光纖通信光纖

第2章光纖及其特性1光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和分類光纖的導(dǎo)光原理光纖的模式理論光纖的損耗光纖的色散光纖的色散對光脈沖傳輸?shù)挠绊懛蔷€性效應(yīng)常用光纖2023/2/122.1光纖、光纜的結(jié)構(gòu)及分類1、光纖的結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體自內(nèi)向外為纖芯、包層和涂覆層纖芯、包層----裸光纖纖芯、包層+涂覆層----芯線纖芯、包層----光學(xué)區(qū)涂覆層----保護區(qū)材料：SiO2纖芯n1

>包層n2纖芯:SiO2+GeO2(P2O5)

包層:SiO2+B2O5(F)涂覆層包括一次涂覆、緩沖層和二次涂覆，保護光纖不受水汽的侵蝕和機械的擦傷，增加光纖的柔韌性，起著延長光纖壽命的作用。2023/2/132、光纖的分類1）按制造光纖所使用的材料分：石英光纖、全塑光纖、液芯光纖2）按工作波長分:

短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖3）根據(jù)光纖中傳輸模式分：單模光纖、多模光纖4）根據(jù)折射率在橫截面上的分布形狀劃分階躍型光纖StepIndexSI

漸變型(梯度型)光纖GragedIndexGI2023/2/142023/2/15實用光纖主要有三種基本類型：單模光纖（Single-ModeFiber,SMF）階躍型折射率多模光纖（Step-IndexFiber,SIF）

漸變型折射率多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）

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。2023/2/16光纖類型SM

Single-ModeMM-SIMulti-ModeStepIndexMM-GIMulti-ModeGradedIndex2023/2/17

典型特種單模光纖

(a)雙包層；(b)三角芯；(c)橢圓芯

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)和折射率分布示于下圖，這些光纖的特征如下：

雙包層光纖

色散平坦光纖（DispersionFlattenedFiber,DFF）

色散移位光纖（DispersionShiftedFiber,DSF）零色散點移到1550nm處

三角芯光纖

改進型的色散移位光纖

橢圓芯光纖

雙折射光纖或偏振保持光纖。2023/2/182023/2/19各類型光纖的主要用途：

突變型多模光纖只能用于小容量短距離系統(tǒng)。

漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。

單模光纖用在大容量長距離的系統(tǒng)。特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平：

1.55mm色散移位光纖實現(xiàn)了10Gb/s容量的100km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。

偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)，這種系統(tǒng)最大優(yōu)點是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。2023/2/1103、光纜提純?nèi)サ艄饫w原料中的雜質(zhì)，以降低雜質(zhì)吸收。工藝流程：光纖的制造工藝制棒將提純后的材料合成一定折射率分布的預(yù)制棒。（制棒）拉絲將預(yù)制棒拉制成原折射率分布的光纖。套塑為保證光纖的機械性能將光纖涂覆層外加一層熱塑材料。成纜2023/2/111目的：去掉光纖原料中的雜質(zhì)，以降低雜質(zhì)吸收。方法：精餾——吸附——精餾精餾塔活性吸附物質(zhì)二級精餾活性吸附物質(zhì)精料槽

SiCl4HO-Cu2+_氧化鋁或活性硅膠SiCl4材料提純2023/2/112熔煉方法：MCVD法（改進的化學(xué)汽相沉積法）BELLPCVD法（等離子激活化學(xué)汽相沉積法）PHILIPSVAD法（汽相軸向沉積法）NTTOVD法（管外汽相沉積法）CORNINGAPVD法（等離子化學(xué)汽相沉積法）ALCATEL目的：將提純后的材料通過物理與化學(xué)的方法合成一定折射率分布光纖預(yù)制棒。折射率分布通過控制摻雜濃度實現(xiàn)。2023/2/113MCVD法（改進的化學(xué)汽相沉積法）

制作的單模光纖，損耗可達0.2~0.3dB/km。且屬于內(nèi)沉積工藝，可精確的控制徑向折射率的分布?；瘜W(xué)反應(yīng)方程2023/2/114外部汽相沉積法（OVD）

