第5章 光纖光學(xué)課件光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)

第五章光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)限制光纖通信發(fā)展的三個重要因素：損耗：光在傳輸時引起能量的損耗，需中繼器進行能量補充，傳輸距離短；色散：作為載波的光脈沖脈寬展寬，引起碼間串?dāng)_，誤碼率增加造成失真；非線性：引起DWDM傳輸信道串?dāng)_。

1第五章光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)限制光纖通信發(fā)展的三個重要因§5.1光纖的損耗

重要數(shù)據(jù):0.5dB~0.9;1dB~0.8; 2dB~.6;3dB~0.5; 10dB~0.1 20dB~0.012§5.1光纖的損耗重要數(shù)據(jù):0.5dB~0.9光纖的損耗3光纖的損耗3§5.1.1光纖材料的吸收損耗

4§5.1.1光纖材料的吸收損耗455光纖的損耗譜6光纖的損耗譜6不斷拓展的光纖窗口波長2004年7不斷拓展的光纖窗口波長2004年7§5.1.2散射損耗

特點：不可能消除的損耗8§5.1.2散射損耗特點：不可能消除的損耗8散射損耗特點：非線性散射產(chǎn)生新的頻率分量機理：光新光波長+聲子散射9散射損耗特點：非線性散射產(chǎn)生新的§5.1.3光纖的彎曲損耗

物理機制光纖發(fā)生彎曲全反射條件破壞約束能力下降導(dǎo)摸轉(zhuǎn)化為輻射摸能量逸出光功率損失損耗分類10§5.1.3光纖的彎曲損耗物理機制光纖發(fā)生彎曲全反射條損耗機理x11損耗機理x11高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗小！12高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗??！121.宏彎損耗131.宏彎損耗132.過渡彎曲損耗直彎曲模場不匹配導(dǎo)摸與漏模之間相互耦合功率損失142.過渡彎曲損耗直彎曲模場損耗分析損耗的機理：由于光纖由“直”突然變“彎曲”或各段波導(dǎo)彎曲不一致,引起模場的不匹配,導(dǎo)致導(dǎo)模與漏模之間的相互耦合,并損失功率。損耗分析：等效折射率方法彎曲光纖中的場可以看成某一等效 折射率分布下直光纖彎曲光纖傳播常數(shù)產(chǎn)生相移exp(-ibLz)滿足波導(dǎo)場方程r增加導(dǎo)致ne(r)增加，場分布拓展導(dǎo)模向漏模轉(zhuǎn)化,引起功率泄漏造成“過渡損耗”。

損耗計算公式：15損耗分析損耗的機理：由于光纖由“直”突然變“彎曲”或各段波導(dǎo)3.微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場半徑W0,相對折射率差Δ和纖軸的畸變。經(jīng)驗公式：模場半徑W0的微小增加將引起微彎損耗的大幅度上升

163.微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場半徑W0,相隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率的平方增大決定了電中繼器之間的距離§5.2光纖的色散與帶寬模間色散(ModeDispersion)色度色散(CromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)17隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率色散定義

18色散定義18§5.2.1階躍型弱導(dǎo)光纖的色散

材料色散波導(dǎo)色散模間色散單色彌散19§5.2.1階躍型弱導(dǎo)光纖的色散材料色散波導(dǎo)色散模間色散1.材料色散纖芯材料折射率隨波長而變化，導(dǎo)致光信號不同波長承載的的光脈沖成份的傳播速度也隨波長而變化，使得光脈沖波形被展寬，稱之為材料色散。材料色散取決于折射率對波長的二階導(dǎo)數(shù)，亦即折射率隨波長的非線性變化。因此，不能說折射率隨波長變化就一定導(dǎo)致材料色散。201.材料色散纖芯材料折射率隨波長而變化，導(dǎo)致光信號不同波長群速度色散(GVD)正常色散區(qū):長波長光傳播塊，短波長光傳播慢!（負色散值）反常色散區(qū):短波長光傳播塊，長波長光傳播慢!（正色散值）正常色散區(qū)反常色散區(qū)21群速度色散(GVD)正常色散區(qū):長波長光傳播塊，短波長光G.652光纖的色散正色散光纖llonglshort22G.652光纖的色散正色散光纖llonglshort22.波導(dǎo)色散

