光纖通信2-光纖

1光纖通信發(fā)展2光纖通信特點(diǎn)3光纖通信系統(tǒng)組成1970‘以來，發(fā)展經(jīng)過了4代：1、多模光纖2、常規(guī)單模光纖3、色散位移光纖4、波分復(fù)用WDM1、損耗小，中繼距離遠(yuǎn)2、載波頻率高，光纖色散小，容量大3光纖通信系統(tǒng)組成電信號輸入調(diào)制光源光放大器光檢測器信號恢復(fù)電信號輸出光發(fā)射機(jī)尾纖連接器光纖光纖接頭盒光耦合器其它設(shè)備光接收機(jī)光纖接頭盒連接器再生中繼器尾纖光纖光纖三大組成部分：光發(fā)送機(jī)、光纖光纜、光接收機(jī)模擬通信系統(tǒng)與數(shù)字通信系統(tǒng)光通信系統(tǒng)分類：模擬信號與數(shù)字信號光纖通信系統(tǒng)適合于傳輸數(shù)字信號模擬信號要經(jīng)過轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能在在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸模擬信號的取樣與編碼PCM（Pulse-codemodulation）編碼的實(shí)現(xiàn)過程多路信號復(fù)用光波系統(tǒng)具有很寬的頻帶資源，可傳送高速大容量信息，但傳送數(shù)字音頻信號僅需64kb/s的速率，很不經(jīng)濟(jì)?？梢酝ㄟ^復(fù)用的方法同時(shí)傳送多路信號。在單根光纖中可用三種復(fù)用方法提高通信容量：時(shí)分復(fù)用(TDM)

頻分復(fù)用(FDM)

波分復(fù)用(WDM）或光頻分復(fù)用（OFDM)

多路信號復(fù)用光發(fā)送機(jī)多路信號解復(fù)用光接收機(jī)1n1n光發(fā)送機(jī)光接收機(jī)光纖（光纜）輸入電信號輸出電信號光通信系統(tǒng)組成第2章光纖

--光纖導(dǎo)光原理及其特性光纖的結(jié)構(gòu)及分類光纖導(dǎo)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(yīng)常用光纖纖芯包層涂覆層裸光纖1、光纖的結(jié)構(gòu)§2.1光纖的結(jié)構(gòu)及分類典型結(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(hù)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(hù)光纖不受水汽的侵蝕相機(jī)械的擦傷，同時(shí)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(hù)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?nèi)サ艄饫w原料中的雜質(zhì)，以降低雜質(zhì)吸收。2、制棒將提純后的材料合成一定折射率分布的預(yù)制棒。將預(yù)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(jī)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(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?nèi)蹮捴瓢舴椒ǎ篗CVD法（改進(jìn)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）NTT

OVD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(shí)現(xiàn)。化學(xué)反應(yīng)方程MCVD法（改進(jìn)的化學(xué)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(yù)制棒拉制成折射率分布不變的光纖。123

4

67891---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5光纖經(jīng)過涂覆后雖然已具有了一定的抗張強(qiáng)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(jī)械性能。成纜

一、對光纜的要求1、機(jī)械性能好：保證光纖經(jīng)得起拉伸、沖擊、彎曲等影響。

2、防護(hù)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(hù)套一般由塑料材料制造，保護(hù)光纜芯受到機(jī)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(jìn)入。要求：抗水性好，溫度性能好，無毒，不易燃。5、鎧裝增加機(jī)械強(qiáng)度，防鼠，防蟲，防人為損傷。1、加強(qiáng)件加強(qiáng)件一般由鋼絲或增強(qiáng)塑料嵌在光纖中，用以承受拉伸負(fù)荷。（集中式加強(qiáng)件，分散式加強(qiáng)件）二、光纜的基本結(jié)構(gòu)按成纜光纖類型多模光纖光纜和單模光纖光纜

