第2章光纖和光纜-3

上式右邊第一項為材料色散式中，λ的單位為nm。當λ=1273nm時，M2(λ)=0。式(2.52)第二項為波導(dǎo)色散，其中δ=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，當δ=0時，相應(yīng)于常規(guī)單模光纖。含V項的近似經(jīng)驗公式為經(jīng)簡化，得到單位長度的單模光纖色散系數(shù)為(2.52)其值由實驗確定。SiO2材料M2(λ)的近似經(jīng)驗公式為圖2.13不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的C(λ)示于圖2.13，圖中曲線相應(yīng)于零色散波長在1.31μm的常規(guī)單模光纖，零色散波長移位到1.55μm的色散移位光纖，和在1.3~1.6μm色散變化很小的色散平坦光纖，這些光纖的結(jié)構(gòu)見圖2.2(c)和圖2.3(a)。式中，λ0為中心波長。利用σλ<<λ0，可以把時間延遲τ(λ)展開為泰勒級數(shù)τ(λ)=τ0+(λ-λ0)C0+(λ-λ0)2C′0/2(2.54)式中，τ0=τ(λ0)，C0=C(λ0)，C′0=。

光源的影響

存在色散［C(λ)≠0］的條件下，光源對光纖脈沖展寬的影響可以分為三種情況。

多色光源：設(shè)Δωλ(光源頻譜寬度)>>Δωs(調(diào)制帶寬)，且光譜不受調(diào)制的影響。這相當于多縱模半導(dǎo)體激光器的情況?？紤]rms譜線寬度為σλ的高斯型光源，其功率譜密度為(2.53)把rms脈沖寬度為σ1的高斯型光脈沖(用功率表示)輸入長度為L的單模光纖，在中心波長λ0遠離零色散波長λd，即|λ0-λd|>>σλ/2的條件下，輸出光脈沖仍保持高斯型，設(shè)其rms脈沖寬度為σ2，由式(2.54)、式(2.53)和式(2.48)得到作為一級近似，σ≈|C0|Lσλ。由式(2.47)可以計算出3dB光帶寬，圖2.14示出常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系。(2.55b)由長度為L的單模光纖色度色散產(chǎn)生的脈沖展寬為σ22=σ21+(C0Ｌσλ)2+(2.55a)圖2.14常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系上式右邊第二項為光纖產(chǎn)生的脈沖展寬。和多色光源不同，單色光源脈沖展寬與輸入脈沖寬度σ1有關(guān)。根據(jù)式(2.56a)，可以選取使輸出脈沖寬度σ2最小的最佳輸入脈沖寬度σ1

單色光源：設(shè)Δωλ(光源頻譜寬度)<<Δωs(調(diào)制帶寬)且中心波長不受調(diào)制的影響。這相當于鎖模激光器和穩(wěn)定的單頻激光器。在長度為L的單模光纖上，輸入和輸出的光脈沖都是高斯型，其rms脈沖寬度分別為σ1和σ2，經(jīng)計算得到(2.56a)(2.56b)由此得到最佳輸出脈沖寬度(σ2)最佳=(2.56c)

中等譜寬：設(shè)光源的頻譜寬度Δωλ和調(diào)制帶寬Δωs相近(Δωλ≈Δωs)，這相當于頻譜寬度較大的單縱模激光器。在這種情況下，式中，ω為光源的rms頻譜寬度(用角頻率表示)。同樣可以選取使σ2最小的最佳σ1。(2.57)式中，nx和ny分別為x-和y-方向的等效折射率。偏振模色散本質(zhì)上是模式色散，由于模式耦合是隨機的，因而它是一個統(tǒng)計量。目前雖沒有統(tǒng)一的技術(shù)標準，但一般要求偏振模色散小于0.5ps/km。由于存在偏振模色散，即使在色度色散C(λ)=0的波長，帶寬也不是無限大，見圖2.14。

偏振模色散：實際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。

偏振模色散Δτ取決于光纖的雙折射，由Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到，(2.58)(2.61a)

2.3.2光纖損耗

損耗的存在光信號幅度減小限制系統(tǒng)的傳輸距離。在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示習慣上α的單位用dB/km，由式(2.60)得到損耗系數(shù)Po=Piexp(-αL)(2.60)設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)式(2.59)，輸出光功率應(yīng)為式中，α是損耗系數(shù)。(2.59)