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因為導(dǎo)模場分布實際上是在纖芯和包層中都存在的，因此光波群速度取決于兩者的比例。通常長波長光的場分布在包層中延伸更遠。因此長波長光“經(jīng)歷”的材料折射率更小，其群速度就會比短波長光更大一些。因此考慮波導(dǎo)色散，長波長光傳播快，短波長光傳播慢。232.波導(dǎo)色散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因為導(dǎo)模場分布實際上總色散24總色散24三種不同類型的單模光纖G.652單模光纖（NDSF）G.653單模光纖（DSF）G.655單模光纖（NZ-DSF）常規(guī)G.655大有效面積G.65525三種不同類型的單模光纖G.652單模光纖（NDSF）G.65G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長在1.3μm窗口的單模光纖，國際電信聯(lián)盟（ITU－T）把這種光纖規(guī)范為G.652光纖。其特點是當(dāng)工作波長在1.3μm時，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制。但這種光纖在1.3μm波段的損耗較大，約為0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的損耗較小，約為0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段為3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的損耗較大，約為20ps/nm·km。這種光纖可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干線系統(tǒng)，但由于在該波段的色散較大，若傳輸10Gb/s的信號，傳輸距離超過50公里時，就要求使用價格昂貴的色散補償模塊。

26G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長在1.3大多數(shù)已安裝的光纖低損耗大色散分布大有效面積色散受限距離短2.5Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約600km10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約34kmG.652+DCF方案升級擴容成本高結(jié)論:不適用于10Gb/s以上速率傳輸，但可應(yīng)用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652單模光纖的應(yīng)用27大多數(shù)已安裝的光纖G.652單模光纖的應(yīng)用27G.653單模光纖(DSF)針對衰減和零色散不在同一工作波長上的特點，20世紀(jì)80年代中期，人們開發(fā)成功了一種把零色散波長從1.3μm移到1.55μm的色散位移光纖（DSF，Dispersion－ShiftedFiber）。ITU把這種光纖的規(guī)范編為G.653。

然而，色散位移光纖在1.55μm色散為零，不利于多信道的WDM傳輸，用的信道數(shù)較多時，信道間距較小，這時就會發(fā)生四波混頻（FWM）導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_。如果光纖線路的色散為零，F(xiàn)WM的干擾就會十分嚴重；如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會減小。針對這一現(xiàn)象，人們研制了一種新型光纖，即非零色散光纖（NZ－DSF）G.655。28G.653單模光纖(DSF)針對衰減和零色散不在同一工作波長低損耗零色散小有效面積長距離、單信道超高速EDFA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問題，不利于DWDM技術(shù)結(jié)論:適用于10Gb/s以上速率單信道傳輸，但不適用于DWDM應(yīng)用，處于被市場淘汰的現(xiàn)狀。G.653單模光纖的應(yīng)用29低損耗零色散小有效面積G.653單模光纖的應(yīng)用2G.655單模光纖(NZ-DSF)針對色散位移光纖在1.55μm色散為零，會產(chǎn)生四波混頻，導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_，不利于多信道的WDM系統(tǒng)的問題，如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會減小。針對這一特點，人們研制了非零色散光纖（NZ－DSF）。非零色散光纖實質(zhì)上是一種改進的色散位移光纖，其零色散波長不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm處。非零色散光纖削減了色散效應(yīng)和四波混頻效應(yīng)，而標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散移位光纖都只能克服這兩種缺陷中的一種，所以非零色散光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散位移光纖最好的傳輸特性，既能用于新的陸上網(wǎng)絡(luò)，又可對現(xiàn)有系統(tǒng)進行升級改造，它特別適合于高密度WDM系統(tǒng)的傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。