按纜芯結(jié)構(gòu)中心束管、層絞、骨架和帶狀

按加強(qiáng)件和護(hù)層金屬加強(qiáng)件、非金屬加強(qiáng)、鎧裝

按使用場合長途/室外、室內(nèi)、水下/海底等

按敷設(shè)方式架空、管道、直埋和水下3、光纜的分類4、光纜的結(jié)構(gòu)（成纜方式）層絞式骨架式中心束管式帶狀式光纖油膏加強(qiáng)件護(hù)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(jié)構(gòu)合理、重量輕、體積小、價(jià)格便宜。層絞式結(jié)構(gòu)光纜加強(qiáng)芯纖芯套塑填充料防潮層內(nèi)護(hù)套鎧裝外護(hù)套----層絞式光纜是將若干根光纖芯線以加強(qiáng)元件為中心絞合在一起的一種結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)適用于芯線數(shù)較少的的光纜。骨架式結(jié)構(gòu)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(qiáng)元件。這種結(jié)構(gòu)的光纜的抗側(cè)壓性能好，單制造工藝復(fù)雜?！?.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(dòng)理論(模式理論)折射定律一、SI光纖射線分析1、導(dǎo)光原理內(nèi)全反射非子午面光線Snell定律臨界角臨界角對應(yīng)的捕光角捕光角內(nèi)全反射導(dǎo)光原理內(nèi)全反射的條件相對折射率差3、模式及時(shí)延差傳導(dǎo)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(gè)模式模式有兩類：傳導(dǎo)模輻射模模式有兩類：光纖中有很多傳導(dǎo)模，路徑不同，時(shí)延不同。最大時(shí)延差模式時(shí)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(dǎo)模式的時(shí)延差使光脈沖展寬碼間干擾提高帶寬的方法：例：求光脈沖傳1公里的脈沖擴(kuò)展寬度和最大比特率。解：1）減少模式的最大時(shí)延差-------采用GI光纖2）只允許一個(gè)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?qū)訑?shù)N,層厚光線在介質(zhì)中的傳輸軌跡應(yīng)該用射線方程表示r是軌跡上某一點(diǎn)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(biāo)中，光纖中的近軸子午光線和光纖軸線夾角很小，可近似認(rèn)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(shí)延差§2.3光纖的模式理論()圓柱坐標(biāo)系n階貝塞爾方程為整數(shù)Bessel方程的求解函數(shù)n為非負(fù)整數(shù)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(gè)解為如果s是整數(shù)線性相關(guān)也是貝塞爾方程的解存在并與無關(guān)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(zhì)奇偶性漸進(jìn)表達(dá)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(dǎo)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(guān)系弱導(dǎo)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）1）2）3）光纖中的模式：混合模例如：傳導(dǎo)模和輻射模滿足以上條件的模式是傳導(dǎo)模當(dāng)不滿足即包層中的波和纖芯中的類似就是輻射波傳導(dǎo)模輻射摸截止歸一化頻率每個(gè)模式都有一個(gè)對應(yīng)的截止規(guī)一化頻率求計(jì)算歸一化截止頻率求2.4048,5.5201,8.6537,傳導(dǎo)模（1）

模和

模令

，可得到

模和

模有相同特征方程,為

當(dāng)模式截止時(shí)，

，

，由第二類變型的貝塞爾函數(shù)的遞推關(guān)系及漸進(jìn)公式，可以得到所以截止?fàn)顟B(tài)下的特征方程為

的根有2.4048,5.5201,8.6537,

,它們分別對應(yīng)著

，

，

，

模的截止頻率。就是說，若歸一化頻率

2.4048,

則

模就能在光纖中存在；反之，若歸一化頻率

2.4048，

模

就不是導(dǎo)模。對其他模式可以次類推。（2）

模令

，可得到

模特征方程,為

由貝塞爾函數(shù)的遞推公式當(dāng)模式截止時(shí)，

，可得到

所以截止?fàn)顟B(tài)下

的特征方程為當(dāng)

1時(shí)，得到一族

模，其

=

=3.8317,7.0156,10.1745,

（3）

模令

，可得到

模特征方程,為

由貝塞爾函數(shù)的遞推公式

當(dāng)

時(shí)，截止?fàn)顟B(tài)下

的特征方程為

所以

的根有0,3.8317,7.0160,10.1735,

,它們分別對應(yīng)著

,

,

,

模式的截止頻率。在所有的導(dǎo)模中，只有

模式截止頻率為零，亦

即截止波長為無窮大。

模式是任何光纖中都能存在、永不截止的模式，成為主?；蚧?/p>

模，是單模光纖的工作模。

當(dāng)

時(shí)，截止?fàn)顟B(tài)下

的特征方程整理后為當(dāng)

