光纖通信（第四版）光纖

光纖通信本章內(nèi)容2.1光纖光纜2.2光纖端面的折射率分布2.3光在光纖中的幾何傳輸2.4光纖的數(shù)值孔徑2.5光的波動(dòng)性2.6光纖介質(zhì)的特性2.7光纖模式本章內(nèi)容2.8多模光纖的模式色散2.9單模光纖的波長(zhǎng)色散或色度色散2.10光纖損耗與可用頻帶2.11單模光纖的模場(chǎng)直徑與折射率剖面2.12光纖的非線性效性2.13多模少芯光纖光纖2.1光纖光纜一、光纖的結(jié)構(gòu)二、光纖的主要成分三、光纖的工藝流程四、光纜結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

一、光纖的結(jié)構(gòu)

纖芯與包層的折射率不同，n纖芯>n包層不同類(lèi)型的光纖纖芯直徑不同。

單模光纖SMF：50/125μm或62.5/125μm多模光纖MMF：5-10/125μm光纖的基本結(jié)構(gòu)一般是雙層或多層的同心圓柱體。通信用的光纖主要是指：石英光纖石英光纖主要成分是：高純度SiO2（玻璃）通過(guò)摻入不同的無(wú)素（雜質(zhì)），得到纖芯和包層纖芯：GeO2、P2O5

包層：B2O3、F

二、光纖的主要成分雜質(zhì)對(duì)光纖的損耗影響非常大例：過(guò)渡金屬離子（如Fe3+、Cu2+等）濃度達(dá)到1ppb時(shí)，將引入1dB/km以上的吸收損耗制作損耗小于0.5dB/km的光纖，原料的純度要達(dá)到9個(gè)9純度直接影響光纖的損耗、機(jī)械強(qiáng)度（抗拉、抗壓）光纖是由圓柱形預(yù)制棒經(jīng)拉制而成三、光纖的工藝流程

普通方法制造的玻璃雜質(zhì)濃度較大1970年以前用最好的光學(xué)玻璃制作的光纖損耗達(dá)到700dB/km光纖預(yù)制棒制造MCVD流程示意圖SiCl4+O2→SiO2+2C2↑4BCl3+3O2→2B2O3+6Cl2↑

包層的化學(xué)過(guò)程

SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑高溫高溫高溫高溫

纖芯的化學(xué)過(guò)程

三、光纖的工藝流程MCVD法的化學(xué)過(guò)程光纖拉絲裝置示意圖三、光纖的工藝流程光纖拉絲塔預(yù)制棒拉絲過(guò)程成纜目的增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度增加空間密度防止侵蝕四、光纜的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)

光纜的主要性能

機(jī)械性能溫度特性重量和尺寸

不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求

管道光纜—抗拉、抗側(cè)壓、抗彎曲的能力直埋光纜—加裝鎧裝層架空光纜—抵抗環(huán)境的影響海底光纜—高抗拉強(qiáng)度和高的抗水壓能力光纜：為了構(gòu)成實(shí)用的傳輸線路，同時(shí)便于工程安裝和敷設(shè)，常常將若干根光纖組合成光纜。四、光纜的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)光纜結(jié)構(gòu)：由纖芯、加強(qiáng)芯、骨架、油膏、緩沖層、鎧裝、外護(hù)套等構(gòu)成?？箲?yīng)力作用強(qiáng)四、光纜的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)防水、抗應(yīng)力、鼠咬三、光纜的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)三、光纜的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)I光纜分類(lèi)代號(hào)及其意義GY：通信用室(野)外光纜；GR：通信用軟光纜GJ：通信用室(局)內(nèi)光纜；GS：通信用設(shè)備內(nèi)光纜；GH：通信用海底光纜；GT：通信用特殊光纜；GW：通信用無(wú)金屬光纜。Ⅱ加強(qiáng)構(gòu)件的代號(hào)及其意義無(wú)符號(hào)：金屬加強(qiáng)構(gòu)件；F：非金屬加強(qiáng)構(gòu)件；G：金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件；H：非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。

四、光纜的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)光纜分類(lèi)：標(biāo)識(shí)

Ⅲ派生特征的代號(hào)及其意義

B：扁平式結(jié)構(gòu)；

Z：自承式結(jié)構(gòu)；

T：填充式結(jié)構(gòu)；

S：松套結(jié)構(gòu)。 注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時(shí)，其代號(hào)字母順序并列。