30G.655單模光纖(NZ-DSF)針對色散位移光纖在1.55在1530－1565nm窗口有較低的損耗工作窗口較低的色散，一定的色散抑制了非線性效應(yīng)（四波混頻）的發(fā)生。可以有正的或負的色散——海底傳輸系統(tǒng)正色散SPM效應(yīng)壓縮脈沖，負色散SPM效應(yīng)展寬脈沖。為DWDM系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計的G.655單模光纖的應(yīng)用結(jié)論:適用于10Gb/s以上速率DWDM傳輸，是未來大容量傳輸，DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇。31在1530－1565nm窗口有較低的損耗G.655單模光纖的三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)32三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)323.模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時差Δτm產(chǎn)生原因來自于各個不同導(dǎo)模的群速不相同模間色散并不是由于頻率不同引起的,故稱其為"單色彌散"似乎更為合適333.模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時差Δ4.偏振模色散(PMD)基模兩個相互正交的偏振模的傳播速度不同導(dǎo)致光脈沖的展寬，稱之為偏振模色散.通常其大小為：0.5ps/nm/km.低速通信系統(tǒng)（10Gbps以下）通常不考慮PMD的影響.G.652光纖高速（10Gbps以上，例如40Gbps）長距離通信需要考慮PMD的影響，研究PMD補償技術(shù)。344.偏振模色散(PMD)基模兩個相互正交的偏振模的傳播速色散值計算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為: D

=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps對于1Gbps速率的光脈沖，脈寬約為1ns.如果脈沖展寬達到脈寬的20％，則系統(tǒng)將不能工作。上述情形顯然不適合于1Gbps速率，因為脈沖展寬已經(jīng)達到100％；但是對于155Mbps速率系統(tǒng)沒有問題，因為其脈沖寬度為6.5ns，20％的展寬為1300ps。如果采用線寬為300MHz的DFB激光器，在1Gbps調(diào)制速率下光譜被展寬2GHz，即光源譜寬為2,300MHz或.02nm(1500nm波長).則傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為:

D

=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps顯然這種情形下，1Gbps速率光通信系統(tǒng)沒有任何問題。35色散值計算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳哪些因素限制光通信傳輸距離？一光纖長220公里，已知光纖損耗為0.3dB/km，當(dāng)輸出光功率為2.5mW時，輸入光功率為多少？為什么光纖在1.55mm的波長損耗比1.3mm波長小?光纖的損耗能否降為零？為什么？三角形折射率分布光纖與平方率折射率分布光纖哪種波導(dǎo)色散大？為什么？簡述光纖中三種色散的機理。在什么條件下光纖的色散為零？課堂測驗(7)習(xí)題：5.4~5.1136課堂測驗(7)習(xí)題：5.4~5.1136色散值計算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為: D

=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps對于1Gbps速率的光脈沖，脈寬約為1ns.如果脈沖展寬達到脈寬的20％，則系統(tǒng)將不能工作。上述情形顯然不適合于1Gbps速率，因為脈沖展寬已經(jīng)達到100％；但是對于155Mbps速率系統(tǒng)沒有問題，因為其脈沖寬度為6.5ns，20％的展寬為1300ps。如果采用線寬為300MHz的DFB激光器，在1Gbps調(diào)制速率下光譜被展寬2GHz，即光源譜寬為2,300MHz或.02nm(1500nm波長).則傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為:

D

=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps顯然這種情形下，1Gbps速率光通信系統(tǒng)沒有任何問題。37色散值計算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳§5.3單模光纖模場半徑

模場半徑是單模光纖的一個極為重要的參數(shù)。由模場半徑可以導(dǎo)出等效階躍光纖的構(gòu)成參數(shù),還可估算單模光纖的連接損耗、彎曲損耗以及微彎損耗和光纖的色散值,因而被稱之為單模光纖的萬用參數(shù)。單模光纖的模場半徑不僅因測量方法的不同而異,而且還受模場半徑定義的影響。已提出多種模場半徑的定義,應(yīng)用較廣泛的有:(1)功率傳輸函數(shù)定義模場半徑wT;(2)最大激發(fā)效率定義模場半徑wη;(3)近場二階矩定義模場半徑wrms;(4)遠場二階矩定義模場半徑wL。38§5.3單模光纖模場半徑模場半徑是單模光纖的一個極為重功率傳輸函數(shù)定義模場半徑wT39功率傳輸函數(shù)定義模場半徑wT394040最大激發(fā)效率定義模場半徑Wη當(dāng)以場分布為g(r)的光源激發(fā)單模光纖時,激發(fā)效率(耦合效率)η以及不重疊度ξ可分別表示為:

