光通信測量：第1章 光纖及光纖通信的基本測量方法

光纖通信測量參考書目光纖通信測量，劉娟等，西安電子科技大學(xué)出版社光纖光纜工程測試，胡先志，劉澤恒等著，人民郵電出版社光纜通信系統(tǒng)指標(biāo)與測試，韋樂平，鄧忠禮等著，電子工業(yè)出版社測量的重要性沒有測量就沒有科學(xué)---門捷列夫光纖通信測量的內(nèi)容光纖光纜的測量光器件（有源和無源器件）的測量光端機(jī)的測量系統(tǒng)的測量測量的標(biāo)準(zhǔn)國際電信聯(lián)盟電信分會(huì)（ITU-T）國際電工委員會(huì)（IEC）電信工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA）電子電器工程師協(xié)會(huì)（IEEE）光纖光纜G.650－G.655光器件G.957G.917G.918端機(jī)設(shè)備和系統(tǒng)G.703G.704海底光纜G.971－G.974光纖通信測量中的ITU-T建議與國標(biāo)第1章光纖及光纖通信的基本測量方法1.1光纖光纖的基本特點(diǎn)：光纖用來傳導(dǎo)光信號(hào)結(jié)構(gòu)：纖芯和包層全反射條件：n1>n2纖芯包層

裸光纖的結(jié)構(gòu)1.1光纖涂覆層作用：增加機(jī)械強(qiáng)度和可彎曲性，防水預(yù)涂覆層：幾十微米，一次涂覆緩沖層：第二層，多用硅樹脂材料二次涂覆：最外層，尼龍材料緊套和松套光纖1.1.1光纖的折射率分布描述從光纖纖芯到包層的折射率隨半徑的變化纖芯

n2(r)=n12[1-2D(r/a)g]r<a包層n2(r)=n22=常數(shù)r>=a

g

折射率分布指數(shù)光纖的折射率分布光纖折射率分布1.1.1光纖的折射率分布折射率分布指數(shù)g=1三角形分布g=2拋物線分布（梯度分布）g→∞階躍分布?xì)w一化頻率VV=2p(a/l)NA=RaNA

芯中導(dǎo)模數(shù)量設(shè)計(jì)原則高帶寬和低色散：折射率分布衰減系數(shù)?。航Y(jié)構(gòu)、摻雜、材料、制作、工藝剖面結(jié)構(gòu)合理：易生產(chǎn)，成本低剖面類型——多模光纖階躍型多模光纖梯度型多模光纖n1n2n2

折射率分布n1n2n(r)n(r)折射率分布剖面類型——單模光纖1、非色散位移單模光纖（G.652光纖）匹配包層和下凹包層

SiO2+GeO2SiO2SiO2+GeO2SiO2SiO2+F非色散位移單模光纖折射率分布剖面類型——單模光纖2、色散位移單模光纖（G.653光纖）分段芯和雙臺(tái)階芯型

1550nm低衰減和零色散，抗彎性好、連接損耗低，設(shè)計(jì)自由度多，容易控制波導(dǎo)色散，實(shí)現(xiàn)零色散波長的移動(dòng)（a）三角芯（b）雙臺(tái)階芯剖面類型——單模光纖3、截止波長位移單模光纖（G.654光纖）匹配包層型和下凹內(nèi)包層型靠包層摻雜F使折射率下降優(yōu)點(diǎn)：在1550nm波長處的最低衰減為0.15dB/km。SiO2+F純SiO2SiO2+F純SiO2SiO2剖面類型——單模光纖3、非零色散位移單模光纖（G.655光纖）

三角芯型和雙環(huán)芯型

內(nèi)環(huán)具有可移動(dòng)零色散波長的作用，外環(huán)對(duì)實(shí)現(xiàn)大有效面積和微彎曲損耗有較大的作用

三角芯具有略低的衰減，雙環(huán)芯則具有稍大的有效面積（a）三角芯（b）雙環(huán)芯剖面類型——單模光纖5、色散補(bǔ)償單模光纖6、色散平坦單模光纖

（a）分段芯（b）三包層（a）雙包層（c）四包層（b）三包層1.1.2光纖的傳輸特性衰減衰減是光纖的一個(gè)重要傳輸參數(shù)，它表明了光纖對(duì)光能的傳輸損耗，其對(duì)光纖質(zhì)量的評(píng)定和光通信中中繼距離的確定起著決定性的作用。原因：吸收損耗，散射損耗，附加損耗

吸收損耗本征吸收:

紫外吸收和紅外吸收

材料中雜質(zhì)吸收：過渡金屬元素和OH-離子結(jié)構(gòu)中原子缺陷吸收：熱激勵(lì)和強(qiáng)輻射

散射損耗光纖中產(chǎn)生的散射損耗主要有：瑞利散射、米氏散射、波導(dǎo)散射、受激布里淵散射、受激拉曼散射、附加結(jié)構(gòu)缺陷和彎曲散射、泄漏。

