光纖工作特性

第二章光纖結(jié)構(gòu)及原理5單模光纖中的非線性效應(yīng)4光纖的損耗色散3光纖的波動理論2光纖中的射線光學(xué)理論1光纖的結(jié)構(gòu)與分類6光纖相關(guān)技術(shù)問題1單模光纖及特性2光纖的工作特性3光纖特性的測量2.4影響光纖工作特性的參數(shù)1損耗？2色散3溫度4光纖的機械特性5非線性效應(yīng)6工作特性測量光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。1.衰減系數(shù)損耗是光纖的一個重要傳輸參量，是光纖傳輸系統(tǒng)中繼距離的主要限制因素之一。損耗的大小可以用衰減常數(shù)α定義。通常α表示成dB/km為單位的形式。例一光纖長80km，損耗=0.2dB/km。當(dāng)入纖功率為1mW時，出纖功率為多少？Pin=10lg（1mW/1mW）=0（dBm）

L=80km×0.2dB/km=16dB。Pout=0dBm-16dB=-16dBm或25WPout=Pin*exp（-

pL)=1mW×exp（0.2/4.343×80）=0.025mW光波在光纖中傳輸，隨著距離的增加光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗，該損耗直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短，是光纖最重要的傳輸特性之一。自光纖問世以來，人們在降低光纖損耗方面做了大量的工作，1.31μm光纖的損耗值在0.5dB/km以下，而1.55μm的損耗為0.2dB/km以下，這個數(shù)量級接近了光纖損耗的理論極限。損耗動態(tài)圖dgsunhao，損耗光譜圖bijiao形成光纖損耗的原因很多，光源與光纖端面的耦合損耗，反射損耗，連接處的連接損耗，以及光纖內(nèi)部損耗。其損耗機理復(fù)雜，計算也比較復(fù)雜(有些是不能計算的)。降低損耗主要依賴于工藝的提高相對材料的研究等。光纖損耗的原因主要有吸收損耗和散射損耗，還有來自光纖結(jié)構(gòu)的不完善。

光纖通信的低損耗窗口光纖的損耗譜特性如圖所示由石英光纖的損耗譜曲線自然地顯示光纖通信系統(tǒng)的三個低損耗窗口：①第一低損耗窗口短波長0.85μm附近；②第二低損耗窗口長波長1.31μm附近；③第三低損耗窗口長波長1.55μm附近；實驗上曲線的損耗值為：對于單模光纖，在0.85μm時約為2.5dB/km；在1.31μm時約為0.4dB/km；在1.55μm時僅為0.2dB/km，已接近理論值(理論極限為0.15dB/km)。可用帶寬1.3微米，譜寬80nm，帶寬14THz1.55微米，譜寬180nm帶寬22THz光纖損耗特性的分析光纖損耗主要包括：(1)材料的吸收損耗(2)光纖的散射損耗(3)輻射損耗

back材料的吸收損耗(1)紅外和紫外吸收損耗(2)OH離子吸收損耗(3)金屬離子吸收損耗紅外和紫外吸收損耗本征吸收低能級電子的躍遷石英玻璃Si-O的振動吸收OH離子吸收損耗sunhao1.swf雜質(zhì)吸收光纖材料中的金屬雜質(zhì)，影響波長0.6-1.1m，小于1dB/km

返回(2)光纖的散射損耗

(1)瑞利散射損耗（2）波導(dǎo)散射損耗（3）非線性損耗

返回瑞利散射損耗波導(dǎo)散射損耗在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。

光纖芯徑沿軸向不均勻（大于光波長尺度）造成導(dǎo)模和輻射模間的能量耦合，使能量從導(dǎo)模轉(zhuǎn)移到輻射模，造成波導(dǎo)散射損耗（又稱米氏散射），目前的光纖制造水平，可將芯徑的變動控制到<1%，相應(yīng)的散射損耗<0.03dB/km，可以忽略。非線性損耗當(dāng)光通信系統(tǒng)運行于高能級(>幾毫瓦），且比特率>2.5Gb/s，需要考慮非線性效應(yīng)。

光纖中存在兩種非線性散射，源于光波與二氧化硅介質(zhì)中聲子（分子震動）的相互作用。它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。返回輻射損耗光纖彎曲半徑比光纖直徑大得多光纖成纜時其軸線產(chǎn)生的隨機性微彎光纖使用過程中產(chǎn)生的兩類彎曲,而導(dǎo)致的損耗.