基棒由石墨石英或氧化鉛做成，從噴管出來的SiO2粉塵在旋轉(zhuǎn)并移動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，并置于固化爐，高溫脫水固化，制成潔凈的玻璃基棒。要求環(huán)境清潔，嚴格脫水，可以制作損耗為0.16dB/km的單模光纖，幾乎接近石英光纖在1.55mm窗口的理論損耗0.15dB/km。O2+SiCl4SiO2粉塵沉積層基棒2023/2/115拉絲目的：將具有一定的折射率分布的預(yù)制棒拉制成折射率分布不變的光纖。123467891---光纖預(yù)制棒2---高溫爐3---測溫儀4---爐溫控制5---激光測徑儀6---調(diào)速系統(tǒng)7---涂覆器8---固化爐9---收絲輪52023/2/116套塑目的：增強光纖的機械性能。光纖一次涂覆二次涂覆層緩沖層松套管油膏2023/2/117光纖通信用的光纖都經(jīng)過了一次涂覆和二次涂覆的處理，經(jīng)過涂覆后的光纖雖然已具有了一定的抗張強度，但還是經(jīng)不起施工中的彎折、扭曲和側(cè)壓等外力作用，為了使光纖能在各種環(huán)境中使用，必須把光纖與其他元件組合起來構(gòu)成光纜，使其具有良好的傳輸性能以及抗拉、抗沖擊、抗彎、抗扭曲等機械性能。成纜對光纜的要求1、機械性能好：保證光纖經(jīng)得起拉伸、沖擊、彎曲等影響。2、防護性能好：使光纖防水，防潮，防鼠，防雷，防腐。3、傳輸性能好：避免工程中帶來的附加損耗或色散。2023/2/1182、光纜護套一般由塑料材料制造，保護纜芯不受機械外力和環(huán)境的影響。PVC（聚氯乙烯）3、防潮層光纖非常怕水，一般用密封鋁制金屬或阻水紗防潮。4、填料防止水氣進入。要求：抗水性好，溫度性能好，無毒，不易燃。5、鎧裝增加機械強度，防鼠，防蟲，防人為損傷。1、加強件加強件一般由鋼絲或增強塑料嵌在光纖中，用以承受拉伸負荷。（集中式加強件，分散式加強件）光纜的基本結(jié)構(gòu)2023/2/119光纜的分類1.按成纜光纖的類型：多模和單模光纖光纜2.按纜芯結(jié)構(gòu)：層絞式、骨架式、中心束管式和帶狀式3.按加強件和護層結(jié)構(gòu)：金屬、非金屬、鎧裝和全介質(zhì)4.按使用場合：長途/室外、室內(nèi)、海底/水下5.按鋪設(shè)方法：架空、管道、直埋和水下光纜2023/2/120光纖的典型結(jié)構(gòu)光纖油膏加強件護套松套管中心管式光纜----套管式光纜是將數(shù)根一次涂覆的光纖放入同一根塑料管中，管中填充油膏，光纖浮在油膏中。套管式光纜的結(jié)構(gòu)合理、重量輕、體積小、價格便宜。2023/2/121層絞式結(jié)構(gòu)光纜加強芯纖芯套塑填充料防潮層內(nèi)護套鎧裝外護套----層絞式光纜是將若干根光纖芯線以加強元件為中心絞合在一起的一種結(jié)構(gòu)，制作簡單，工藝成熟。2023/2/122光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖2023/2/1232023/2/1242.2光纖導(dǎo)光原理光纖導(dǎo)光原理的分析方法：射線理論，幾何光學(xué)法波動理論、模式理論1、Snell定律折射定律一、SI光纖射線分析反射定律2023/2/125nnBn1c22n1>n2

基于光在纖芯-包層界面處的全反射以之字形式沿光纖軸向傳播

入射角θ

<臨界角

c:

入射角θ>臨界角

c:

光將很快從光纖中折射泄漏出去，無法長距離傳輸.光可由于全反射而被限制在光纖纖芯中，以之字方式沿光纖傳輸2023/2/126非子午面光線2023/2/127子午射線斜射線光線沿光纖軸向傳播路徑光線傳播路徑在垂直于光纖軸的平面上的投影2023/2/128Snell定律臨界角臨界角對應(yīng)的入纖角amax，即捕光角2、捕光角和數(shù)值孔徑2023/2/129捕光角amax2023/2/1302023/2/131相對折射率差2023/2/132數(shù)值孔徑NumericalApertureNANA表示光纖接收和傳輸光的能力。NA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；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，限制了信息傳輸容量。

2023/2/1333、模式和時延差傳導(dǎo)模輻射模2023/2/134模式光程時延2023/2/135最大時延差兩條路徑L和L數(shù)值孔徑2023/2/136脈沖展寬：不引起碼間干擾的脈沖間隔：碼元速率（帶寬）：TTTT2023/2/137提高帶寬的方法：例：有一個SI多模光纖，求光脈沖傳1公里的脈沖擴展和最大比特率。解：1）減少模式的最大時延差－－采用GI光纖2）只允許一個模式傳輸－－單模光纖2023/2/138n3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a二、GI光纖射線分析g=2

拋物線型2023/2/1392023/2/140光線在介質(zhì)中的傳輸軌跡用射線方程表示式中：是軌跡上某一點的位置矢量；s為射線的傳輸軌跡；ds是沿軌跡的距離單元，▽n表示折射率的梯度。

將射線方程應(yīng)用到光纖的圓柱坐標中，討論近軸子午光線，即和光纖軸線夾角很小，可近似認為平行于光纖軸線(z軸)的子午光線。式中r是射線離開軸線的徑向距離。由于光纖中的折射率僅以徑向變化，沿圓周方向和z軸方向是不變的。因此，對于近軸子午光線，射線方程可簡化為：2023/2/141對折射率為平方律（g=2）分布的光纖對近軸光線，2023/2/1422023/2/143漸變型光纖中光線的傳播2023/2/144更嚴格的分析發(fā)現(xiàn)，模間色散，即最大時延差Dt是隨g變化的。最小色散發(fā)生在此時漸變光纖模間色散和BL積隨g的變化利用BDT<1,則BL<8c/(n1D2)。優(yōu)化設(shè)計的漸變光纖，數(shù)據(jù)以100Mb/s的數(shù)率傳輸100km，其BL積達約10(Gb/s)?km，比階躍光纖提高了3個數(shù)量級。2023/2/145幾何光學(xué)波動理論使用條件l