2時(shí)，

的根有2.4048,5.5201,8.6537,

,它們分別對應(yīng)著,

,

，

模，

模在截止時(shí)與

、

簡并。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(dǎo)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(gè)模式的場圖線偏振模HE21TE01HE21TM01LP11LP11LinearlyPolarized(LP)modes通過變換得到直角坐標(biāo)系中的橫向場分量為

在多模階躍光纖中，多個(gè)導(dǎo)模同時(shí)傳輸，光纖的歸一化頻率V愈大，導(dǎo)模數(shù)愈多，導(dǎo)模數(shù)M可按下式計(jì)算

在多模漸變光纖中,導(dǎo)?？倲?shù)為

例：已知求導(dǎo)模數(shù)解：模功率分布導(dǎo)模在光纖中傳輸時(shí)，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Hz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

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。光纖只傳播基模HE11模

HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456歸一化頻率V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，主模LP01(HE11)的模場分布單模光纖中工作波長超過截止波長時(shí)的光功率分布模場直徑（Mode-fielddiameterMFD）單模光纖的模場直徑(MFD)定義為電場下降為1/e時(shí)的半徑的2倍;模場直徑還有其它定義.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§2.4光纖的損耗特性(衰減特性Attenuation）引起光的損耗的機(jī)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、非線性散射瑞利散射布里淵散射彎曲損耗1.光纖彎曲2.光纖微彎一、光纖損耗的系數(shù)當(dāng)光信號在光纖中傳播時(shí)，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P(0)，則在光纖中經(jīng)過距離z的傳播后，其功率值為：

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

二、吸收損耗：吸收損耗是由于光纖本身和光纖中的雜質(zhì)對光的吸收損耗。1、本征吸收：光纖材料本身對光的吸收（sio2）。(1)紅外吸收帶（2）紫外吸收帶當(dāng)光在物質(zhì)中傳播時(shí)，物質(zhì)內(nèi)部吸收了一部分光的能量，從而造成光功率的損失。吸收損耗有三個(gè)原因，一是本征吸收，二是雜質(zhì)吸收，三是原子缺陷吸收。光纖材料的固有吸收叫做本征吸收，它與電子及分子的諧振有關(guān)。對于石英(SiO2)材料，固有吸收區(qū)在紅外區(qū)域和紫外區(qū)域，其中，（1）紅外吸收機(jī)理：由于材料本身的原子之間的化學(xué)鍵形成形成晶格，當(dāng)光纖中的光的波長與晶格相鍵長相當(dāng)時(shí)，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(nèi)，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。（2）紫外吸收機(jī)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。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(nèi)，引起的光纖損耗小于1dB／km。在長波長范圍內(nèi)，引起的光纖損耗小0.1dB／km。（1）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(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長技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。2、雜質(zhì)吸收機(jī)理：主要由于光纖材料的不純凈引起的。（2）水的氫氧根離子的振動(dòng)，基波振動(dòng)在2.73μm波長，二次諧波振動(dòng)在1.39μm，三次諧波振動(dòng)在0.95μm，它們的各次振動(dòng)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(gè)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）0.9~1.01.2~1.31.33~1.53、原子缺陷吸收機(jī)理：光纖制造過程中受到熱激勵(lì)或輻射使得一部分共價(jià)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(qiáng)烈的輻射造成，玻璃材料會(huì)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(dá)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(huì)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(zhì)吸收有色金屬OH根的吸收原子缺陷吸收

圖3.3摻雜三、散射損耗機(jī)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1、瑞利散射損耗阻礙粒子比光波長可相比時(shí)產(chǎn)生的散射叫瑞利散射。機(jī)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光纖的結(jié)構(gòu)不完善產(chǎn)生的損耗（波導(dǎo)散射損耗）機(jī)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(dǎo)散射（四）、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彎曲曲率半徑減小，損耗按指數(shù)方式增加。彎曲損耗可以定性的由摸場分布來解釋。纖芯中傳播的模式都有一個(gè)尾部延伸到包層中的消逝場，而消逝場的大小隨著到纖芯距離的增加而以指數(shù)形式下降。當(dāng)距纖芯的距離到達(dá)某一臨界距離處時(shí)，消逝場的尾部的運(yùn)動(dòng)速率必須大于光速才能跟上纖芯中的場，這是不可能的，因而在該距離之外的尾部場就丟失了，其中所含的能量也隨之損失掉了。