在光纖制造中，熔融態(tài)玻璃分子冷卻過程中的熱運(yùn)動(dòng)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部的密度和折射率起伏，當(dāng)光遇到這種帶有隨機(jī)起伏的不均勻質(zhì)點(diǎn)時(shí)發(fā)生散射。比光波長小得多的粒子引起的散射稱為瑞利散射，與光波長同樣大小的粒子引起的散射稱為米氏散射。

附加損耗附加損耗是光纖成纜之后產(chǎn)生的損耗

微彎就是光纖受到不均勻應(yīng)力的作用，例如受到側(cè)壓力或者套塑光纖受到溫度變化時(shí)，光纖軸產(chǎn)生微小不規(guī)則彎曲，其結(jié)果是傳導(dǎo)模變換成輻射模而導(dǎo)致光能損耗。

彎曲損耗是光纖彎曲時(shí)，傳導(dǎo)模變換成輻射模而產(chǎn)生的損耗。

色散在光纖數(shù)字通信系統(tǒng)中，由于光纖中信號(hào)是由不同的頻率成分和不同的模式成分來攜帶的，這些不同的頻率成分和不同的模式成分的傳輸速度不同，從而引起色散。

常用時(shí)延差表示色散程度，時(shí)延差越大，色散就越嚴(yán)重色散的分類材料色散、波導(dǎo)色散和折射剖面色散

采用復(fù)雜的折射率分布形狀和改變剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法獲得適量的負(fù)波導(dǎo)色散來抵消石英玻璃的正色散，從而達(dá)到移動(dòng)零色散波長點(diǎn)的位置

偏振模色散

兩個(gè)偏振模的到達(dá)時(shí)間差稱為偏振模色散PMD（PolarizationModeDispersion）內(nèi)因：纖芯的橢圓度和殘余內(nèi)應(yīng)力改變了光纖折射率分布。引起相互垂直的本征偏振以不同的速度傳輸，進(jìn)而造成脈沖展寬外因則是成纜和敷設(shè)時(shí)的各種作用力，即壓力、彎曲、扭轉(zhuǎn)及光纜連接等都會(huì)引起PMDDt1.1.3光纖的分類A類為多模光纖

B類為單模光纖

P12表1.1多模光纖分類

表1.2單模光纖分類表1.3A1類多模光纖的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)表1.4四種梯度型多模光纖的傳輸性能及場合表1.5

三類九種階躍型多模光纖的傳輸性能和應(yīng)用場合

梯度型多模光纖的結(jié)構(gòu)階躍型多模光纖的結(jié)構(gòu)單模光纖結(jié)構(gòu)表1.6B1.1類單模光纖的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)

表1.7B4類單模光纖的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)單模光纖分類G652光纖：非色散位移單模光纖

G653光纖：色散位移單模光纖G654光纖：截止波長位移單模光纖G655光纖：非零色散位移單模光纖色散平坦單模光纖色散補(bǔ)償單模光纖G652光纖

Single-modeopticalfibre(SMF)常規(guī)單模光纖，標(biāo)準(zhǔn)光纖，非色散位移光纖零色散波長為1.31mm，損耗為0.4dB/km；在1.55mm處有最小損耗0.3dB/km，色散為17~20ps/(nm·km)。是目前應(yīng)用最廣的光纖。G652A、G652B：B光纖增加了對(duì)PMD的規(guī)定G652C、G652D：對(duì)應(yīng)A、B，全波光纖，消除了1380nm附近的水吸

收峰，即系統(tǒng)可以工作在1360~1530nm波段

損耗系數(shù)G653光纖Dispersionshiftedsinglemodeopticalfibre(DSF)在1.55mm處實(shí)現(xiàn)最低損耗與零色散波長一致，但由于在1.55mm處存在四波混頻等非線性效應(yīng)，阻礙了其應(yīng)用（波分復(fù)用）。G654光纖Cutoffshiftedsinglemodeopticalfibre在1.55mm處具有極低損耗（大約0.18dB/km）且彎曲性能好。最佳工作波長范圍為1500-1600nm

這種光纖制造特別困難，最低衰減光纖十分昂貴，且很少使用。它們主要應(yīng)用在傳輸距離很長，且不能插入有源器件的無中繼海底光纖通信系統(tǒng)。G655光纖Non-zerodispersionshiftedsinglemodeopticalfibre(NZDSF)在1.55mm～1.65mm處色散值為0.1～6.0ps/（nm.km），用以平衡四波混頻等非線性效應(yīng)，適用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系統(tǒng)。G655A、G655B、G655C色散平坦單模光纖在1310~1550nm波段范圍內(nèi)都是低色散，且具有兩個(gè)零色散波長，即1310nm和1550nm色散平坦單模光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，尤其是該光纖的衰減大，離實(shí)用距離很遠(yuǎn)。