<<dl~d適用光纖多模光纖單模等各種光纖基本方程射線方程波動方程研究內(nèi)容光線軌跡模式分布2.3光纖的模式理論2023/2/146光是電磁波，用波動理論來分析電磁場的分布，為了獲得更準確的光纖的傳輸特性，必須從麥克斯韋方程組出發(fā)：光纖不是電的導(dǎo)體，不存在電流，電流密度J=0。光纖中不存在自由電荷，所以電荷體密度

r=0。E：電場強度；H：磁場強度；D：電通量密度；B：磁通量密度。對于無源的、各向同性的介質(zhì)，有：2023/2/147由方程組可以得到確定電磁場波動關(guān)系特性的關(guān)系式，即矢量亥姆霍茲方程2023/2/1482023/2/1492023/2/150

利用光纖的圓柱對稱性，可將波動方程寫成圓柱坐標的形式，電場的z

分量Ez的波動方程為：用分離變量法求解：2023/2/1512023/2/152諧方程Bessel方程場沿圓周角方向的分布情況，因為場隨j必須以2p為周期變化，所以m為整數(shù)。對于bessel方程，需要根據(jù)bessel函數(shù)解的特性以及光波在光纖中的物理性質(zhì)來選擇纖芯和包層中的解。2023/2/1531.當令2.當令2023/2/154在纖芯中要求具有振蕩特性。在包層中要求具有衰減特性。對于突變型光纖：0≤r≤ar>a2023/2/155B=02023/2/156D=02023/2/157在纖芯中（0≤r≤a）在包層中（r>a）所以傳播常數(shù)必須滿足的條件是2023/2/1582023/2/159在纖芯中在包層中2023/2/1602023/2/1612023/2/1622023/2/1632023/2/164A和B為待定常數(shù)，由激勵條件確定。u和w決定纖芯和包層橫向(r)電磁場的分布，稱為橫向傳輸常數(shù)；b決定縱向(z)電磁場分布和傳輸性質(zhì)，稱為縱向傳輸常數(shù)。光纖傳輸模式的電磁場分布和性質(zhì)取決于特征參數(shù)u、w和β的值。為了確定光纖傳輸模式的電磁場分布和傳輸性質(zhì)，必須求得u,w和β的值。2023/2/165先推導(dǎo)u、w、b滿足的方程歸一化頻率對于確定的光源和光纖，l，a，n1和n2是已知的。2023/2/166下面由邊界條件得到u和w的另一關(guān)系弱導(dǎo)近似2023/2/167給定V值，代入求u、w——傳播常數(shù)b

的特征方程。分3種情況求解聯(lián)立的超越方程：1）2）3）光纖中的模式：混合模2023/2/168m是確定bessel函數(shù)的參變量，m取不同的值，代表了不同的模式，所以只有b

一個未知數(shù)，它是表征光波傳播特性的重要參數(shù)。

因無法導(dǎo)出b

的解析表達式，所以只能數(shù)值求解。

特征方程的解的一個重要結(jié)論：電磁場不是以連續(xù)的、而是以離散的模式在光纖中傳播。對每一個m值，存在多個解，記為bmn，每一個bmn對應(yīng)由前面公式確定的、能在光纖中傳播的光場的一個空間分布。2023/2/169模式：bmn所對應(yīng)的這種空間分布，在傳播過程中只有相位變化，沒有形狀的變化，且始終滿足邊界條件，這種空間分布稱為模式。進入光纖的光分解成稱為“模式”的離散光束，模式是在光纖內(nèi)部存在的、穩(wěn)定的電磁場模型。每個模式可認為是以特定傳播角傳播的一個獨立光束。以不同角度入射到光纖的射線將形成光纖中不同的模式。一個模式由bmn

唯一確定。2023/2/170MM-SIMulti-ModeStepIndex完全沿著光纖中心軸線傳播的模式稱為“基模”。模式的傳播角度越大，它的級就越高。最高級的模式就是以臨界角傳播的模式。只支持一個模式（基模）的光纖被稱作單模光纖?？芍С侄鄠€模式的光纖為多模光纖。光纖中的電磁場模式不同于平面波導(dǎo)，一般Ez、Hz都不為零。2023/2/171光纖中的電磁場模式不同于平面波導(dǎo)，一般Ez、Hz都不為零。當方位角模數(shù)m=0時：在傳輸方向無磁場的模式稱為橫磁模TM0n。（Hz=0，Ez≠0）在傳輸方向無電場的模式稱為橫電模TE0n。（Ez=0，Hz≠0)當方位角模數(shù)m≠0時，電磁場六個分量都存在，E和H都擁有縱向（即沿著傳播方向z）分量，這些模式稱為混合模。磁場貢獻為主（Hz>Ez）——HEmn電場貢獻為主（Ez

>Hz）——EHmn2023/2/1722023/2/173傳導(dǎo)模輻射模歸一化截止頻率2023/2/174求模式截止對應(yīng)的歸一化頻率－－歸一化截止頻率Vc求Vc=uc2023/2/175（1）TE0n模和TM0n模令m=0,可得到TE0n模和TM0n模有相同特征方程當模式截止時，w→0，u→uc所以截止狀態(tài)下的特征方程為J0(uc)=0的根有2.4048,5.5201,8.6537,…

,分別對應(yīng)TE01(TM01)，TE02(TM02)

，TE03(TM03)，…截止頻率。若歸一化頻率V>2.4048,TE01(TM01)模就能在光纖中存在；若歸一化頻率V<2.4048，TE01(TM01)

模就不是傳導(dǎo)模。對其他模式可以次類推。2023/2/176（2）

EHmn模（3）

HEmn模如：當m=1時，EH1n模的截止頻率，

Vc=uc

=u1n=3.8317,7.0156,10.1745,….