返回光纖的色散特性1什么是光纖色散

信號在光纖中是由不同的頻率成分和不同模式成分?jǐn)y帶的，這些不同的頻率成分和模式成分有不同的傳播速度，從而引起色散。也可以從波形在時間上展寬的角度去理解，即光脈沖在通過光纖傳播期間，其波形在時間上發(fā)生了展寬，這種觀象就稱為色散。如圖moshisesan

光纖色散是光纖通信的另一個重要特性，光纖的色散會使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量。因此制造優(yōu)質(zhì)的、色散小的光纖，對增加通信系統(tǒng)容量和加大傳輸距離是非常重要的。

2色散的程度描述時延差Δτ可以表示光纖的色散程度：式中：D為色散系數(shù)，單位為ps/(nm·km)，Δλ為光源譜寬，則單位長度內(nèi)時延差時延差越大，色散越嚴(yán)重。色散產(chǎn)生原因（1）材料色散（2）波導(dǎo)色散（3）模間色散（4）偏振模色散大家可要做好筆記呦！

由于光源的不同頻率（或波長）成分具有不同的群速度，在傳輸過程中，不同頻率的光束的時間延遲不同。由于材料折射率隨光信號頻率的變化而不同，光信號不同頻率成分所對應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。材料色散例題測得一單模光纖在波長為0.85m時的λ2(d2n/dλ2)=0.02，計算其色散系數(shù)。設(shè)LED光源的譜寬為λ=20nm，計算脈沖展寬。若采用譜寬為λ=0.2nm的LD光源，脈沖展寬又是多少？（2)波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散是由于光纖中模式的傳播常數(shù)是頻率的函數(shù)而引起的。它不僅與光源的譜寬有關(guān)，還與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)如V等有關(guān)。單模光纖只有約80%的光功率在纖芯中傳播，20%在包層中傳播的光功率其速率要更大一些。這種由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱為波導(dǎo)色散。對于一定的V，每個導(dǎo)模有不同的群時延。當(dāng)把光脈沖注入光纖，光能量分布在各個模式，到達終點的時間不同，脈沖發(fā)生展寬。對于多模光纖，材料色散可以忽略。對于普通的單模光纖，波導(dǎo)色散相對于材料色散較小，它與光纖波導(dǎo)參數(shù)有關(guān)，隨V、光纖的纖芯、光波長的減小而變大。波導(dǎo)色散為負(fù)色散。若V=2-2.4，=0.01，

n1=1.5則有模式色散是指不同模式的電磁波在光纖中傳播，群速度不同而引起的色散?？梢杂霉饫w中傳輸?shù)淖罡吣Ｊ脚c最低模式之間的時延差來表示。moshisesan（3）模間色散若V=2-2.4，=0.01，

n1=1.5則有對發(fā)光二極管，取/=0.04多模漸變光纖的色散

對于漸變型光纖，由于離軸心較遠的折射率小，因而傳輸速度快。離軸心較近的折射率大，因而傳輸速度慢。結(jié)果使不同路程的光線到達輸出面的時延差近似為零，所以漸變型多模光纖的模式色散較小jbiansesan。由于光信號的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散。圖

偏振模色散

（4）偏振模色散（PMD）單模光纖的色散特性只傳輸一個模式的光纖，單模傳輸條件0＜V＜2.40483色散位移光纖，工作波長在1.55μm，低損耗，低色散。非標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，在1310nm波長處的色散為零。非零色散位移光纖，適用于WDM系統(tǒng)幾種不同的單模光纖G.652G.653G.655光纖的傳輸帶寬色散使沿光纖傳輸?shù)墓饷}沖展寬，最終可能使兩個相鄰脈沖發(fā)生重疊。重疊嚴(yán)重時使接收機無法區(qū)分它們，造成誤碼(圖下)。定義相鄰兩脈沖雖重疊但仍能區(qū)別開時的最高脈沖速率為該光纖線路的最大可用帶寬。光纖的帶寬特性如圖對階躍多模光纖，帶寬主要受模間色散的限制，僅數(shù)十MHz·km。漸變多模光纖，當(dāng)工作在1.3μm波長、采用LD光源時，材料色散是主要的限制。對單模光纖，影響帶寬的是材料色散和波導(dǎo)色散，單模光纖有最大的帶寬距離積。另外，梯度折射率分布的塑料多模光纖(芯徑420μm)已達到2.5GHz的帶寬，傳輸距離100m，光源為647nmLD，預(yù)期可達到10～20GHz帶寬，距離100m。這種光纖可用于近距離的局域網(wǎng)(LAN)中。

back溫度特性光纖的溫度特性，是指在高、低溫條件下對光纖損耗的影響，一般是損耗增大。光纖的機械特性光纖的機械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強度。

