光纖與通信：第2章光纖及其特性

第2章光纖

--光纖導光原理及其特性光纖的結構及分類光纖導光原理光纖的模式理論光纖的損耗特性光纖的色散光纖的非線性效應常用光纖纖芯包層涂覆層裸光纖1、光纖的結構§2.1光纖的結構及分類典型結構是多層同軸圓柱體自內向外為纖芯、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，起保護光纖不受水汽的侵蝕相機械的擦傷，同時又增加光纖的柔韌性，起著延長光纖壽命的作用。涂覆層的主要作用是為光纖提供保護2、光纖的分類1）按制造光纖所使用的材料分

2）按工作波長來分3）根據(jù)光纖中傳輸模式分4）根據(jù)折射率分布分

有石英系列、塑料包層石英纖芯、多組分玻璃纖維、全塑光纖等四種。短波長光纖長波長光纖單模光纖和多模光纖有階躍型光纖StepIndex

SI漸變型(梯度型)光纖GragedIndexGIW型光纖等階躍型光纖SIStepIndex漸變型(梯度型)光纖GI

GragedIndexW型光纖3、光纜制造1、原材料提純去掉光纖原料中的雜質，以降低雜質吸收。2、制棒將提純后的材料合成一定折射率分布的預制棒。將預制棒拉制成原折射率分布的光纖。3、拉絲4、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。5、成纜目的：去掉光纖原料中的雜質，以降低雜質吸收。方法：精餾——吸附——精餾精餾塔活性吸附物質二級精餾活性吸附物質精料槽

SiCl4HO-Cu2+_氧化鋁或活性硅膠SiCl4材料提純熔煉制棒方法：MCVD法（改進的化學汽相沉積法）BELLPCVD法（等離子激活化學汽相沉積法）PHILIPSVAD法（汽相軸向沉積法）NTT

OVD法（管外汽相沉積法）CORNINGAPVD法（等離子化學汽相沉積法）ALCATEL目的：將提純后的材料通過物理與化學的方法合成一定折射率分布光纖預制棒。折射率分布通過控制摻雜濃度實現(xiàn)?；瘜W反應方程MCVD法（改進的化學汽相沉積法）纖芯:SiO2+GeO2(P2O5)包層:SiO2+B2O5拉絲目的：將具有一定的折射率分布的預制棒拉制成折射率分布不變的光纖。123

4

67891---光纖預制棒2---高溫爐3---測溫儀4---爐溫控制5---激光測徑儀6---調速系統(tǒng)7---涂覆器8---固化爐9---收絲輪5光纖經(jīng)過涂覆后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

一、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，防雷，防腐。3、傳輸性能好：避免工程中帶來的附加損耗或色散。2、光纜護套一般由塑料材料制造，保護光纜芯受到機械外力和環(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）二、光纜的基本結構按成纜光纖類型多模光纖光纜和單模光纖光纜按纜芯結構中心束管、層絞、骨架和帶狀按加強件和護層金屬加強件、非金屬加強、鎧裝按使用場合長途/室外、室內、水下/海底等按敷設方式架空、管道、直埋和水下3、光纜的分類4、光纜的結構（成纜方式）層絞式骨架式中心束管式帶狀式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，管中填沖油膏，光纖浮在油膏中。套管式光纜的結構合理、重量輕、體積小、價格便宜。層絞式結構光纜加強芯纖芯套塑填充料防潮層內護套鎧裝外護套----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構，這種結構適用于芯線數(shù)較少的的光纜。骨架式結構光纜----溝槽式光纜是將單根或多根光纖放入溝槽中，骨架中心是加強元件。這種結構的光纜的抗側壓性能好，單制造工藝復雜?！?.2光纖導光原理光纖導光原理的分析方法：射線理論(幾何光學法)