Ⅳ護(hù)套的代號(hào)及其意義

Y：聚乙烯護(hù)套；

V：聚氯乙烯護(hù)套；

U：聚氨酯護(hù)套；

A：鋁、聚乙烯護(hù)套；

L：鋁護(hù)套；

Q：鉛護(hù)套；

G：鋼護(hù)套；

S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護(hù)套。四、光纜的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)Ⅴ外護(hù)層的代號(hào)及其意義 外護(hù)層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層，參照國(guó)標(biāo)GB2952-82的規(guī)定，外護(hù)層采用兩位數(shù)字表示，各代號(hào)的意義如下表所示。四、光纜的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)2.2光纖端面的折射率分布漸變光纖的折射率分布的表示g———折射率變化的參數(shù)a———是纖芯半徑R———是光纖中任意一點(diǎn)到中心的距離Δ———相對(duì)折射率差，即g=2———

折射率分布為拋物線分布

g=∞———階躍光纖。2.2光纖端面折射率分布2.3光在光纖中的幾何傳輸

----

幾何光學(xué)分析法一、幾何光學(xué)基礎(chǔ)理論二、階躍光纖中光線傳播三、漸變光纖中光線傳播四、光纖的數(shù)值孔徑光的研究方法幾何光學(xué)（射線光學(xué)）波動(dòng)光學(xué)量子力學(xué)當(dāng)空間尺度遠(yuǎn)大于光波的波長(zhǎng)時(shí)，可以用較成熟的幾何光學(xué)分析法分折光在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)空間尺度與光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，需要采用復(fù)雜而嚴(yán)密的波動(dòng)理論分析法。

一、幾何光學(xué)基礎(chǔ)理論一、幾何光學(xué)基礎(chǔ)理論光在介質(zhì)中的傳播速度：

v=c/n

（c真空光速，n介質(zhì)折射率）光的反射與折射：反射定律折射定律（斯涅耳定律）

nn2n1θiθrθt(n1>n2)當(dāng)光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)（如：從水中到空氣中），折射角大于入射角。不斷增加入射角，可使折射角達(dá)到90度，此時(shí)不再有進(jìn)入光疏介質(zhì)的光線。使折射角等于90度時(shí)的入射角稱為臨界入射角當(dāng)入射角進(jìn)一步增加，所有光線返回入射介質(zhì)——產(chǎn)生全反射。一、幾何光學(xué)基礎(chǔ)理論一、幾何光學(xué)基礎(chǔ)理論利用全反射可能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)光（無(wú)能量損失的光傳輸）。條件？光疏介質(zhì)包圍光密介質(zhì)全反射的意義二、

階躍光纖中光線傳播階躍光纖（SF）：纖芯和包層折射率n1和n2為常數(shù)且n1>n2。即：

ab軸向距離折射率n1n2n0相對(duì)折射率差：子午光線：傳播路徑為光纖縱剖面內(nèi)的平面折線，與光纖軸相交，在橫截面投影為一條直徑。階躍光纖中光線傳播分為兩種情形（入射方向有差異）：二、

階躍光纖中光線傳播偏斜光線：傳播路徑為空間折線，不與光纖軸相交，在橫截面內(nèi)的投影為非封閉多邊形。圖中數(shù)字表示光線在纖芯包層界面的第幾次反射三、梯度光纖中光線傳播梯度折射率光纖（GI）：折射率從光纖中心軸沿半徑方向遞減。

ab折射率軸向距離n1n2n0（理論分析時(shí)通常忽略涂覆層，認(rèn)為光纖的包層延伸到無(wú)限遠(yuǎn)處。）梯度光纖中的光傳播以兩束光線為例，將纖芯看成是一層一層的結(jié)構(gòu)，折射率向著包層的方向逐層減小。所有的光線都從纖芯軸的點(diǎn)發(fā)射。兩條光線1和2以不同的發(fā)射角同時(shí)發(fā)射，它們能同時(shí)到達(dá)點(diǎn)光線1和2在漸變光纖中的路徑三、梯度光纖中光線傳播NA定義光纖端面上入射光線形成導(dǎo)波光線的最大入射角的正弦。記作NA（numericalAperture）