光纖的最小彎曲半徑的經(jīng)驗(yàn)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2、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

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0.851.311.55單模光纖的損耗譜特性

光纖損耗譜特性短波長的0.85

m波段長波長的1.31

m及1.55

m波段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1.24

m及1.39

m的OH峰，實(shí)現(xiàn)了1200—1650nm的全波光纖，最大損耗不超過0.5dB／km，為波分復(fù)用在更寬的光波范圍內(nèi)的應(yīng)用提供了可能。通常又可將該波長范圍劃分為6個(gè)波段(見表)。C波段是WDM系統(tǒng)最常用的傳輸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(jì)

2）光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）光時(shí)域反射計(jì)§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(nèi)色散材料色散波導(dǎo)色散什么是色散：當(dāng)電磁波在一媒質(zhì)中波傳播時(shí)，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(jī)理：多模光纖中同時(shí)存在多個(gè)傳導(dǎo)模式，不同模式的軸向傳輸速度不同，使得它們到達(dá)終端有先有后，引起脈沖展寬。脈沖展寬：碼元速率（帶寬）：（2）材料色散機(jī)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(dǎo)致同一個(gè)模式的光在光纖中傳播也有時(shí)延差，輸出脈沖產(chǎn)生畸變。（3）波導(dǎo)色散（結(jié)構(gòu)色散）

機(jī)理：光在光纖中傳播時(shí)，由于光纖的結(jié)構(gòu)引起不同波長的光在光纖中的傳播速度不同，因而導(dǎo)致同一個(gè)模式的光在光纖中傳播也有時(shí)延差，輸出脈沖產(chǎn)生畸變。

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群速2）群時(shí)延（GVD）

3）群時(shí)延差色散系數(shù)單位是ps/(nm·km)

2）群時(shí)延（GVD）

a)材料色散系數(shù)

材料色散是由于折射率是光波長的函數(shù)，對于單模光纖和LED系統(tǒng)，材料色散顯得尤為重要，因?yàn)長ED輸出光波的帶寬比LD輸出的光波帶寬要寬得多.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(shí)延為

如果光源帶寬為σλ(rms)，帶寬展寬可表示為：材料色散系數(shù)

波導(dǎo)色散是由于傳播常數(shù)是光波長的函數(shù)。在考慮導(dǎo)波色散時(shí)近似認(rèn)為光纖的材料折射率與波長無關(guān)。用歸一化的傳播常數(shù)b來表示群時(shí)延，其定義為：

b)波導(dǎo)色散系數(shù)

模式傳播常數(shù)通常用歸一化頻率V表示的：用V代替k，則可以得到

對于單模光纖，導(dǎo)波色散的量值可能與材料色散在同一個(gè)量級上，光源譜寬為時(shí)的脈沖展寬，導(dǎo)波色散可表示為

對于最低階模（主模）HE11，b（V）可表示為：單模光纖的最佳設(shè)計(jì)

折射率剖面設(shè)計(jì)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色散位移光纖(DSFDispersion-ShiftedFiber)非零色散位移光纖(NZDSFNonzeroDispersion-ShiftedFiber)色散補(bǔ)償光纖(DCFDispersion-compensatingFiber)色散平坦光纖(DFFDispersion-flattenedFiber)。3、偏振模色散PMD(PolarizationModeDispersion)光信號中不同偏振狀態(tài)的雙折射現(xiàn)象時(shí)導(dǎo)致脈沖展寬的另一個(gè)因素。由于實(shí)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）。雙折射沿著光纖長度方向發(fā)生變化：①每一個(gè)偏振模傳播的速率稍有差別②偏振方向也會(huì)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(shí)延差為：PMD與系統(tǒng)傳輸速率以及最大傳輸距離的關(guān)系光纖的帶寬1.光纖帶寬與色散的換算公式光纖帶寬與色散的換算公式有兩個(gè)：第一個(gè)為采用時(shí)域法測量光纖帶寬時(shí)所采用的計(jì)算式；第二個(gè)為計(jì)算光纖通信系統(tǒng)所要求的計(jì)算式。光纖帶寬時(shí)域響應(yīng)；光纖帶寬頻域響應(yīng)光脈沖波因色散而展寬后仍為高斯形，τ為高斯形脈沖波的半高全寬，即g(t)/g(0)=1/2時(shí)的全寬，亦即光功率降低一半時(shí)的色散。經(jīng)過高斯形函數(shù)傅里葉變換，可得光纖帶寬的第一個(gè)計(jì)算式為