f(r)是光纖的近場分布;G(q)和F(q)分別是光源和光纖的遠場分布;q＝sinθ/λ0

定義g(r)為高斯分布函數(shù):41最大激發(fā)效率定義模場半徑Wη當(dāng)以場分布為g(r)的光源激發(fā)單確定Wη的四種數(shù)學(xué)等效方法測出光纖的近場分布f(r),改變高斯函數(shù)的WG使η為最大,此時WG即為Wη;測出f(r),改變WG使ξ為最小,此時的WG亦為Wη;測出光纖的遠場分布F(q),改變WG使η為最大,此時WG為Wη;測出F(q),改變WG使ξ為最小,亦可求得Wη。42確定Wη的四種數(shù)學(xué)等效方法測出光纖的近場分布f(r),改變高模場半徑的其它定義43模場半徑的其它定義43模場半徑定義的比較44模場半徑定義的比較44§5.4單模光纖截止波長

(樣品光纖長度取2米)45§5.4單模光纖截止波長(樣品光纖長度取2米)45§5.5光纖參數(shù)測試技術(shù)

光纖損耗（譜）折射率分布帶寬(色散與基帶頻率響應(yīng))*數(shù)值孔徑模場直徑截止波長幾何參數(shù)*46§5.5光纖參數(shù)測試技術(shù)光纖損耗（譜）46ITU-T建議的測試方法表2.7－1┌─────┬─────────┬───────────┐│參數(shù)│RTM│ATM│├─────┼─────────┼───────────┤│衰減系數(shù)│切斷法│插入損耗法;背向散射法││折射率分布│折射近場法│近場法││基帶響應(yīng)│時域法;頻域法│││色散系數(shù)│相移法;脈沖時延法│││數(shù)值孔徑│折射近場法│遠場法││模場直徑│(無)│傳輸場法;橫向偏移法││截止波長│傳導(dǎo)功率法│模場直徑與波長關(guān)系法│└─────┴─────────┴───────────┘

RTM:基準(zhǔn)測試方法 ATM:替代測試方法47ITU-T建議的測試方法表2.7－147§5.5.1注入條件與穩(wěn)態(tài)分布48§5.5.1注入條件與穩(wěn)態(tài)分布48擾模器

、濾模器和包層模剝除器49擾模器

、濾模器和包層模剝除器49§5.5.2損耗的測量50§5.5.2損耗的測量5051515252§5.5.3折射率分布的測量1.折射率近場法根據(jù)光纖折射光(輻射模)功率與折射率n(r)成正比而建立起來的測試方法。測量方法:利用透鏡將光束會聚成很小的光點入射光纖端面,入射最大角θ‘max由輸入光欄控制,θ’max遠大于光纖數(shù)值孔徑角,以在光纖中激勵起導(dǎo)模、漏模和輻射模;將光纖的一端浸入折射率匹配液盒之中,可使部分漏模與輻射模逸出光纖,形成一個空心光錐;利用一個遮光盤擋住漏模光,同時限定折射角θ“min,由探測器接收輻射模功率P(r)53§5.5.3折射率分布的54542.近場掃描法該方法比折射近場法要差一些552.近場掃描法該方法比折射近場法要差一些553.端面反射法

工作原理：基于端面菲涅爾反射的功率反射系數(shù)R和折射率n(r)有著確定的關(guān)系，通過測試R或反射功率P(r)來確定n(r)：563.端面反射法工作原理：基于端面菲涅爾反射的功率反射系數(shù)§5.5.4