如：當m=1時，HE1n模的截止頻率，

Vc=uc

=u1n=0,3.8317,7.0156,10.1745,….

在所有的導(dǎo)模中，HE11模截止頻率為零，截止波長無窮大。HE11模式是任何光纖中都能存在、永不截止的模式，稱為主?；蚧＃菃文９饫w的工作模式。2023/2/177（2）

EHmn模令m≠0，可得到EHmn模特征方程,為由貝塞爾函數(shù)的遞推公式當模式截止時，w→0，可得到所以截止狀態(tài)下EHmn的特征方程為當m=1時，得到一族EH1n模，其uc=u1n=3.8317,7.0156,10.1745,….

2023/2/178（3）

HEmn模令m≠0，可得到HEmn模特征方程,為

由貝塞爾函數(shù)的遞推公式當m=1時，截止狀態(tài)下HEmn的特征方程為所以

J1(uc)=0的根有0,3.8317,7.0160,10.1735,…,它們分別對應(yīng)著HE11,HE12,HE13,HE14,…模式的截止頻率。在所有的導(dǎo)模中，只有HE11模式截止頻率為零，亦即截止波長為無窮大。HE11模式是任何光纖中都能存在、永不截止的模式，成為主模或基模，是單模光纖的工作模。2023/2/179當m>1時，截止狀態(tài)下HEmn的特征方程整理后為當m=2時，Jm-2(uc)=0的根有2.4048,5.5201,8.6537,…,它們分別對應(yīng)著HE21,HE22,HE23,…模，HE2n模在截止時與TE0n、TM0n簡并。2023/2/180TE01(TM01)模的截止頻率2.4048

HE11模式截止頻率為零2023/2/181最低階模式的傳播常數(shù)作為V的函數(shù)的曲線HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456歸一化頻率V2023/2/182幾個模式的場圖2023/2/183線偏振模LPmn是在弱導(dǎo)近似下得到的標量模。電磁場幾乎是橫向場。電磁場基本上是一個線性極化波。線偏振模LPmn"LinearlyPolarized(LP)modes"

通過變換得到直角坐標系中的橫向場分量為2023/2/184LPmn是由矢量疊加而成的線偏振模，是矢量模的簡并模式。LPmn是HEm+1,n和EHm-1,n模疊加。矢量模包括橫電模TE0n

，橫磁模TM0n，及混合模EHmn和HEmn四套模式。V模式簡并模式0~2.4048HE11LP012.4048~3.8327TE01,TM01,HE21LP113.8327~5.1356EH11,HE31,HE12LP21,LP025.1356~5.5201EH21,HE41LP315.5201~6.3802TE02,TM02,HE22LP126.3802~7.0156EH31,HE51LP412023/2/185HE21TE01HE21TM01LP11LP11由嚴格的模式構(gòu)成的兩個LP11

以及它們的橫向電場和電場分布2023/2/186LP01LP11LP62模LP01?；P11模LP21模幾個低階模的強度分布m？n？m表示沿圓周，也就是j方向出現(xiàn)最大值的對數(shù)的次數(shù)。n表示沿半徑方向，也就是r方向出現(xiàn)最大值的次數(shù)。2023/2/187在多模階躍光纖中，同時傳輸導(dǎo)模數(shù)M可按下式計算在多模漸變光纖中,導(dǎo)?？倲?shù)為例：已知SI，n1=1.5，D=0.01，l=1mm，2a=60mm，求導(dǎo)模數(shù)解：歸一化頻率V越大，能夠傳播的模式數(shù)就越多。2023/2/188模功率分布

導(dǎo)模在光纖中傳輸時，功率集中在纖芯和包層中。對于不同模式，光功率在纖芯和包層的分配比例不同，包層中的光功率易受各種因素的影響而失掉。在弱導(dǎo)近似下，LP模的橫向場只有Ey和Hx分量，所以導(dǎo)模攜帶的光功率在纖芯和包層中分別為將LPmn模的場分布代入，可得2023/2/1892023/2/190單模光纖

單模光纖應(yīng)滿足單模條件截止波長單模光纖應(yīng)滿足單模條件工程上，截止波長由測量得到，跟長度有關(guān)。為什么跟長度有關(guān)？光纖只能傳播基模HE11模。一根光纖是否單模光纖，跟入射波長有關(guān)。n1b/k0n2HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456歸一化頻率VHE112023/2/191例：利用單模條件估算光波系統(tǒng)中單模光纖的纖芯半徑。其中，取λ=1.2μm，n1=1.45,Δ=5×10-3。解：由階躍折射率光纖的單模條件：V＜2.4052023/2/192a.

l=1.55mm,V=2.15<2.405,

只能傳輸LP01?；騂E11模。b.

l=1.31mm,V=2.54,2.405<V<3.83

能傳輸LP01模和LP11模。c.

l=0.85mm,V=3.92,3.83<V<5.1356

能傳輸LP01模、LP11模、LP02模和LP21模。例：已知一SI，n1=1.487,D=0.37%,2a=8.3mm,在工作波長l=1.55mm、1.31mm和0.85mm時，考察光纖中都能傳輸那些模式。LP21LP02LP11LP012023/2/193主模LP01(HE11)的模場分布2W0