機械特性（1）光纖的抗拉強度（2）光纖斷裂分析（3）光纖的壽命（4）光纖的機械可靠性①預(yù)制棒的質(zhì)量。③涂覆技術(shù)對質(zhì)量的影響。②拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染。④機械損傷。光纖的抗拉強度（2）光纖斷裂分析存在氣泡、雜物的光纖，會在一定張力下斷裂，如圖所示。（3）光纖的壽命光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，稱其已達到了使用壽命。從機械性能講，壽命指斷裂壽命。（4）光纖的機械可靠性一般來說，二氧化硅包層光纖的機械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機械可靠性，在光纖的外包層中摻入二氧化鈦，從而增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。單模光纖中的非線性效應(yīng)光纖中的非線性效應(yīng)是指光和物質(zhì)相互作用時發(fā)生的一些現(xiàn)象，也即光使得傳輸介質(zhì)的特性發(fā)生了變化，而介質(zhì)特性的改變又反過來影響了光場。原因1.光源，光放大器2.WDM技術(shù)，多信道3.單信道速率的高速率非線性效應(yīng)分類1受激散射效應(yīng)a）受激拉曼散射（SRS，stimulatedRamanScattering)b）受激布里淵散射（SBSstimulatedBrillouinScattering）2非線性折射率調(diào)制效應(yīng)a)四波混頻（FWMFourWaveMixing）

b)自相位調(diào)制效應(yīng)(SPM，Self-PhaseModulation)c)交叉相位調(diào)制（CPMCrossPhaseModulation）

back喇曼散射

在入射光作用下，媒質(zhì)內(nèi)部分子間的相對運動導(dǎo)致感應(yīng)電偶極矩隨時間的周期性調(diào)制，并對入射光產(chǎn)生散射作用。受激拉曼散射(SRS)當(dāng)入射光為普通低強度光源時，媒質(zhì)的普通拉曼散射較弱，散射光強度很小。當(dāng)入射光為高強度激光時，使媒質(zhì)的喇曼散射過程具有受激發(fā)射性質(zhì)，稱為受激拉曼散射(SRS)。SRS只有在入射光強超過某一閾值后才能產(chǎn)生，且散射光具有激光輻射同樣的特點。散射光通過媒質(zhì)時可以獲得放大，從而構(gòu)成拉曼放大器；受激散射光在適當(dāng)條件下可往返放大而產(chǎn)生振蕩，構(gòu)成拉曼激光器。拉曼閾值功率定義光纖輸出端斯托克斯功率與泵功率相等時的入射泵功率為拉曼閾值功率纖芯有效面積拉曼散射增益系數(shù)有效光纖長度不利影響一、從光信號傳輸?shù)慕嵌?，在單信道通信中，SRS會導(dǎo)致光纖通信系統(tǒng)中信號光功率的附加衰減.二、由于泵浦脈沖與其產(chǎn)生的斯托克斯脈沖的相互錯位，如果在接收端不加光濾波器對斯托克斯脈沖抑制的話，將會造成碼間串?dāng)_。在多信道系統(tǒng)中，SRS將造成各信道之間的能量轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生信道串?dāng)_。由于SRS具有增益特性，而且可以在光纖中積累，因此這種效應(yīng)可被利用制作成光纖放大器。SRS光纖放大器具有很寬的增益譜寬（約5~10THz），可用于寬光譜的波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)中。另外SRS光纖放大器還具有響應(yīng)時間快、飽和輸出功率大、易于耦合等優(yōu)點。由于這些特性，SRS光纖放大器在光放大器中占有一席之地。利用SRS還可以制成光纖激光器，由于喇曼增益寬度很寬，因此喇曼激光器的輸出光波長可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。受激布里淵散射（SBS）布里淵散射，就是入射到介質(zhì)上的光波場與介質(zhì)內(nèi)的彈性聲波發(fā)生相互作用而產(chǎn)生的一種光的散射現(xiàn)象。受激布里淵散射當(dāng)頻率為νl的強激光通過光學(xué)介質(zhì)時，介質(zhì)在強激光的作用下產(chǎn)生電致伸縮效應(yīng)，結(jié)果在介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生頻率為νb的相干聲波，入射激光與此相干聲波相互作用產(chǎn)生頻率為νs=νl-νb的stokes散射光。閾值特性即只有當(dāng)入射激光強度超過一定的激勵閾值后，才能產(chǎn)生受激布里淵散射效應(yīng)。只有當(dāng)輸入泵浦光功率達到或超過這一臨界值時，SBS過程才能充分表現(xiàn)出來。SBS的閾值泵浦功率定義為：光纖輸出端輸出的斯托克斯光功率與光纖輸出端輸出的泵浦光功率相等時所對應(yīng)的輸入端泵浦光功率。受激布里淵散射光也具有良好的方向性、高的光譜單色性和高亮度特性。調(diào)制特性。受激布里淵散射與入射激光的調(diào)制時間特性有很大的關(guān)系，散射強度會隨入射激光的調(diào)制時間特性的不同有相應(yīng)的降低。影響從信號傳輸角度看，它主要將引起光信號功率的衰減，并對光發(fā)射機構(gòu)成危害。為消除SBS的影響，需在通信系統(tǒng)中的光源器件前加光隔離器。非線性折射率調(diào)制效應(yīng)1）自相位調(diào)制2）交叉相位調(diào)制3）四波混頻非線性折射率由于光纖的三階非線性極化率，介質(zhì)的折射率與在其中傳輸?shù)墓鈭龅膹姸扔嘘P(guān)。介質(zhì)內(nèi)的電位移矢量D與電場E的關(guān)系為D=ε0E+P自相位調(diào)制SPM在纖芯中，非線性折射率將使導(dǎo)模的傳播常數(shù)與光功率有關(guān)。由光場自身產(chǎn)生非線性效應(yīng)引起的非線性相移設(shè)一波長為λ,強度為P的光脈沖在長度為L的光纖中傳輸。光脈沖感應(yīng)的折射率變化為