c

max

n2n1式中2.4光纖的數(shù)值孔徑θ接收錐纖芯包層2.4光纖的數(shù)值孔徑NA的意義：光纖捕捉光線能力的大小，光纖的NA越大，越能將更多的光線保持在其中傳播。光纖與光源的耦合效率η∝(NA)2，NA越大，就可能有更多來(lái)自通信光源的光進(jìn)入光纖。：光波電場(chǎng)振幅矢量：為波矢，對(duì)于單色平面電磁波TEM，它的方向就是光的傳播方向，大小就是波的相位傳播常數(shù)：空間位置坐標(biāo)矢量光波的數(shù)字表達(dá)2.5光的波動(dòng)性無(wú)偏振或圓形偏振橢圓偏振光光波的偏振線偏振光TMTETEM波的電場(chǎng)和磁場(chǎng)方向與波的傳播方向垂直，即在波導(dǎo)的傳播方向上既沒(méi)有磁場(chǎng)分量也沒(méi)有電場(chǎng)分量，且三者兩兩相互垂直。2.5光的波動(dòng)性二、1、響應(yīng)的局部性介質(zhì)在某處的極化P只與該處所加電場(chǎng)E有關(guān)，而其他部分所加的電場(chǎng)E對(duì)P沒(méi)有影響，即：工作在0.5～2μm波長(zhǎng)的光纖是一個(gè)很好的近似2.6光纖介質(zhì)的特性（簡(jiǎn)稱五性）(2)線性與非線性特性2.6光纖介質(zhì)的特性（簡(jiǎn)稱五性）(3)各向同性與各向異性如果材料的折射率在任意兩個(gè)方向上不同，如X、Y方向，則稱為雙折射各向同性介質(zhì)是指其電磁特性如折射率、偏振、傳播常數(shù)等在所有的方向都是一樣的，電場(chǎng)矢量E、極化矢量取向相同。SiO2材料的圓柱形光纖都是各向同性介質(zhì)。如果光纖的圓柱特性被破壞，如不對(duì)稱，則不是各向同性介質(zhì)。2.6光纖介質(zhì)的特性（簡(jiǎn)稱五性）(4)均勻與非均勻性(5)無(wú)損耗與有損耗特性非均勻介質(zhì)周期性介質(zhì)隨機(jī)介質(zhì)光纖是非均勻介質(zhì)，弱導(dǎo)情況下（），階躍光纖為均勻介質(zhì)。大氣是有損耗的介質(zhì)光纖是損耗很低的介質(zhì)，近似為無(wú)損介質(zhì)。介質(zhì)在其所有點(diǎn)上的電磁特性都相同則介質(zhì)稱為均勻介質(zhì)2.6光纖介質(zhì)的特性（簡(jiǎn)稱五性）亥姆霍茲（Helmholtz）波動(dòng)方程麥克斯韋方程光纖（無(wú)源區(qū)）滿足介質(zhì)五性三、波動(dòng)方程及其解的物理含義波動(dòng)方程波動(dòng)方程是求解波導(dǎo)問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)，是一個(gè)典型的本征方程或特征方程。當(dāng)給定波導(dǎo)的邊界條件時(shí)，求解波動(dòng)方程可得到本征解和相應(yīng)的本征值。駐波一維介質(zhì)光波導(dǎo)電磁波穩(wěn)定分布2.7光纖模式定義：光纖模式是光纖中電磁場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)分布。光波在光纖中沿縱向傳播時(shí)，纖芯和包層的界面對(duì)光波形成反射，將在光纖的橫截面內(nèi)疊加干涉，形成多種可能的駐波狀態(tài)（穩(wěn)態(tài)分布）。橫截面內(nèi)每一種可能的穩(wěn)態(tài)分布狀態(tài)稱為一種橫向模式，不同的模式擁有不同的縱向傳播速率(β不同)。2.7光纖模式TE或TMTE或TM模式分類(lèi)TEM2.7光纖模式光纖模式分類(lèi)

與平面波導(dǎo)情況相同，由子午光線引起的模要么是TE模，要么是TM模，另一方面偏斜光線引起的模同時(shí)具有Ez和Hz分量，根據(jù)Ez和Hz的貢獻(xiàn)大小稱為EH模（Ez>Hz）或HE模（Hz>Ez），這種電場(chǎng)和磁場(chǎng)沿Z方向都有分量的傳播模為混合模，對(duì)于弱導(dǎo)階躍光纖它們構(gòu)成了光纖的導(dǎo)模，其大部分是線極化的，因而又稱為線偏振或線極化波（LP）簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)P模2.7光纖模式光纖模式分類(lèi)因此LP模傳播場(chǎng)的分布由給定