波動理論(模式理論)折射定律一、SI光纖射線分析1、導光原理內全反射非子午面光線Snell定律臨界角臨界角對應的捕光角捕光角內全反射導光原理內全反射的條件相對折射率差3、模式及時延差傳導模輻射模2、數(shù)值孔徑NA(NumericalAperture)光源與光纖的耦合效率高光纖里有很多條光線和軸線夾角相同的一簇光線稱作一個模式模式有兩類：傳導模輻射模模式有兩類：光纖中有很多傳導模，路徑不同，時延不同。最大時延差模式時延兩條路徑脈沖展寬：不引起碼間干擾的脈沖間隔：碼元速率（帶寬）：不同傳導模式的時延差使光脈沖展寬碼間干擾不同模式有時延差對傳輸信號有什么影響？提高帶寬的方法：例：求光脈沖傳1公里的脈沖擴展寬度和最大比特率。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-------單模光纖二、GI光纖射線分析g=2拋物線型n3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a如果將漸變折射率看成分層均勻層數(shù)N,層厚光線在介質中的傳輸軌跡應該用射線方程表示r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。將射線方程應用到光纖的圓柱坐標中，光纖中的近軸子午光線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。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：

1、射線方程

對近軸光線，，

2、射線軌跡3、漸變光纖中的光線（1）自聚焦特性（2）最大時延差§2.3光纖的模式理論()圓柱坐標系n階貝塞爾方程為整數(shù)Bessel方程的求解函數(shù)冪級數(shù)展開法s階貝塞爾方程貝塞爾方程的解用冪級數(shù)展開階貝塞爾函數(shù)如果s不是整數(shù)，另一個解為如果s是整數(shù)線性相關也是貝塞爾方程的解存在并與無關諾依曼(Neumann)函數(shù)整數(shù)階貝塞爾函數(shù)和正弦和余弦三角函數(shù)有類似的性質奇偶性漸進表達式虛宗量Bessel函數(shù)n階貝塞爾方程在纖芯中在包層中求u、w、β的值先推導u、w、β滿足的方程歸一化頻率V下面由邊界條件得到u和w的另一關系弱導近似給定V值，代入求u、w分3種情況求解聯(lián)立的超越方程：1）2）3）求u、w、β的值歸一化頻率V由邊界條件得到u和w的另一關系弱導近似給定V值，代入求u、w給定V值，代入求u、w分3種情況求解聯(lián)立的超越方程：1）2）3）1）2）3）光纖中的模式：混合模例如：傳導模和輻射模滿足以上條件的模式是傳導模當不滿足即包層中的波和纖芯中的類似就是輻射波傳導模輻射摸截止歸一化頻率每個模式都有一個對應的截止規(guī)一化頻率求計算歸一化截止頻率求2.4048,5.5201,8.6537,傳導模模式VcHE110TE01、TM01、HE212.4048HE12、HE31、EH113.832HE41、EH215.1356HE135.520圖2.12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V光纖中的場和模式歸一化截止頻率Vc傳導模不同的模式（2）場分布不同（3）傳輸特性也不同（1）截止頻率不同最低階模式HE11TE01TM01HE21第一高階模式組幾個模式的場圖線偏振模HE21TE01HE21TM01LP11LP11LinearlyPolarized(LP)modes通過變換得到直角坐標系中的橫向場分量為

光纖中的場和模式歸一化截止頻率Vc傳導模不同的傳導模式（2）場分布不同（3）傳輸特性也不同（1）截止頻率不同線偏振模在多模階躍光纖中，多個導模同時傳輸，光纖的歸一化頻率V愈大，導模數(shù)愈多，導模數(shù)M可按下式計算

在多模漸變光纖中,導?？倲?shù)為

例：已知求導模數(shù)解：模功率分布

將LPmn模的場分布代入，可得

(1)每個傳導模（2）同一頻率單模光纖

單模光纖應滿足單模條件

截止波長單模光纖應滿足單模條件工程上截止波長由測量得到。光纖只傳播基模HE11模

（1）單模光纖的截止波長單模光纖工作模式HE11的電場分布為零階Bassel函數(shù)，可近似為指數(shù)分布，（2）主模LP01(HE11)的模場分布模場直徑MFD（Mode-fielddiameter）單模光纖的模場直徑(MFD)近似為：電場下降為1/e時的半徑的2倍;模場直徑一般定義為：多模光纖的模場直徑與纖芯幾乎相等，但單模光纖的模場直徑一般不等于模場直徑。誤差小于1%一般取單模光纖1）單模光纖的截止波長單模光纖應滿足單模條件3)模場直徑MFD（Mode-fielddiameter）2）主模LP01(HE11)的模場分布誤差小于1%一般取3)模場直徑MFD（Mode-fielddiameter）§2.4光纖的損耗特性(衰減特性Attenuation）吸收損耗1.本征吸收2.雜質吸收3.原子缺陷吸收散射損耗1、線性散射