【例1】設(shè)已知單模光纖色散系數(shù)為6ps/(nm·km)，而光源譜線寬為３nm，求光纖帶寬。τ=Dσ=6×3×10-12=18×10-12ps/km解令τ′為高斯形脈沖波在g(t)/g(0)=1/e時(shí)的全寬，由高斯形脈沖波的表達(dá)式可得，式中σ為高斯波形的寬度參數(shù)，稱為脈沖均方根(rms)寬度，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)用此參數(shù)以表征光纖色散，經(jīng)推證可得光纖帶寬的第二個(gè)計(jì)算式為光纖帶寬以km為單位，但當(dāng)光纖長度為Lkm時(shí)，其全長總帶寬并不一定與長度L成反比。

式中，E稱為帶寬長度系數(shù)。2.帶寬與長度的關(guān)系設(shè)光纖每千米帶寬為B，而在Lkm全長的總帶寬為B′，則對多模光纖，E為0.5~0.9；對單模光纖，E為1。這是因?yàn)楣饷}沖在光纖中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生模式變換，因而模間色散得以減輕，故其有效長度要減小。對單模光纖而言，因無模間色散，故E為1。

【例8.2】設(shè)多模光纖中繼段長為23km，測得其全長總帶寬為134MHz，求光纖每千米帶寬。解設(shè)E取0.7，則由式B=B′LE=134×230.7=1200MHz·km

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(yīng)當(dāng)光纖中傳輸?shù)墓β屎艽髸r(shí)，就會(huì)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率受激拉曼散射（SRS—stimulatedRamanscattering）

強(qiáng)光功率在光纖中傳輸時(shí)，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(zhuǎn)移。影響：引起波分復(fù)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(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(qiáng)度發(fā)生變化，新的折射率為：n1=n0+p/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。（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?dāng)_（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）。根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，光纖類別的代號應(yīng)如下規(guī)定：光纖類別應(yīng)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(yīng)用：小容量，短距離，局域網(wǎng)，校園網(wǎng)2、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：1310nm1550nm(最小損耗)（零色散）應(yīng)用：我國干線主要采用G.652缺點(diǎn)：低損耗和低色散不能兼有大多數(shù)已安裝的光纖低損耗大色散分布大有效面積色散受限距離短2.5Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約600km10Gb/s系統(tǒng)色度色散受限距離約34kmG.652+DCF方案升級擴(kuò)容成本高結(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。G.652單模光纖（NDSF）光纖參數(shù)G.652AG.652BG.652CG.652D模場直徑,μm(8.6～9.5)±0.7(8.6～9.5)±0.7(8.6～9.5)±0.7(8.6～9.5)±0.7包層直徑,μm

125±1125±1125±1125±1芯同心度誤差,μm≤0.8≤0.8≤0.8≤0.8包層不圓度,%≤2≤2≤2≤2光纜截止波長,nm

≤1260≤1260≤1260≤1260篩選應(yīng)力,GPa≥0.69≥0.69≥0.69≥0.69宏彎衰減（30mm半徑,100圈）,dB≤0.5(1550nm)≤0.5(1550nm)≤0.5(1625nm)≤0.5(1550nm)≤0.5(1625nm)≤0.5(1550nm)≤0.5(1625nm)最小零色散波長,nm1300130013001300最大零色散波長,nm1324132413241324零色散波長最大斜率Smax,ps/(nm2.km)0.0930.0930.0930.093未成纜光纖PMD系數(shù),ps/km1/2可規(guī)定

可規(guī)定可規(guī)定

可規(guī)定光纜參數(shù)1310nm衰減系數(shù)最大值,dB/km0.5

0.4

不規(guī)定不規(guī)定1550nm衰減系數(shù)最大值,dB/km0.40.350.300.301625nm衰減系數(shù)最大值,dB/km不要求

0.4

不規(guī)定

不規(guī)定光纜鏈路PMD特性不要求光纜段數(shù)M20

20

20

203、G.653光纖色散位移光纖（第二代單模光纖）工作窗口：1550nm

通過制造工藝將零色散轉(zhuǎn)移到1550nm處，使得光纖在1550處同時(shí)具有零色散和最小損耗。應(yīng)用：長距離全光中繼傳輸缺點(diǎn)：1550nm的零色散帶來嚴(yán)重的非線形效應(yīng)，不利于密集波分復(fù)用。光纖參數(shù)G.653模場直徑,μm(7-8.3)包層直徑,μm