，可表示成l代表徑向或半徑方向的模數(shù)（要理解為駐波中間的波谷數(shù)目），m代表圓周方向的模數(shù)，

2.7光纖模式不同LPlm模式的橫截面光斑圖2.7光纖模式2.8多模光纖的模式色散每種模式有自己的傳播常數(shù)，與光源波長(zhǎng)和光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)如果定義一個(gè)與光源的波長(zhǎng)、光纖波導(dǎo)的參數(shù)，如纖芯半徑a、材料的折射率n1、n2等有關(guān)的參數(shù)V，用歸一化傳播常數(shù)b代替?zhèn)鞑コ?shù)β，那么可以將光纖中的導(dǎo)波模用b－V曲線統(tǒng)一表示不同的模式傳播常數(shù)不同會(huì)引起能量不集中--色散2.8多模光纖的模式色散多模光纖模式色散引起時(shí)延差2.8多模光纖的模式色散多模光纖的BL1/2判據(jù)法則2.8多模光纖的模式色散單模光纖工作條件工作波長(zhǎng)選在1310nm時(shí)，a和

的選擇n1=1.48，

=1%，

a<2.40m，可實(shí)現(xiàn)單模傳輸n1=1.48，a=5m，

<0.23%，可實(shí)現(xiàn)單模傳輸V與波長(zhǎng)成反比、與纖芯的半徑、相對(duì)折射率差成正比。因而為保證單模工作應(yīng)確定波長(zhǎng)，再選擇光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)。2.8單模光纖的波長(zhǎng)色散或亮度色散矛盾：考慮降低光纖的接續(xù)損耗，希望a大一些考慮提高光纖與光源的耦合效率，希望

大一些妥協(xié)結(jié)合考慮生產(chǎn)工藝，將纖芯直徑選在10m左右要保證工作于1310nm波長(zhǎng)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)單模傳輸，

應(yīng)選在0.2%~0.3%之間2.9單模光纖的波長(zhǎng)色散或亮度色散多模光纖中，屬于同一波長(zhǎng)的光信號(hào)由于存在多個(gè)模式，因而存在模間色散。單模光纖中雖不存在模間色散，但存在波長(zhǎng)色散。所謂波長(zhǎng)色散是由于光源發(fā)出的光脈沖不可能是單色光，即使是單色光由于光波上調(diào)制的信號(hào)存在一定的帶寬，這些不同波長(zhǎng)或頻率的光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)由于速度不同引起的光脈沖的展寬現(xiàn)象稱為波長(zhǎng)色散。由于光波長(zhǎng)不同其顏色也不同因而也稱為色度色散，波長(zhǎng)色散相對(duì)于多模光纖的模間色散又稱為模內(nèi)色散。色散定義2.9單模光纖的波長(zhǎng)色散或亮度色散52沿z方向傳輸?shù)膯紊▊鬏斔俣龋合嗨俣?/p>

是角頻率（弧度/秒）；是傳播常數(shù)（m-1）。

表征相位在空間的變化率

2.9單模光纖的波長(zhǎng)色散或亮度色散表征信號(hào)包絡(luò)的傳輸速度沿z方向傳輸?shù)膹?fù)合波傳輸速度：群速度

2.9單模光纖的波長(zhǎng)色散或亮度色散色散表示色散系數(shù)D(ps/nm.km)由于群速與頻率的依賴關(guān)系，光脈沖的不同分量傳播速度不同，到達(dá)光纖的輸出端有先有后，因而光脈沖展寬了。假設(shè)ω處的譜寬為Δω，光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則光脈沖的展寬為β2為群速色散系數(shù)（GVD）2.9單模光纖的波長(zhǎng)色散或亮度色散