（Mode-fielddiameterMFD）單模光纖的模場直徑(MFD)定義為電場下降為中心軸線場量的1/e時的半徑的2倍。實際問題中，模場分布近似為高斯分布模場直徑單模光纖工作模式HE11的電場分布為零階Bessel函數(shù)2023/2/194多模光纖的模場直徑與纖芯幾乎相等，單模光纖的模場直徑一般不等于纖芯直徑。2023/2/195誤差小于1%2023/2/196一般取2023/2/1972.4光纖的損耗特性引起光的衰減的機理是光纖對光的損耗吸收損耗1.本征吸收2.雜質(zhì)吸收3.原子缺陷吸收散射損耗1、線性散射－－－瑞利散射2、非線性散射

受激喇曼散射受激布里淵散射彎曲損耗1.光纖彎曲2.光纖微彎2023/2/198損耗的單位

當光信號在光纖中傳播時，其功率隨著距離的增加以指數(shù)形式衰減。如果在起始處（z＝0）的信號功率為Pin，則在光纖中經(jīng)過距離z

的傳播后，其功率值為：

其中，a為損耗系數(shù)，單位一般使用dB/km，其關(guān)系式為：2023/2/199一、吸收損耗吸收損耗是由于光纖本身和光纖中的雜質(zhì)對光能的吸收而引起的損耗。物質(zhì)的吸收作用將傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，從而造成光功率的損失。吸收損耗有三個原因：一、本征吸收；二、雜質(zhì)吸收；三、原子缺陷吸收。1、本征吸收：光纖材料的固有吸收，它與電子及分子的諧振有關(guān)。（1）紅外吸收帶（2）紫外吸收帶2023/2/1100（1）紅外吸收機理：由于材料本身的原子之間的化學(xué)鍵形成晶格，當光纖中的光的波長與晶格鍵長相當時，光的能量向晶格傳遞，引起損耗。紅外區(qū)中心波長在8μm～12μm

范圍內(nèi)，尾部拖到1.5μm～l.7μm左右。1.5μm時損耗小于0.01dB/km。波長

um

損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8影響：對光通信影響非常小以dB為單位，GeO2-SiO2玻璃紅外吸引區(qū)經(jīng)驗公式2023/2/1101（2）紫外吸收機理：光纖中的光子流將光纖材料中的電子激發(fā)到高能級，從而使得光子的能量發(fā)生轉(zhuǎn)移。紫外區(qū)中心波長在0.16μm附近，尾部延伸到光纖通信波段（0.7um～1.6um）。1.3um～1.55um處損耗為0.05dB/km。波長

um

損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8影響：對短波長通信影響較大光纖紫外吸收損耗隨波長的變化2023/2/1102鐵、鎳、銅、錳、鉻、釩、鉑等過渡金屬和水的氫氧根離子造成的附加吸收損耗稱為雜質(zhì)吸收。金屬離子含量越多，造成的損耗就越大。降低光纖材料中過渡金屬的含量可以使其影響減小到最小的程度。為了使由這些雜質(zhì)引起的損耗小于1dB/km，必須將金屬的含量減小到10-8以下。這樣高純度石英材料的生成技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)。光纖中雜質(zhì)吸收主要由于水的氫氧根離子的振動，基波振動在2.73μm波長，二次諧波振動在1.39μm，三次諧波振動在0.95μm，它們的各次振動諧波和它們的組合波，將在0.6μm～2.73μm的范圍內(nèi)，產(chǎn)生若干個吸收峰。折射率差摻雜帶來的附加損耗GeO2，P2O5，B2O5。2、雜質(zhì)吸收機理：主要由于光纖材料的不純凈引起的。2023/2/1103CuAlFeGeNi(可以消除)OH–波長

um

損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8（影響較大）0.9~1.01.2~1.31.33~1.52023/2/11043、原子缺陷吸收機理：光纖制造過程中受到熱激勵或輻射使得一部分共價鍵斷裂，容易吸收光的能量。原子缺陷吸收是由于加熱過程或者由于強烈的輻射造成，玻璃材料會受激而產(chǎn)生原子的缺陷，引起吸收光能，造成損耗。對于普通玻璃，在3000rad的伽瑪射線的照射下，可能引起損耗高達20000dB／km。但是有些材料受到影響比較小，例如摻鍺的石英玻璃，對于4300rad的輻射，僅在波長0.82μm引起損耗16dB／km。宇宙射線也會對光纖產(chǎn)生長期影響，但影響很小。影響：通過工藝和材料使之減少到忽略不記的程度。2023/2/11053、原子缺陷吸收機理：光纖制造過程中受到熱激勵或輻射使得一部分共價鍵斷裂，容易吸收光的能量。原子缺陷吸收是由于加熱過程或者由于強烈的輻射造成，玻璃材料會受激而產(chǎn)生原子的缺陷，引起吸收光能，造成損耗。影響：通過工藝和材料使之減少到忽略不記的程度。2023/2/1106二、散射損耗機理：由于光纖的折射率分布以及光纖材料的不均勻使得光在光纖傳播過程中發(fā)生散射，光向其他方向散開造成的損耗。非線性散射損耗線性散射損耗受激拉曼(Raman)和受激布里淵(Brillouin)散射瑞利(Rayleigh)散射2023/2/11071、瑞利散射損耗機理：密度不均勻的微粒產(chǎn)生的瑞利散射1.55μm處aR為0.12~0.16dB/Km。此處損耗主要由瑞利散射引起。波長

um

損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8紅外吸收紫外吸收瑞利散射影響：對短波長的光影響較大（與λ4