125±0.24%芯同心度誤差,μm≤0.8包層不圓度,%≤2光纜截止波長,nm

≤1270篩選應(yīng)力,GPa≥0.69宏彎衰減（30mm半徑,100圈）,dB≤0.5(1550nm)最小零色散波長,nm1500最大零色散波長,nm1600零色散波長最大斜率Smax,ps/(nm2.km)0.085未成纜光纖PMD系數(shù),ps/km1/2可規(guī)定光纜參數(shù)色散系數(shù)1550nm衰減系數(shù)最大值,dB/km0.41625nm衰減系數(shù)最大值,dB/km不要求光纜鏈路PMD特性不要求光纜段數(shù)M204、G.654光纖最低耗單模光纖(在G.652光纖的基礎(chǔ)上將1550nm處的損耗進(jìn)一步降低)工作窗口：1550nm應(yīng)用：海底長距離無中繼傳輸5、G.655光纖非零色散光纖（NRDSF）色散移位光纖在1550nm處的色散為零，采用密集波分復(fù)用技術(shù)產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)；將1550nm處的零色散向1525或1585nm處轉(zhuǎn)移，1550處的微小色散來控制非線形效應(yīng)。工作波長：1550nm應(yīng)用：DWDM系統(tǒng)光纖參數(shù)G.655AG.655BG.655C模場直徑,μm(8～11)±0.7(8～11)±0.7(8～11)±0.7包層直徑,μm

125±1125±1125±1芯同心度誤差,μm≤0.8≤0.8≤0.8包層不圓度,%≤2≤2≤2光纜截止波長,nm

≤1450≤1450≤1450篩選應(yīng)力,GPa≥0.69≥0.69≥0.69宏彎衰減（30mm半徑,100圈）,dB≤0.5(1550nm)≤0.5(1625nm)≤0.5(1625nm)色散特性C波段最小零色散波長,nm1530～15651530～15651530～1565Dmin,ps/(nm.km)0.11.01.0Dmax,ps/(nm.km)6.010.010.0色散符號正或負(fù)正或負(fù)正或負(fù)L波段最小零色散波長,nm不要求待定待定Dmin,ps/(nm.km)不要求待定待定Dmax,ps/(nm.km)不要求

待定待定色散符號不要求正或負(fù)正或負(fù)未成纜光纖PMD系數(shù),ps/km1/2可規(guī)定

可規(guī)定可規(guī)定1550nm衰減系數(shù)最大值,dB/km≤0.350.350.351625nm衰減系數(shù)最大值,dB/km

≤0.4

0.40色散平坦光纖的性能指標(biāo)與要求色散補(bǔ)償光纖DCF的性能指標(biāo)與要求三種光纖色散情況比較正常色散區(qū)反常色散區(qū)CalculatingDispersioninatypicalsingle-modefibreusingalaserwithaspectralwidthof6nmoveradistanceof10km:Dispersion=17ps/nm/km×6nm×10km=1020psAt1Gbpsapulseis1nslong.Sothesystemwouldnotwork.(20%isagoodguidelinefortheacceptablelimit.)Butitwouldprobablyworkquitewellatadatarateof155Mbps(apulselengthof6.5ns).Anarrowspectralwidthlasermightproduceonlyonelinewithalinewidthof300MHz.Modulatingitat1Gbpswilladd2GHz.2,300MHzisjustlessthan.02nm(at1500nm).Sonow:Dispersion=17ps/nm/km×.02nm×10km=3.4psInthiscase,dispersionjustceasedtobeaproblem.色散補(bǔ)償技術(shù)控制光源線寬色散位移光纖色散補(bǔ)償光纖中途譜反轉(zhuǎn)啁啾光纖光柵ControlofSpectralWidthSimpleFPlaser:over5nm;ExternalcavityDBRlaser:<.01nmModulationaddstothebandwidthofthesignal,bytwicethehighestfrequencypresentinthemodulatingsignal(1Gbps,.04nm)!UsingmorecomplexsignalcodingratherthansimpleOOK.UsingWDM(a2.5Gbpssignalhas1/4oftheproblemwithdispersionasa10G