2、非線性散射

彎曲損耗1.光纖宏彎曲2.光纖微彎一、光纖損耗分類二、光纖損耗的系數(shù)

為衰減指數(shù)。通常光纖損耗用單位長度的分貝(dB)數(shù)表示，定義為

光纖損耗系數(shù)三、損耗機理吸收損耗是由于光纖本身和光纖的雜質對光的吸收損耗。（1）、本征吸收光纖材料本身對光的吸收（sio2）。(a)紅外吸收帶（b）紫外吸收帶吸收損耗有三個原因，一是本征吸收，(光纖材料本身對光能量的吸收，也稱為固有吸收)

二是雜質吸收，（光纖中雜質對光能量的吸收）三是原子缺陷吸收。1、吸收損耗固有吸收和光波長的關系（吸收光譜）有兩個峰值（a）紅外吸收機理：由于材料本身的原子之間的化學鍵形成形成晶格，當光纖中的光的波長與晶格相鍵長相當時，光的能量向晶格傳遞，引起損耗。吸收帶：>1.5um，向紅外延伸波長

um損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8影響：對長波光通信影響較大紅外區(qū)的中心波長在8μm～12μm

范圍內，對光纖通信波段影響不大。對于短波長不引起損耗，對于長波長光纖引起的損耗小于1dB/km。（b）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)生轉移。吸收帶：<1.6um,向紫外延伸波長

um損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8影響：對短波長通信影響較大紫外區(qū)中心波長在0.16μm附近，尾部拖到lμm左右，已延伸到光纖通信波段(即0.8μm～1.7μm的波段)。在短波長范圍內，引起的光纖損耗小于1dB／km。在長波長范圍內，引起的光纖損耗小0.1dB／km。（a）光纖中含有鐵、鎳、銅、錳、鉻、釩、鉑等過渡金屬造成的附加吸收損耗稱為雜質吸收。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長技術已經(jīng)實現(xiàn)。(2)、雜質吸收機理：主要由于光纖材料的不純凈引起的。（b）水的氫氧根離子(OH)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，產(chǎn)生若干個吸收。CuAlFeGeNi(可以消除)OH–波長

um損耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8（影響較大）0.9~1.01.2~1.31.33~1.5(3)、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。吸收損耗：本征吸收紅外吸收紫外吸收雜質吸收有色金屬OH根的吸收原子缺陷吸收

圖3.3摻雜2、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喇曼(Raman)和受激布里淵(Brillouin)散射瑞利(Rayleigh)散射波導散射損耗散射光和入射光波長相同散射光和入射光波長不同(1)、瑞利散射損耗阻礙粒子比光波長小或可比時產(chǎn)生的散射叫瑞利散射。機理：密度不均勻的微粒產(chǎn)生的瑞利散射影響：對短波長的光影響較大（與λ4

呈反比）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(2)光纖的結構不完善產(chǎn)生的損耗（波導散射損耗）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）殘留氣泡引起的散射損耗影響：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散射（3）、光纖的彎曲損耗a、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：對于長期應用，光纖的彎曲半徑應超過包層直徑的150倍；對于短期應用，光纖的彎曲半徑應超過包層直徑的100倍；對于硅光纖，包層直徑是125微米，對應的彎曲半徑分別為19和13毫米b、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模與漏模或非傳導模之間能量的反復耦合。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

光纖損耗譜特性短波長的0.85m波段長波長的1.31m及

1.55m波段3個損耗最小窗口各類石英光纖的典型損耗值（dB/km）波長（μm）多模光纖單模光纖階躍型梯度性階躍型0.85332.51.30.5---10.5---10.41.550.50.30.2---0.3

通過超純光纖生產(chǎn)工藝削去1.24m及1.39m的OH峰，實現(xiàn)了1200—1650nm的全波光纖，最大損耗不超過0.5dB／km，為波分復用在更寬的光波范圍內的應用提供了可能。C波段是WDM系統(tǒng)最常用的傳輸波段全波光纖通?？蓪⒃摬ㄩL范圍劃分為6個波段光纖的損耗譜光纖損耗測試

兩種方法：1）光源+光功率計

2）光時域反射計（OTDR）光時域反射計§2.5光纖的色散(Dispersion)1、色散的分類模間色散(ModeDispersion)

色度色散(CromaticDispersion)