呈反比）2023/2/1108光纖的結(jié)構(gòu)不完善產(chǎn)生的損耗機理：制造工藝的缺陷引起的殘留氣泡或芯包交界面不均勻造成的散射。（比波長大得多）影響：對所有的波長一樣波長

um

損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8紅外吸收紫外吸收瑞利散射波導(dǎo)散射2、波導(dǎo)散射損耗2023/2/1109三、光纖的彎曲損耗1、宏彎損耗曲率比光纖的半徑大得多的損耗光纖的最小彎曲半徑的經(jīng)驗法則是：對于長期應(yīng)用，光纖的彎曲半徑應(yīng)超過包層直徑的150倍；對于短期應(yīng)用，光纖的彎曲半徑應(yīng)超過包層直徑的100倍；對于硅光纖，包層直徑是125微米，對應(yīng)的彎曲半徑分別為19和13毫米2023/2/11102、微彎損耗光纖的軸產(chǎn)生的微米級的彎曲產(chǎn)生的損耗側(cè)壓力使得纖芯微小彎曲產(chǎn)生模式變換微彎引起光纖中的傳導(dǎo)模與漏?；蚍莻鲗?dǎo)模之間能量的反復(fù)耦合。微觀彎曲使高階模漏出并使得低階模的功率耦合到高階模上

2023/2/1111波長

um

損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8紅外吸收紫外吸收瑞利散射波導(dǎo)散射OH吸收0.851.311.552023/2/11122023/2/11132023/2/1114

單模光纖的損耗譜特性已逐漸拉平，消除了三個吸收峰值，獲得了0.8~1.6mm整個波長段上具有較低損耗。可提供50THz的帶寬，這種光纖稱為全波光纖。2023/2/1115光纖損耗測量

兩種方法：

1）光源+光功率計

2）光時域反射計（OTDR）

利用光線在光纖中傳輸時的瑞利散射和菲涅爾反射所產(chǎn)生的背向散射2023/2/1116光時域反射計2023/2/11172.5光纖的色散什么是色散：當電磁波在一媒質(zhì)中傳播時，波的不同成分速度不同這種現(xiàn)象稱為色散。色散使得脈沖的寬度被展寬，傳輸速率降低2023/2/11182023/2/11192023/2/1120模式色散：由于不同模式的時間延遲不同產(chǎn)生的。取決于光纖折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關(guān)。色度色散（模內(nèi)色散）材料色散：由于光纖的折射率隨波長而改變，模式內(nèi)部不同波長成分的光時間延遲不同產(chǎn)生的。取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜寬。波導(dǎo)色散：由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)產(chǎn)生的。取決于波導(dǎo)尺寸，以及纖芯與包層的相對折射率差。偏振色散：由于光纖的雙折射效應(yīng)引起的在多模系統(tǒng)中，模式色散占主要地位，波導(dǎo)色散可以忽略；而在單模系統(tǒng)中，無模式色散，波導(dǎo)色散必須考慮。1.色散的分類2023/2/1121光纖色散的表示方法最大時延差Dt脈沖展寬s光纖的3dB帶寬B光纖色散對傳輸信號的影響程度時域分析：色散影響用脈沖展寬表示；頻域分析：用光纖帶寬來表示。光纖中速度最快和速度最慢的光波成分的時延差。2023/2/1122模間色散脈沖展寬：碼元速率（帶寬）：

2023/2/11232.色度色散包含很多頻率成分信號的整體速度（窄帶信號）群速1）群速2023/2/11242、色度色散1）群速包含很多頻率成分信號的整體速度（窄帶信號）2023/2/11253）群時延差色散系數(shù)單位是ps/(nm·km)

2）群時延（GVD）

2023/2/1126群時延（GVD）是材料色散和波導(dǎo)色散作用的結(jié)果。在很多理論分析中，要計算模內(nèi)色散的值，都是先分別算出材料色散和波導(dǎo)色散，再通過簡單的相加而得到的。模內(nèi)色散的組成：材料色散

波導(dǎo)色散

色散系數(shù)D

可寫為：實際上，這兩種色散有著錯綜復(fù)雜的聯(lián)系。2023/2/1127（4）材料色散材料色散系數(shù)由于材料的色散特性引起的脈沖擴展。產(chǎn)生原因：纖芯材料的折射率對不同的波長是不同的

—

n=n(l）。光源輻射具有一定光譜寬度的光，一個攜帶信息的光脈沖包含了不同的波長。產(chǎn)生結(jié)果：

脈沖中具有不同波長的分量在光纖中會以不同的速度傳播并以不同的時間到達光纖端，造成了脈沖擴展。2023/2/1128（5）波導(dǎo)色散（結(jié)構(gòu)色散）某一傳輸模的群速度隨波長而變化導(dǎo)致波導(dǎo)色散。產(chǎn)生原因：單模光纖中，攜帶信息的光脈沖在纖芯和包層間分布：主要部分在纖芯中傳輸，剩余部分在包層中傳播。纖芯和包層擁有不同折射率，兩個部分以不同的速度傳播。光被限制在一個擁有不同折射率的結(jié)構(gòu)－纖芯和包層的組合中傳播，脈沖會擴展。注意：即使光纖材料沒有色散特性，波導(dǎo)色散也會發(fā)生。純波導(dǎo)色散僅因為將光限制在一個特定的結(jié)構(gòu)中而產(chǎn)生。2023/2/1129波導(dǎo)色散依賴于波長：波導(dǎo)色散依賴于纖芯和包層間的模場分布，即依賴于模場半徑，而模場半徑依賴于波長。波導(dǎo)色散決定于光纖的V參數(shù)。波導(dǎo)色散系數(shù)為正，所以Dwg在0～1.6mm波長范圍內(nèi)都是負值。2023/2/1130材料色散系數(shù)