帶寬測量*1.脈沖展寬測量*57§5.5.4帶寬測量*1.脈沖展寬測量*572.色散的測量*582.色散的測量*585959§5.5.5數(shù)值孔徑的測量(4.90)式60§5.5.5數(shù)值孔徑的測量(4.90)式606161§5.5.6模場半徑的測量1.橫向偏移法62§5.5.6模場半徑的測量1.橫向偏移法62§5.5.7截止波長的測量63§5.5.7截止波長的測量6364646565哪些因素限制光通信傳輸距離？一光纖長220公里，已知光纖損耗為0.3dB/km，當(dāng)輸出光功率為2.5mW時，輸入光功率為多少？為什么光纖在1.55mm的波長損耗比1.3mm波長小?光纖的損耗能否降為零？為什么？三角形折射率分布光纖與平方率折射率分布光纖哪種波導(dǎo)色散大？為什么？簡述光纖中三種色散的機理。在什么條件下光纖的色散為零？什么叫模場的“穩(wěn)態(tài)分布”?簡述OTDR的工作原理。簡述折射近場法的工作原理。簡述時域法和頻域法的工作原理。課堂測驗(7)習(xí)題：5.4~5.11；5.18~5.2366課堂測驗(7)習(xí)題：5.4~5.11；5.18~5.236第五章光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)限制光纖通信發(fā)展的三個重要因素：損耗：光在傳輸時引起能量的損耗，需中繼器進行能量補充，傳輸距離短；色散：作為載波的光脈沖脈寬展寬，引起碼間串?dāng)_，誤碼率增加造成失真；非線性：引起DWDM傳輸信道串?dāng)_。

67第五章光纖的特征參數(shù)與測試技術(shù)限制光纖通信發(fā)展的三個重要因§5.1光纖的損耗

重要數(shù)據(jù):0.5dB~0.9;1dB~0.8; 2dB~.6;3dB~0.5; 10dB~0.1 20dB~0.0168§5.1光纖的損耗重要數(shù)據(jù):0.5dB~0.9光纖的損耗69光纖的損耗3§5.1.1光纖材料的吸收損耗

70§5.1.1光纖材料的吸收損耗4715光纖的損耗譜72光纖的損耗譜6不斷拓展的光纖窗口波長2004年73不斷拓展的光纖窗口波長2004年7§5.1.2散射損耗

特點：不可能消除的損耗74§5.1.2散射損耗特點：不可能消除的損耗8散射損耗特點：非線性散射產(chǎn)生新的頻率分量機理：光新光波長+聲子散射75散射損耗特點：非線性散射產(chǎn)生新的§5.1.3光纖的彎曲損耗

物理機制光纖發(fā)生彎曲全反射條件破壞約束能力下降導(dǎo)摸轉(zhuǎn)化為輻射摸能量逸出光功率損失損耗分類76§5.1.3光纖的彎曲損耗物理機制光纖發(fā)生彎曲全反射條損耗機理x77損耗機理x11高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗??！78高階模彎曲損耗大、低階模彎曲損耗??！121.宏彎損耗791.宏彎損耗132.過渡彎曲損耗直彎曲模場不匹配導(dǎo)摸與漏模之間相互耦合功率損失802.過渡彎曲損耗直彎曲模場損耗分析損耗的機理：由于光纖由“直”突然變“彎曲”或各段波導(dǎo)彎曲不一致,引起模場的不匹配,導(dǎo)致導(dǎo)模與漏模之間的相互耦合,并損失功率。損耗分析：等效折射率方法彎曲光纖中的場可以看成某一等效 折射率分布下直光纖彎曲光纖傳播常數(shù)產(chǎn)生相移exp(-ibLz)滿足波導(dǎo)場方程r增加導(dǎo)致ne(r)增加，場分布拓展導(dǎo)模向漏模轉(zhuǎn)化,引起功率泄漏造成“過渡損耗”。

損耗計算公式：81損耗分析損耗的機理：由于光纖由“直”突然變“彎曲”或各段波導(dǎo)3.微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場半徑W0,相對折射率差Δ和纖軸的畸變。經(jīng)驗公式：模場半徑W0的微小增加將引起微彎損耗的大幅度上升