以色散參數(shù)D表達(dá)脈沖展寬

D代表兩個(gè)波長(zhǎng)間隔為1nm的光波傳輸1km距離后的時(shí)延脈沖展寬：以波長(zhǎng)單位表達(dá)的光信號(hào)譜寬D的含義色散表示色散系數(shù)D(ps/nm.km)2.9單模光纖的波長(zhǎng)色散或亮度色散單模光纖色散種類(lèi)：材料色散和波導(dǎo)色散材料色散DM，纖芯材料的折射率隨波長(zhǎng)變化導(dǎo)致了這種色散，這樣即使不同波長(zhǎng)的光經(jīng)歷過(guò)完全相同的路徑，也會(huì)發(fā)生脈沖展寬。單模光纖λ=1.27μm時(shí)色散為零。λ>1.27μm時(shí)色散為正，λ<1.27μm時(shí)色散為負(fù)波導(dǎo)色散DW

，因?yàn)槟Ｊ絺鞑コ?shù)

是a/

的函數(shù)，因而D與波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，對(duì)于單位模光纖波導(dǎo)色散為負(fù)色散，其大小可通過(guò)設(shè)計(jì)波導(dǎo)參數(shù)改變，也為色散的調(diào)控提供了依據(jù)。2.9單模光纖的波長(zhǎng)色散或亮度色散2.10光纖的損耗光纖損耗：α（dB／km）光纖損耗原因、三個(gè)窗口、光纖可用光譜145014901530157016101650S+SCLL+

2.11單模光纖模場(chǎng)直徑與折射率剖面定義

由于單模光纖中只能傳輸基模，因此所謂的模場(chǎng)就是指光纖中基模場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨空間的分布。由于弱導(dǎo)近似（n1≈n2），單模光纖中的場(chǎng)并不完全集中在纖芯中，而是有相當(dāng)一部分的能量在包層中傳輸，所以不用纖芯的幾何尺寸作為單模光纖的特性參數(shù)，而是用模場(chǎng)直徑作為描述單模光纖中光能集中程度的參量。1、G.652G.652光纖---屬常規(guī)型單模光纖（SMF）零色散波長(zhǎng)在1310nm附近最低損耗在1550nm附近，1310nm典型衰耗值為0.34dB/km，1550nm波長(zhǎng)上正色散值為17ps/(nm·km)兩個(gè)應(yīng)用窗口：1310nm和1550nm2、G.653G.653----光纖為色散位移光纖（DSF）

相對(duì)于G.652光纖通過(guò)改變折射率的分布將1310nm附近的零色散點(diǎn)，位移到1550nm附近，從而使光纖的低損耗窗口與零色散窗口重合2.11單模光纖模場(chǎng)直徑與折射率剖面3、G.655G.655光纖-----又稱作非零色散位移光纖（NZDSF）G.655在1550nm窗口保留了一定的色散，使得光纖同時(shí)具有了較小色散和最小衰減G.655光纖在1530-1565nm之間光纖的典型參數(shù)為：衰減<0.25dB/km，色散系數(shù)在1~6ps/(nm·km)之間4、色散平坦型光纖這種單模光纖有兩個(gè)零色散波長(zhǎng)，分別位于1.3μm和1.6μm附近。這樣可以實(shí)現(xiàn)在1.3μm—1.6μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)總色散都很小，而且色散斜率也很小。實(shí)現(xiàn)色散平坦的手段是使波導(dǎo)色散曲線具有更大的斜率，或其負(fù)色散值隨波長(zhǎng)變化更陡，使得在1.3μm—1.6μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)波導(dǎo)色散與材料色散都可較好地抵消。2.11單模光纖模場(chǎng)直徑與折射率剖面非線性定義電域非線性現(xiàn)象放大器非線性工作區(qū)產(chǎn)生新的頻率混頻器、倍頻器、諧波發(fā)生器……光功率很高時(shí)功率非線性非線性損耗、新頻率產(chǎn)生、互調(diào)

……

損耗2.12光纖的非線性自相位調(diào)制SPM強(qiáng)光場(chǎng)將瞬時(shí)改變光纖的折射率，光強(qiáng)I與折射率變化δn的變化關(guān)系為是非線性克爾系數(shù)2.12光纖的非線性63四波混頻FWM：

光纖中不同波長(zhǎng)的光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長(zhǎng)上產(chǎn)生混頻產(chǎn)物或邊帶新光頻的現(xiàn)象。2.12光纖的非線性64對(duì)于等間隔的WDM系統(tǒng)，非線性產(chǎn)生的新頻率f1+f2-f3、f2+f3-f1、f1-f2+f3很可能會(huì)落在