材料色散是由于折射率是波長的函數(shù)，從而光的傳播速度隨波長變化而引起的色散。假設(shè)在無限大介質(zhì)中傳播的平面波其折射率n(λ)等于纖芯的折射率，傳播常數(shù)為：由材料色散引起的群時延為如果光源帶寬為sl

，帶寬展寬可表示為：材料色散系數(shù)2023/2/1131

波導(dǎo)色散是由于傳播常數(shù)是波長的函數(shù)引起的色散。在考慮導(dǎo)波色散時近似認為光纖的材料折射率與波長無關(guān)。由于纖芯和包層的相對折射率差Δ<<1，即n1≈n2，利用歸一化的傳播常數(shù)b波導(dǎo)色散系數(shù)

由波導(dǎo)色散引起的群時延為：模式傳播常數(shù)通常是用歸一化頻率V表示的，用V代替k，則可以得到2023/2/1132光源譜寬為sl

時的脈沖展寬，導(dǎo)波色散可表示為

2023/2/1133波導(dǎo)色散使零色散波長從1.276mm向右移動了0.03～0.04mm，總色散在l＝1.31mm附近為零，即零色散波長

l0為1.31mm。波導(dǎo)色散使得1.3～1.6mm波長范圍內(nèi)的總色散減小。

1.55mm波長附近，D的典型值為15～18ps/(km·nm)。2023/2/1134損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗導(dǎo)致脈沖幅度減小，限制系統(tǒng)的傳輸距離。色散導(dǎo)致脈沖展寬、畸變，限制系統(tǒng)的傳輸容量。損耗的最小值在1.55m

m處。零色散點在1.31m

m處。是否可以使得損耗最小值和零色散點位于同一點？？2023/2/1135波導(dǎo)色散的大小由纖芯直徑2a、相對折射率差Δ及剖面形狀等決定。一般來講，纖芯越細，Δ愈大，波導(dǎo)色散也越負。損耗特性沒法改變。色散特性：材料色散只要材料確定下來就沒法改變。2023/2/1136單模光纖的最佳設(shè)計

折射率剖面設(shè)計匹配包層凹陷包層階躍大有效面積色散位移四包層剖面雙包層或W剖面環(huán)帶三角形分布大有效面積色散平坦2023/2/1137a）常規(guī)光纖b）色散位移光纖(DSFDispersion-ShiftedFiber)c）色散平坦光纖(DFFDispersion-flattenedFiber)d）色散補償光纖(DCFDispersion-compensatingFiber)e）非零色散位移光纖(NZDSFNonzeroDispersion-ShiftedFiber)2023/2/1138三種光纖色散情況比較2023/2/1139由于實際光纖本身存在缺陷，例如纖芯的幾何形狀不規(guī)則和內(nèi)部應(yīng)力不均勻等，此外，存在外在因素如光纖的彎曲，扭曲，擠壓也使光纖產(chǎn)生雙折射，所以單模光纖存在偏振模色散（PMD）。光信號中不同偏振狀態(tài)的雙折射現(xiàn)象是導(dǎo)致脈沖展寬的另一個因素。3.

偏振模色散2023/2/1140雙折射沿著光纖長度方向發(fā)生變化：①每一個偏振模傳播的速率稍有差別②偏振方向也會發(fā)生旋轉(zhuǎn)在經(jīng)過距離L后兩種偏振模式分量所產(chǎn)生的時延差為：2023/2/1141PMD與系統(tǒng)傳輸速率以及最大傳輸距離的關(guān)系2023/2/1142