1.損耗的機理圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。

吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。

散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。

瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。圖2.15單模光纖損耗譜，示出各種損耗機理2.實用光纖的損耗譜根據(jù)以上分析和經(jīng)驗，光纖總損耗α與波長λ的關(guān)系可以表示為α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A為瑞利散射系數(shù)，B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗。由圖2.16看到：從多模突變型(SIF)、漸變型(GIF)光纖到單模(SMF)光纖，損耗依次減小。從色散的討論中看到：從多模SIF、GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(帶寬依次增大)。

單模石英光纖的零色散波長在1.31μm，還可以把零色散波長從1.31μm移到1.55μm，實現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。正因為這些特性，使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長(0.85μm)“窗口”發(fā)展到長波長(1.31μm和1.55μm)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。圖2.16光纖損耗譜(a)三種實用光纖；(b)優(yōu)質(zhì)單模光纖2.3.3光纖標準和應(yīng)用

G.651多模漸變型(GIF)光纖應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。

G.652常規(guī)單模光纖是第一代單模光纖，其特點是在波長1.31μm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。

G.653色散移位光纖是第二代單模光纖，其特點是在波長1.55μm色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。

G.6541.55μm損耗最小的單模光纖其特點是在波長1.31μm色散為零，在1.55μm色散為17~20ps/(nm·km)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達0.20dB/km以下。

色散補償光纖其特點是在波長1.55μm具有大的負色散。

G.655非零色散光纖是一種改進的色散移位光纖。表2.3光纖特性的標準2.4光纜2.4.1光纜基本要求保護光纖固有機械強度的方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力篩選。光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料進行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖，并對成品光纖用硬塑料進行二次被覆。二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀線光纖四種，見圖2.18。

應(yīng)力篩選條件直接影響光纖的使用壽命。設(shè)對光纖進行拉伸應(yīng)力篩選時，施加的應(yīng)力為σp，作用時間為tp(設(shè)為1s)；長期使用時，容許施加的應(yīng)力為σr，作用時間為tr，斷裂概率為106km一個斷裂點。理論推算得到的容許作用時間(光纖使用壽命)tr和應(yīng)力比σr/σp的關(guān)系示于圖2.17。圖2.17光纖使用壽命和應(yīng)力比的關(guān)系

圖2.18二次被覆光纖(芯線)簡圖(a)緊套；(b)松套；(c)大套管；(d)帶狀線

2.4.2光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜一般由纜芯和護套兩部分組成，有時在護套外面加有鎧裝。

1.纜芯纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強件兩部分。

被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。

加強件起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時配置在護套中。圖2.20光纜類型的典型實例(a)6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b)12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c)12芯骨架式光纜(直埋)；(d)6~48芯束管式光纜(直埋)；(e)108芯帶狀光纜；(f)LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g)淺海光纜；(h)架空地線復(fù)合光纜(OPGW)光纜的基本型式層絞式

把松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而構(gòu)成。骨架式

把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。

中心束管式

把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強件配置在套管周圍而構(gòu)成。帶狀式

把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。

2.護套

護套起著對纜芯的機械保護和環(huán)境保護作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)成。

根據(jù)使用條件光纜可以分為：

室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的架空地線復(fù)合光纜(OPGW)，跨越海洋的海底光纜，易燃易爆環(huán)境使用的阻燃光纜以及各種不同條件下使用的軍用光纜等。

2.4.3光纜特性拉力特性壓力特性彎曲特性溫度特性2.5光纖特性測量方法光纖的特性參數(shù)很多，基本上可分為幾何特性、光學特性和傳輸特性三類。

幾何特性包括纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度；

光學特性主要有折射率分布、數(shù)值孔徑、模場直徑和截止波長；

傳輸特性主要有損耗、帶寬和色散。

損耗測量光纖損耗測量有兩種基本方法：一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。

帶寬測量光纖帶寬測量有時域和頻域兩種基本方法。

時域法是測量通過光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖展寬，又稱脈沖法；

頻域法是測量通過光纖的頻率響應(yīng)，又稱掃頻法。

色散測量光纖色散測量有相移法、脈沖時延法和干涉法等。

截止波長測量