823.微彎曲損耗單模光纖微彎損耗,主要取決于模場半徑W0,相隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率的平方增大決定了電中繼器之間的距離§5.2光纖的色散與帶寬模間色散(ModeDispersion)色度色散(CromaticDispersion)偏振色散(PolarizationModeDispersion)83隨著光脈沖在光纖中傳輸，脈沖的寬度被展寬劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率色散定義

84色散定義18§5.2.1階躍型弱導(dǎo)光纖的色散

材料色散波導(dǎo)色散模間色散單色彌散85§5.2.1階躍型弱導(dǎo)光纖的色散材料色散波導(dǎo)色散模間色散1.材料色散纖芯材料折射率隨波長而變化，導(dǎo)致光信號不同波長承載的的光脈沖成份的傳播速度也隨波長而變化，使得光脈沖波形被展寬，稱之為材料色散。材料色散取決于折射率對波長的二階導(dǎo)數(shù)，亦即折射率隨波長的非線性變化。因此，不能說折射率隨波長變化就一定導(dǎo)致材料色散。861.材料色散纖芯材料折射率隨波長而變化，導(dǎo)致光信號不同波長群速度色散(GVD)正常色散區(qū):長波長光傳播塊，短波長光傳播慢!（負色散值）反常色散區(qū):短波長光傳播塊，長波長光傳播慢!（正色散值）正常色散區(qū)反常色散區(qū)87群速度色散(GVD)正常色散區(qū):長波長光傳播塊，短波長光G.652光纖的色散正色散光纖llonglshort88G.652光纖的色散正色散光纖llonglshort22.波導(dǎo)色散

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因為導(dǎo)模場分布實際上是在纖芯和包層中都存在的，因此光波群速度取決于兩者的比例。通常長波長光的場分布在包層中延伸更遠。因此長波長光“經(jīng)歷”的材料折射率更小，其群速度就會比短波長光更大一些。因此考慮波導(dǎo)色散，長波長光傳播快，短波長光傳播慢。892.波導(dǎo)色散波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響光波群速度，因為導(dǎo)模場分布實際上總色散90總色散24三種不同類型的單模光纖G.652單模光纖（NDSF）G.653單模光纖（DSF）G.655單模光纖（NZ-DSF）常規(guī)G.655大有效面積G.65591三種不同類型的單模光纖G.652單模光纖（NDSF）G.65G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長在1.3μm窗口的單模光纖，國際電信聯(lián)盟（ITU－T）把這種光纖規(guī)范為G.652光纖。其特點是當(dāng)工作波長在1.3μm時，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受光纖衰減所限制。但這種光纖在1.3μm波段的損耗較大，約為0.3dB/km～0.4dB/km；在1.55μm波段的損耗較小，約為0.2dB/km～0.25dB/km。色散在1.3μm波段為3.5ps/nm·km，在1.55μm波段的損耗較大，約為20ps/nm·km。這種光纖可支持用于在1.55μm波段的2.5Gb/s的干線系統(tǒng)，但由于在該波段的色散較大，若傳輸10Gb/s的信號，傳輸距離超過50公里時，就要求使用價格昂貴的色散補償模塊。

92G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖

標(biāo)準(zhǔn)單模光纖是指零色散波長在1.3大多數(shù)已安裝的光纖低損耗大色散分布大有效面積色散受限距離短2.5Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約600km10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約34kmG.652+DCF方案升級擴容成本高結(jié)論:不適用于10Gb/s以上速率傳輸，但可應(yīng)用于2.5Gb/s以下速率的DWDM。G.652單模光纖的應(yīng)用93大多數(shù)已安裝的光纖G.652單模光纖的應(yīng)用27G.653單模光纖(DSF)針對衰減和零色散不在同一工作波長上的特點，20世紀(jì)80年代中期，人們開發(fā)成功了一種把零色散波長從1.3μm移到1.55μm的色散位移光纖（DSF，Dispersion－ShiftedFiber）。ITU把這種光纖的規(guī)范編為G.653。