4.光纖色散對光脈沖傳輸?shù)挠绊?/p>

脈沖寬度由均方根寬度(RMS)表示C頻率chirp系數(shù)sw

均方根光源譜寬2023/2/11431）寬光源光譜sw

比較大色散斜率2）窄光源光譜sw

很小可以忽略2023/2/11442023/2/11455光纖色散對光脈沖傳輸?shù)挠绊懺O(shè)單模光纖中某頻率分量的電場可以表示為只討論沿光纖的傳輸光纖中包含許多頻率分量的信號可表示為在光纖輸入端，設(shè)在光纖輸入端的信號形式為高斯脈沖調(diào)制的單頻載波1、傳輸方程2023/2/1146設(shè)高斯脈沖調(diào)制的單頻載波在光纖的中z處的信號形式為泰勒級數(shù)展開2023/2/1147對應(yīng)的微分方程為做變量代換對于2023/2/11482、高斯脈沖不再是高斯脈沖脈沖寬度由均方根寬度表示Full-widthathalf-maximum幅度峰值1/e功率峰值的半寬度2023/2/1149chirp高斯脈沖C頻率chirp系數(shù)如果光源不是單載波，光源的均方根半寬度為，則2023/2/11503、色散對傳輸速率的限制1）寬光源光譜比較大色散斜率2023/2/11512）窄光源光譜很小可以忽略最小值最小值2023/2/11522.6光纖的非線性效應(yīng)當光纖中傳輸?shù)墓β屎艽髸r，就會有非線性效應(yīng)光纖的非線性效應(yīng)包括光纖的非線性散射光纖的非線性折射2023/2/11531.非線性散射受激非彈性散射：散射光頻率下移，光場把部分能量傳遞給介質(zhì)。一個高能量光子（通常稱為泵浦）被散射成一個低能量的光子（斯托克斯光），同時產(chǎn)生能量為兩光子能量差的另一個能量子受激布里淵散射（SBS）參與的能量子為聲學(xué)聲子，只有后向散射受激喇曼散射（SRS）參與的能量子為光學(xué)聲子，以前向散射為主，但也有后向散射2023/2/1154在高功率傳輸時，光纖中的受激喇曼散射和受激布里淵散射能導(dǎo)致相當大的損耗，一旦入射光功率超過閾值，散射光強將指數(shù)增長。是一種閾值行為。閾值功率：在光纖輸出端有一半功率被損失到斯托克斯光時的入射功率2023/2/1155受激拉曼散射（SRS—stimulatedRamanscattering）入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成振動態(tài)之間的躍遷。特點增益帶寬寬（約10THz），影響其它信道功率WDM系統(tǒng)中，較高頻率的信號成為所有較低頻率信號的泵浦源，頻率最高的信道功率消耗最大。12341234fiber2023/2/1156減小SRS對系統(tǒng)影響的主要措施減低入纖功率（減小中繼間隔）減小信道間隔利用：喇曼光纖放大器高功率二極管泵浦激光器的迅猛發(fā)展，為FRA的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。FRA可以提供整個波長波段的放大。通過適當改變泵浦激光波長，就可以達到在任意波段進行寬帶光放大。影響：引起波分復(fù)用系統(tǒng)的串話2023/2/1157②受激布里淵散射（SBS—stimulatedBrillouinscattering）SBS可描述為泵浦光、斯托克斯波和聲波之間的參量互作用?？煽醋魇且粋€泵浦光子的湮滅，同時產(chǎn)生一個斯托克斯光子和一個聲學(xué)聲子。λ1特點:增益帶寬窄（約幾十MHz），這說明SBS效應(yīng)被約束在WDM系統(tǒng)的單個波長信道內(nèi)。功率閾值與光源線寬有關(guān)，光源線寬越窄，功率閾值越低2023/2/1158影響：

★制約了光的傳輸★反向光回到光源中使得光源不穩(wěn)定★波長信道串擾減小SBS對系統(tǒng)影響的主要措施減低入纖功率（減小中繼間隔）增加光源線寬（色散限制）2023/2/1159閾值功率增益系數(shù)對于SiO2同樣，Pth,SBS可低至1mW，特別是在1550nm最低損耗處，將極大地限制光波系統(tǒng)的注入功率。但以上估計忽略了與入射光有關(guān)的譜寬效應(yīng)，在典型系統(tǒng)中閾值功率可增大至10mW或更高。不過還應(yīng)注意消除。SRS的閾值功率較高。由于光波系統(tǒng)中的注入功率一般低于10mW，因此SRS一般對光纖損耗不起作用。2023/2/1160（1）自相位調(diào)制（SPM—self-phasemodulation）2、非線性折射

在大功率光信號的作用下，光固有的折射率將隨光的強度發(fā)生變化，新的折射率為：n1=n0+gp/Aeff由于光的非線性效應(yīng)的影響，光場自身引起的相位變化，叫自相位調(diào)制。脈沖有壓縮的趨勢脈沖的前沿產(chǎn)生紅移（頻率變低，速度減少）脈沖的后沿產(chǎn)生蘭移（頻率變低，速度加快）2023/2/1161（2）交叉相位調(diào)制（XPM）某一信道的光場由于非線性效應(yīng)受到來自相鄰信道的光場的影響而發(fā)生相移。影響：形成串擾2023/2/1162（3）四波混頻（FWM）相距很近的波長之間發(fā)生耦合，在其間隔產(chǎn)生新的無用波長。f1f2f3f0f0=f1±f2±f32023/2/11632023/2/1164四波混頻的抑制：1、降低光功率（不可行）2、加大通光面積（可行）3、增大信道間隔（不可行）4、保持一定的色散（可行）2023/2/1165SBS、SRS及FWM過程所引起的波長信道的增益或損耗與光信號的強度有關(guān)。這些非線性過程對某些信道提供增益，而對另一些信道則產(chǎn)生功率損耗，從而使各個波長間產(chǎn)生串擾。SPM和XPM都只影響信號的相位，從而使脈沖產(chǎn)生啁啾，這將會加快色散引起的脈沖展寬，尤其在高速系統(tǒng)中。2023/2/11662.7常用光纖目前ITU-T規(guī)定的光纖代號有G.651光纖（漸變多模光纖）G.652光纖（常規(guī)單模光纖）G.653光纖（色散位移光纖）G.654光纖（低損耗光纖）G.655光纖（非零色散位移光纖）2023/2/11671、G.651光纖多模漸變光纖（GIF）工作窗口：850nm,1310nm缺點：不能用于大容量，長距離通信應(yīng)用：接入網(wǎng)，局域網(wǎng)纖芯直徑包層直徑纖芯不圓度包層不圓度同心度誤差NA衰減系數(shù)色散系數(shù)帶寬2023/2/11682、G.652光纖常規(guī)單模光纖或色散未位移光纖（第一代單模光纖）工作窗口：1310nm(零色散)1550nm(最小損耗)應(yīng)用：我國干線主要采用G.652缺點：低損耗和低色散不能兼有色散受限距離短結(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。2023/2/1169性能模場直徑(mm)截至波長(nm)零色散波長