Δn(t)=γP相應(yīng)的附加相位為前沿移向低頻，中間線性，后沿移向高頻交叉相位調(diào)制當(dāng)兩束以上光波同時在光纖中傳輸時，它們將通過光纖中的非線性發(fā)生互作用?；プ饔玫囊环N表現(xiàn)是：產(chǎn)生新的光波，如SRS、SBS、FWM及諧波產(chǎn)生等?；プ饔玫牧硪环N現(xiàn)象是所謂交叉相位調(diào)制(XPM)，這時一個光波的有效折射率(因而非線性相移)不僅與其本身的強度有關(guān)．而且與另外一些同時傳輸?shù)墓獠◤姸扔嘘P(guān)，XPM總是伴有SPM。

在XPM作用下，WDM系統(tǒng)中一個信道的相位將受其他各信道總功率的調(diào)制，然后光纖色散將這種相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成幅度調(diào)制，使該信道的性能下降。當(dāng)信道之間的間隔及光纖色散愈小時，XPM的影響愈大。

四波混頻當(dāng)頻率為ω1

、ω2、ω3

的3個光束同時在光纖中傳輸時，由于光纖的三階電極化率，將會產(chǎn)生頻率為ω4的第4個光束，從能量守恒要求

ω

4＝

ω1

±

ω2

±

ω3。這就是四波混頻(FWM)過程。

FWM會引起WDM系統(tǒng)中信道之間的串?dāng)_，嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量，光纖色散及信道間隔愈小，相位匹配條件愈易滿足，串?dāng)_就愈嚴(yán)重。