然而，色散位移光纖在1.55μm色散為零，不利于多信道的WDM傳輸，用的信道數(shù)較多時，信道間距較小，這時就會發(fā)生四波混頻（FWM）導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_。如果光纖線路的色散為零，F(xiàn)WM的干擾就會十分嚴重；如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會減小。針對這一現(xiàn)象，人們研制了一種新型光纖，即非零色散光纖（NZ－DSF）G.655。94G.653單模光纖(DSF)針對衰減和零色散不在同一工作波長低損耗零色散小有效面積長距離、單信道超高速EDFA系統(tǒng)四波混頻（FWM）是主要的問題，不利于DWDM技術(shù)結(jié)論:適用于10Gb/s以上速率單信道傳輸，但不適用于DWDM應(yīng)用，處于被市場淘汰的現(xiàn)狀。G.653單模光纖的應(yīng)用95低損耗零色散小有效面積G.653單模光纖的應(yīng)用2G.655單模光纖(NZ-DSF)針對色散位移光纖在1.55μm色散為零，會產(chǎn)生四波混頻，導(dǎo)致信道間發(fā)生串?dāng)_，不利于多信道的WDM系統(tǒng)的問題，如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會減小。針對這一特點，人們研制了非零色散光纖（NZ－DSF）。非零色散光纖實質(zhì)上是一種改進的色散位移光纖，其零色散波長不在1.55μm，而是在1.525μm或1.585μm處。非零色散光纖削減了色散效應(yīng)和四波混頻效應(yīng)，而標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散移位光纖都只能克服這兩種缺陷中的一種，所以非零色散光纖綜合了標(biāo)準(zhǔn)光纖和色散位移光纖最好的傳輸特性，既能用于新的陸上網(wǎng)絡(luò)，又可對現(xiàn)有系統(tǒng)進行升級改造，它特別適合于高密度WDM系統(tǒng)的傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質(zhì)。

96G.655單模光纖(NZ-DSF)針對色散位移光纖在1.55在1530－1565nm窗口有較低的損耗工作窗口較低的色散，一定的色散抑制了非線性效應(yīng)（四波混頻）的發(fā)生。可以有正的或負的色散——海底傳輸系統(tǒng)正色散SPM效應(yīng)壓縮脈沖，負色散SPM效應(yīng)展寬脈沖。為DWDM系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計的G.655單模光纖的應(yīng)用結(jié)論:適用于10Gb/s以上速率DWDM傳輸，是未來大容量傳輸，DWDM系統(tǒng)用光纖的理想選擇。97在1530－1565nm窗口有較低的損耗G.655單模光纖的三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)98三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)323.模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時差Δτm產(chǎn)生原因來自于各個不同導(dǎo)模的群速不相同模間色散并不是由于頻率不同引起的,故稱其為"單色彌散"似乎更為合適993.模間色散在多模光纖中,脈沖展寬主要決定于多模群延時差Δ4.偏振模色散(PMD)基模兩個相互正交的偏振模的傳播速度不同導(dǎo)致光脈沖的展寬，稱之為偏振模色散.通常其大小為：0.5ps/nm/km.低速通信系統(tǒng)（10Gbps以下）通常不考慮PMD的影響.G.652光纖高速（10Gbps以上，例如40Gbps）長距離通信需要考慮PMD的影響，研究PMD補償技術(shù)。1004.偏振模色散(PMD)基模兩個相互正交的偏振模的傳播速色散值計算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為: D

=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps對于1Gbps速率的光脈沖，脈寬約為1ns.如果脈沖展寬達到脈寬的20％，則系統(tǒng)將不能工作。上述情形顯然不適合于1Gbps速率，因為脈沖展寬已經(jīng)達到100％；但是對于155Mbps速率系統(tǒng)沒有問題，因為其脈沖寬度為6.5ns，20％的展寬為1300ps。如果采用線寬為300MHz的DFB激光器，在1Gbps調(diào)制速率下光譜被展寬2GHz，即光源譜寬為2,300MHz或.02nm(1500nm波長).則傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為:

