chǎn)生的脈脈沖展寬，，又稱脈沖沖法；頻域域法是測量量通過光纖纖的頻率響響應(yīng)，又稱稱掃頻法。。兩種方法法是等效的的，這里里只介紹掃掃頻法。這這種方法通通常用于多多模光纖的的測量。設(shè)在測量系系統(tǒng)中，接接入一段短短光纖時，，測出的頻頻率響應(yīng)為為H1(f)，接入被測測長光纖時時，測出的的頻率響應(yīng)應(yīng)為H2(f)，則光纖頻頻率響應(yīng)H(f)和3dB光帶寬f3dB應(yīng)滿足下式式：|H(f3dB)|=寫成對數(shù)形形式：T(f)=10lg|(Hf3dB)|=10［lg|H2(f)|-lg|H1(f)|］=-3注意：由于于經(jīng)光檢測測器后，光光功率按比比例轉(zhuǎn)換為為電流(或電壓)，因此3dB光帶寬相應(yīng)應(yīng)于6dB電帶寬。圖圖2.25示出用對數(shù)數(shù)電平顯示示的頻率響響應(yīng)H1(f)、H2(f)和由兩曲線線相減得到到的光纖頻頻率響應(yīng)H(f)和6dB電帶寬。圖2.26示出掃頻法法光纖帶寬寬測量系統(tǒng)統(tǒng)的框圖。。掃頻儀輸輸出各種頻頻率的正弦弦信號，對對光源進行行直接光強強調(diào)制，輸輸出光經(jīng)光光纖傳輸和和光檢測后后，由選頻頻表直接獲獲得頻率響響應(yīng)。圖2.25光纖頻率響響應(yīng)和6dB電帶寬圖2.26掃頻法光纖纖帶寬測量量系統(tǒng)框光源應(yīng)采用用線性良好好、功率和和頻率穩(wěn)定定的激光器器，其調(diào)制制頻率上限限應(yīng)大于光光纖帶寬。。光檢測器器應(yīng)采用高高速光電二二極管，其其頻率響應(yīng)應(yīng)要與光源源調(diào)制頻率率相適應(yīng)。。頻譜分析析儀應(yīng)具有有良好的幅幅度—頻率率特特性性。。2.5.3色散散測測量量光纖纖色色散散測測量量有有相相移移法法、、脈脈沖沖時時延延法法和和干干涉涉法法等等。。這這里里只只介介紹紹相相移移法法，，這這種種方方法法是是測測量量單單模模光光纖纖色色散散的的基基準準方方法法。。用角角頻頻率率為為ω的正正弦弦信信號號調(diào)調(diào)制制的的光光波波，，經(jīng)經(jīng)長長度度為為L的單單模模光光纖纖傳傳輸輸后后，，其其時時間間延延遲遲τ取決決于于光光波波長長λ。不不同同時時間間延延遲遲產(chǎn)產(chǎn)生生不不同同的的相相位位φ。用用波波長長為為λ1和λ2的受受調(diào)調(diào)制制光光波波，，分分別別通通過過被被測測光光纖纖，，由由Δλλ=λλ2-λλ1產(chǎn)生生的的時時間間延延遲遲差差為為Δττ，相相位位移移為為Δφφ。根根據(jù)據(jù)式式(2.52)，長長度度為為L的光光纖纖總總色色散散為為C(λλ)L=用Δττ=ΔΔφφ/ωω代入入上上式式，，得得到到光