偏振色散(PolarizationModeDispersion)模內色散材料色散波導色散什么是色散：當電磁波在一媒質中波傳播時，波的不同成分速度不同這種現(xiàn)象稱為色散。（1）模間色散機理：多模光纖中同時存在多個傳導模式，不同模式的軸向傳輸速度不同，使得它們到達終端有先有后，引起脈沖展寬。脈沖展寬：碼元速率（帶寬）：材料色散機理：光源發(fā)出的光不是單一波長的光，而是具有一定的譜線寬度，而不同波長的光在光纖中的傳播速率不同，因而導致同一個模式的光在光纖中傳播也有時延差，輸出脈沖產(chǎn)生畸變。波導色散（結構色散）

機理：光在光纖中傳播時，由于光纖的結構引起不同波長的光在光纖中的傳播速度不同，因而導致同一個模式的光在光纖中傳播也有時延差，輸出脈沖產(chǎn)生畸變。

(2)色度色散光載波中包含很多頻率成分色散使得脈沖的寬度被展寬，傳輸速率降低色散對光通信的影響2、色度色散光通信的光源包含許多頻率成分群速相速3）群時延差色散系數(shù)單位是ps/(nm·km)

2）群時延（GVD）

2、色度色散色散系數(shù)單位是ps/(nm·km)

零色散波長常規(guī)單模光纖群時延差色散系數(shù)零色散波長常規(guī)單模光纖群時延差色散系數(shù)非色散位移光纖色散位移光纖色散位移光纖0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)

20100-10-20色散(ps/nm.km)非零色散位移光纖DSFDispersion-ShiftedFiberNZDSFNonzeroDispersion-ShiftedFiber單模光纖的最佳設計

折射率剖面設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圖3.12幾種有代表性的折射率剖面3、偏振模色散PMD(PolarizationModeDispersion)由于實際光纖本身存在缺陷，例如纖芯的幾何形狀不規(guī)則和內部應力不均勻等，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）。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：

光纖色散對光脈沖傳輸?shù)挠绊懨}沖寬度由均方根寬度表示chirp高斯脈沖C頻率chirp系數(shù)寬光源光譜比較大色散斜率§2.6光纖的非線性效應當光纖中傳輸?shù)墓β屎艽髸r，就會有非線性效應光纖的非線性效應包括光纖的非線性散射光纖的非線性折射率受激拉曼散射（SRS—stimulatedRamanscattering）

強光功率在光纖中傳輸時，SRS使得多波長系統(tǒng)中較短波長（高頻）光的能量向較長波長（低頻）的光轉移。影響：引起波分復用系統(tǒng)的串話1、非線性散射②受激布里淵散射（SBS—stimulatedBrillouinscattering）

閾值功率增益系數(shù)對于（1）自相位調制（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：由于光的非線性效應的影響，光場自身引起的相位變化，叫自相位調制。（2）交叉相位調制（XPM）某一信道的光場由于非線性效應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（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+f3-f2四波混頻的抑制：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）§2.7常用光纖目前ITU-T規(guī)定的光纖代號有G.651光纖（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）G.656光纖（寬帶全波光纖）

G.657光纖（接入網(wǎng)用光纖）根據(jù)我國國家標準規(guī)定，光纖類別的代號應如下規(guī)定：光纖類別應采用光纖產(chǎn)品的分類代號表示，即用大寫

A表示多模光纖，

B表示單模光纖，再以數(shù)字和小寫字母表示不同種類光纖。INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNION多模光纖類型單模光纖類型ITU-T G.651TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOFA50/125um

MULTIMODEGRADEDINDEXOPTICAL

FIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.651 (Previously“CCITTRecommendation”)INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-T

G.652TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOFASINGLE-MODEOPTICALFIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.652 (Previously“CCITTRecommendation”)INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-T

G.653TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOF

ADISPERSION-SHIFTEDSINGLE-MODE

OPTICALFIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.653INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-TG.655TELECOMMUNICATION

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITU(10/96)SERIESG:TRANSMISSIONSYSTEMSANDMEDIA,DIGITALSYSTEMSANDNETWORKSTransmissionmediacharacteristics–OpticalfibrecablesCharacteristicsofanon-zerodispersionshiftedsingle?modeopticalfibrecableITU-TRecommendationG.655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)1、G.651多模光纖工作頻率應用：小容量，短距離，局域網(wǎng)，校園網(wǎng)2、G.652光纖常規(guī)