D

=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps顯然這種情形下，1Gbps速率光通信系統(tǒng)沒有任何問題。101色散值計算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳哪些因素限制光通信傳輸距離？一光纖長220公里，已知光纖損耗為0.3dB/km，當(dāng)輸出光功率為2.5mW時，輸入光功率為多少？為什么光纖在1.55mm的波長損耗比1.3mm波長小?光纖的損耗能否降為零？為什么？三角形折射率分布光纖與平方率折射率分布光纖哪種波導(dǎo)色散大？為什么？簡述光纖中三種色散的機理。在什么條件下光纖的色散為零？課堂測驗(7)習(xí)題：5.4~5.11102課堂測驗(7)習(xí)題：5.4~5.1136色散值計算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為: D

=17ps/nm/km×6nm×10km=1020ps對于1Gbps速率的光脈沖，脈寬約為1ns.如果脈沖展寬達到脈寬的20％，則系統(tǒng)將不能工作。上述情形顯然不適合于1Gbps速率，因為脈沖展寬已經(jīng)達到100％；但是對于155Mbps速率系統(tǒng)沒有問題，因為其脈沖寬度為6.5ns，20％的展寬為1300ps。如果采用線寬為300MHz的DFB激光器，在1Gbps調(diào)制速率下光譜被展寬2GHz，即光源譜寬為2,300MHz或.02nm(1500nm波長).則傳輸10公里距離，色散脈沖展寬值為:

D

=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4ps顯然這種情形下，1Gbps速率光通信系統(tǒng)沒有任何問題。103色散值計算標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，普通激光二極管光譜寬度6nm，傳§5.3單模光纖模場半徑

模場半徑是單模光纖的一個極為重要的參數(shù)。由模場半徑可以導(dǎo)出等效階躍光纖的構(gòu)成參數(shù),還可估算單模光纖的連接損耗、彎曲損耗以及微彎損耗和光纖的色散值,因而被稱之為單模光纖的萬用參數(shù)。單模光纖的模場半徑不僅因測量方法的不同而異,而且還受模場半徑定義的影響。已提出多種模場半徑的定義,應(yīng)用較廣泛的有:(1)功率傳輸函數(shù)定義模場半徑wT;(2)最大激發(fā)效率定義模場半徑wη;(3)近場二階矩定義模場半徑wrms;(4)遠場二階矩定義模場半徑wL。104§5.3單模光纖模場半徑模場半徑是單模光纖的一個極為重功率傳輸函數(shù)定義模場半徑wT105功率傳輸函數(shù)定義模場半徑wT3910640最大激發(fā)效率定義模場半徑Wη當(dāng)以場分布為g(r)的光源激發(fā)單模光纖時,激發(fā)效率(耦合效率)η以及不重疊度ξ可分別表示為:

f(r)是光纖的近場分布;G(q)和F(q)分別是光源和光纖的遠場分布;q＝sinθ/λ0

定義g(r)為高斯分布函數(shù):107最大激發(fā)效率定義模場半徑Wη當(dāng)以場分布為g(r)的光源激發(fā)單確定Wη的四種數(shù)學(xué)等效方法測出光纖的近場分布f(r),改變高斯函數(shù)的WG使η為最大,此時WG即為Wη;測出f(r),改變WG使ξ為最小,此時的WG亦為Wη;測出光纖的遠場分布F(q),改變WG使η為最大,此時WG為Wη;測出F(q),改變WG使ξ為最小,亦可求得Wη。108確定Wη的四種數(shù)學(xué)等效方法測出光纖的近場分布f(r),改變高模場半徑的其它定義109模場半徑的其它定義43模場半徑定義的比較110模場半徑定義的比較44§5.4單模光纖截止波長

(樣品光纖長度取2米)111§5.4單模光纖截止波長(樣品光纖長度取2米)45§5.5光纖參數(shù)測試技術(shù)

光纖損耗（譜）折射率分布帶寬(色散與基帶頻率響應(yīng))*數(shù)值孔徑模場直徑截止波長幾何參數(shù)*112§5.5光纖參數(shù)測試技術(shù)光纖損耗（譜）46ITU-T建議的測試方法表2.7－1┌─────┬─────────┬───────────┐│參數(shù)│RTM│ATM│├─────┼─────────┼───────────┤│衰減系數(shù)│切斷法│插入損耗法;背向散射法││折射率分布│折射近場法│近場法