色散補(bǔ)償單模光纖色散補(bǔ)償單模光纖是一種在1550nm波長處有很大的負(fù)色散的單模光纖

當(dāng)常規(guī)單模光纖系統(tǒng)工作波長由1310nm升級(jí)擴(kuò)容至1550nm波長工作區(qū)時(shí)，其總色散呈正色散值，通過在該系統(tǒng)中加入一段負(fù)色散光纖，即可抵消幾十千米常規(guī)單模光纖在1550nm處的色散值，從而實(shí)現(xiàn)業(yè)已安裝使用的常規(guī)單模光纖工作波長由1310nm升級(jí)擴(kuò)容至1550nm，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速率、大容量、遠(yuǎn)距離的傳輸。

光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成一個(gè)完整的光纖通信系統(tǒng)，是由兩端的數(shù)字終端設(shè)備和其間的光纖傳輸信道（即光纖數(shù)字線路系統(tǒng)）所組成。光纖傳輸信道包含光端機(jī)、光中繼器和光纜線路TXREGRXRRSST′TCCCCT、T′：光端機(jī)與數(shù)字設(shè)備接口S：緊靠在光接收機(jī)TX或中繼機(jī)REG的光連接器后面的光纖點(diǎn)R：緊靠在光接收機(jī)RX或中繼機(jī)REG的光連接器前面的光纖點(diǎn)光纖通信系統(tǒng)示意圖光纖通信系統(tǒng)的構(gòu)成通常將光端機(jī)和光中繼機(jī)稱為光纖傳輸設(shè)備。

光端機(jī)與光纖有兩個(gè)連接點(diǎn)，即S、R，稱為光接口。光端機(jī)與數(shù)字終端設(shè)備也有兩個(gè)接口，為T′、T，稱為電接口。光纖傳輸設(shè)備的指標(biāo)分為兩大類型，即光接口傳輸指標(biāo)和電接口傳輸指標(biāo)。1.3光纖測量系統(tǒng)的基本知識(shí)

光纖作為光的傳輸媒介，其參數(shù)的測量，一般由單個(gè)或多個(gè)波長的光通過光纖后，測量光的幅度和相位變化，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)學(xué)處理得出。因此，任何光纖測試系統(tǒng)都必須具有發(fā)送、耦合、接收這三部分。光纖通信測量系統(tǒng)的基本知識(shí)光纖通信測量系統(tǒng)的組成光源：光電轉(zhuǎn)換；波長與功率的穩(wěn)定性探測器：光電轉(zhuǎn)化在整個(gè)測量過程中都要求清潔，操作謹(jǐn)慎，注意光纖彎曲光纖端面注入系統(tǒng)

對(duì)于光纖測量系統(tǒng)，為保證測量系統(tǒng)的可靠性和重復(fù)性，需要使光信號(hào)模式達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，為了獲得穩(wěn)定狀態(tài)，采取以下三種穩(wěn)態(tài)模式模擬器包層模消除器（claddingstripper）

濾模器(modefilter)

擾模器(scrambler)

包層模消除器claddingstripper

在光耦合過程中，并不只是激勵(lì)起傳導(dǎo)模，還會(huì)激勵(lì)起泄漏模和輻射模，而且當(dāng)光纖發(fā)生微彎曲變形時(shí)，還會(huì)由傳導(dǎo)模轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠！?/p>

當(dāng)光纖的一次涂覆材料的折射率比石英包層的折射率低時(shí)，輻射模將會(huì)在包層和涂覆層的界面上產(chǎn)生全反射，從而形成包層模。

包層模消除器用于消除包層模的器件稱之為包層模消除器

只需將離光纖注入端不遠(yuǎn)處的一段光纖涂覆層去掉，然后將其浸在折射率稍大于包層折射率的匹配液中，包層與涂覆層間的輸出光將折向匹配液中并被吸收。匹配液可由甘油、四氯化碳等。

濾模器modefilter

單模光纖是利用基模進(jìn)行工作的，單模光纖參數(shù)的測量一般都只考慮基模場的分布及能量的變化等。

用來濾除高階模的器件稱為濾模器。

高階模有著衰減常數(shù)大的特點(diǎn)，對(duì)光纖稍加彎曲，這些高階模會(huì)很快衰減掉。因此只要在光纖注入端打個(gè)小圈就可起到濾模作用。為了統(tǒng)一起見，我們可作一個(gè)半徑小于30mm的圓柱，將光纖在上面繞一周即可。擾模器(scrambler)

擾模器一般用于測量多模光纖的衰減常數(shù)和帶寬傳輸常數(shù)

實(shí)驗(yàn)表明，注入光經(jīng)過一定長度路徑之后，傳導(dǎo)模經(jīng)過長時(shí)間的耦合轉(zhuǎn)換，最后使各個(gè)傳導(dǎo)模所攜帶的功率達(dá)到穩(wěn)定，我們稱之為穩(wěn)態(tài)模分布。一般都要經(jīng)過幾百米甚至上千米的光纖之后才能建立穩(wěn)態(tài)模分布，

擾模器就是根據(jù)