損耗色散非線性光纖損耗、色散和非線性對光信號傳輸?shù)挠绊懰p輸入信號輸出信號時間頻率信號畸變,串?dāng)_時間脈沖展寬back

光纖工作性能的測評光纖測試方法和有關(guān)光纖衰減、色散、強度和可靠性，光纖的光學(xué)和機械性能都是化學(xué)、制造工藝和剖面結(jié)構(gòu)的函數(shù)。損耗色散可靠性穩(wěn)態(tài)模式光能耦合進多模光纖時會激勵起很多模式，各個模式所攜帶的光能量是不同的，傳輸時的損耗也不同，模式之間還有能量轉(zhuǎn)換，只有經(jīng)過一個相當(dāng)長的時間以后才能達到一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此時稱為穩(wěn)態(tài)模式。滿注入就是要均勻地激勵起所有的傳導(dǎo)模式；滿注入和限制注入限制注入就是只激勵起較低損耗的低階模，而適當(dāng)抑制損耗較大的高階模。具體方法1擾模器，即采用強烈的幾何擾動，使多模光纖不需要很長的距離就能迅速達到穩(wěn)態(tài)分布。2濾模器，濾除不需要的瞬態(tài)模或其他不需要的傳導(dǎo)模，這些模損耗較大，對光纖稍加彎曲就可衰減掉。3包層模剝除器，即除去不需要的包層中的非傳導(dǎo)輻射模。1衰減測量1剪斷法2插入損耗法3后向散射法（光時域反射儀）1剪斷法(1)將光耦合進入一根長光纖。(2)測量輸出進入到大面積的光探測器上的光(這樣光纖-探測器的耦合保持常數(shù)）(3)按照規(guī)定的長度剪斷光纖并測量傳輸?shù)墓鈴娮兓?。如圖qieduan光纖足夠長，以避免截止模附近波長的干擾優(yōu)缺點1優(yōu)點：精度高，可以低于0.1dB2缺點：破壞性2插入損耗法

插入損耗法在實質(zhì)上是將切斷法做成儀器，如圖charusunhao所示。由光發(fā)射設(shè)備和光接收設(shè)備組成一個完整的光纖傳輸系統(tǒng)，待測光纖即為傳輸部分。測試步驟首先：在測試前首先對測量儀器進行校準(zhǔn)，用1cm左右長的“短路”光纖連接系統(tǒng)的發(fā)射和接收部分，通過調(diào)整光源的輸出功率使得接收部分顯示的功率為0dBm。其次：拆去"短路"光纖，接入待測光纖，此時接收部分顯示的即為待測光纖的總平均損耗(dB)，用此值除以光纖的長度即為光纖的損耗系數(shù)連接器質(zhì)量會影響測試精度，測出的損耗值是成纜光纖的損耗與發(fā)射端連接器和光纜連接器的損耗之和。后向散射法，光時域反射儀(OTDR)用窄激光脈沖激勵光纖會產(chǎn)生一個離開光纖的連續(xù)的后向散射信號。假定一個線性和均勻的散別過程，后向散射光隨著時間的延長而減小變成一幅往返的衰減與距離圖。一般光強的突然減小說明是一個接點損耗，而一個窄峰通常表示有一個反射。

一個典型的OTDR測試信號，如圖houxiang下所示。OTDR對激勵條件——光纖(如果激勵光纖不合適，那么就通常會發(fā)生異常行為)非常敏感。因此，對于所有的衰減測量方法，重要的是控制注入條件。特點優(yōu)點：非破壞性，可以測量比較多的數(shù)據(jù)缺點：無法控制后向散射光的模式分布，對光纖的非均勻性很敏感。色散與帶寬測量1時域（脈沖時延法）2頻域3群時延相移法4干涉測量光纖色散的測試數(shù)字信號在光纖中傳輸時是由不同的頻率成分或不同的模式成分來攜帶的。這些不同的頻率成分或模式成分有不同的傳輸速度，當(dāng)它們在光纖中傳輸一段距離后將互相散開，于是光脈沖被展寬，這種現(xiàn)象就是色散。色散特性可以從時域或頻域兩方面描述，光脈沖在時間上的展寬實際上是從時域特性來描述光纖的色散效應(yīng)的，而光纖的頻域特性則是指光纖中每個頻率成分的失真。1)多模光纖的色散測試

假設(shè)光纖的輸入/輸出脈沖波形都近似為高斯分布，如下圖所示。圖（a）為輸入脈沖，幅度為A1，則A1/2所對應(yīng)的寬度Δτ1是這個脈沖的寬度。圖（b）為輸出脈沖，假設(shè)幅度為A2，則A2/2所對應(yīng)的寬度Δτ2是這個脈沖的寬度。經(jīng)證明，經(jīng)光纖傳輸后的脈沖展寬Δτ、Δτ1和Δτ2的關(guān)系是

圖

假設(shè)光纖的輸入/輸出脈沖波形都近似為高斯分布所以只要測出Δτ1和Δτ2，就可以得到脈沖展寬Δτ。如果輸入脈沖Pin（t）對應(yīng)的頻譜函數(shù)是Pin（f），輸出脈沖Pout（t）對應(yīng)的頻譜函數(shù)為Pout（f），那么光纖的頻率響應(yīng)特性H（f）為

當(dāng)輸出頻譜下降為輸入頻譜的一半時，對應(yīng)的頻率為光纖的帶寬，用f