光纤参数对光通信的影响

1、光纤参数对光通信的影响光电信息科学系 光信息科学与技术专业5施少智指导教师 苏宝玺 杨文琴【摘要】光纤通信技术的问世与发展给世界通信业带来了革命性的变革。特别是经历近年的研究开发光纤、光缆、器件系统的品种不断更新性能逐渐完善,已使光纤通信成为信息高速公路的传输平台。为了满足现代通信系统的需求，需对系统的传偷性能进行规划和设计。本文介绍光纤的种类及发展史，并通过实验验证光纤的衰减、色散、数值孔径及连接错位对光通信的影响以及对其进行改善，以这些信息作为指南，对于实施光纤通信设计的人员十分有用，同时，也有利于系统分析人员对系统的质量及效果进行预判。Abstract:With the advent o

2、f optical fiber communication technology to the world telecommunication industry has brought the revolutionary change。Especially in recent years, the research and development of optical fiber, optical cable, device varieties constantly updated performance of the system gradually perfect, the optical

3、 fiber communication has also become the information superhighway transmission platform.In order to meet the requirements of modern communication system, need to steal transfer performance of system planning and design. This paper introduces the history of optical fiber, and expounds the attenuation

4、, dispersion of the fiber, the influence of the numerical aperture of optical communication.With this information as a guide, for the implementation of optical fiber communication design personnel is very useful, at the same time, also is helpful for the system analyst on the system of the quality a

5、nd effect of anticipation.【关键词】光纤通信系统；光纤参数；光纤损耗；光纤色散；光纤数值孔径Key Word：Fiber Optical Communication System；parameters of optical fiber；fiber loss；opticalfiberdispersion目录1光纤通信的概述31.1光纤通信的概述31.2 光纤通信技术的研究意义31.3 光纤通信发展史41.4光纤的分类52 光纤参数及其对光通信的影响62.1 光纤的衰减及衰减系数62.2 光纤的色散132.3 光纤的数值孔径102.4 光纤连接错位对光通信的影响183 光

6、纤通信技术的应用193.1 光纤通信技术在电力通信领域的应用193.2 光纤通信技术在广电行业的应用203.3 光纤通信技术在军事领域中的应用204 结语21参考文献22 1.光纤通信的概述1.1光纤通信的概述光纤通信是指以光波为载体，利用纯度极高的玻璃拉制成极细的光导纤维，以光导纤 维作为传输的媒介，然后通过光电变换，运用光来传输信息的通信系统。光纤主要分为三个 部分，即内芯、包层以及图层。内芯的直径一般在几微米到几十微米之间，包层主要是指内 芯外面的一层，其主要目的就是为了保护光纤 不受损害。在平常生活中见到的光线系统并不是单根的光纤，而是由许多光纤聚集在一起形 成的光缆。光纤是由玻璃材料

7、制成的电气绝缘体，因此即使接地也不会发生回路的现象。光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。如图1-1。光纤通信因其具有的大容量通信、远距离传输、信号串扰小、保密性能好、抗电磁干扰、传输质量佳、尺寸小、重量轻、难于窃听、光缆适应性强、寿命长，备受业内人士青睐，发展非常迅速。目前光纤光缆已经进入了有线通信的各个领域，成为通信发展的主流。图1-1 光纤通信系统基本组成图1.2光纤通信技术的研究意义随着社会的发展，人们对信息的需求呈指数上升，全球数据业务量几乎半年左右就翻一番。例如，IP网络（Internet）从20世纪90年代开始进入一个大发展时代，其用户

8、数以165%的年增长率在全球扩展，到2014年上网用户数已达30亿左右，称为当前网络通信业务的主要增长因素。20世纪80年代光纤通信技术成熟并广泛应用，已经和正在为信息的扩容和IP网络的发展起着巨大的推动作用，面对广大用户对通信网络容量提出更高的要求，即为了满足数据通信大容量的需求，最佳的方案就是利用光纤给人们提供的约512THz巨大潜在带宽资源，将信息进行无阻赛的传输和交换，促使光纤通信的发展速度不仅超过了摩尔定律所限定的交换机和路由器的发展速度，而且超过了数据业务的增长速度，而成为支撑通信业务量增加最重要的技术。伴随中国城镇化等宏观经济政策调整，我国城乡每年旧城改造和新屋建设达到20多亿平

9、方米，至少可以容纳 2000 万户新居或数百万个企业，为光宽网建设提供了几乎海量的外在条件。伴随信息化社会的发展，人们随时随地办公、生 活、学习、购物、娱乐的内在需求日益凸现，建设安全的全光信息网络已经提升为国家战略。科学技术水平提升使光纤通信技术提供的服务质量能够不断的满足人们的要求。电信光纤通信技术发展趋势优 势明显，传输速度快、传输容量扩大，并且在长距离下实现信息容量提升、完善全光网络系统。在未来、光纤通信技术发展状况下信息数据传输水平会在网络系统发展下实现高速发展。光纤通信技术发展具有重要的现实应用意义。1.3光纤通信的发展史1.3.1光纤通信系统发展至今经历四代升级1第一代通信系统：

10、19661976年是开发期，实现了短波长低速率多模光纤通信，波长为850nm，速率为34Mbit/s或45Mbit/s，衰减为1.5dB/km，无中继通信距离约10km。第二代通信系统：19761986年，以提高传输速率和增加传输距离为目标。采用1310nm和1550nm波长，单模光纤，速率为140565Mbit/s，衰减为0.85dB/km，无中继通信距离为60km左右。第三代通信系统：19861996年，核心目标是超大容量与超长距离的传输。采用1550nm的长波长激光器，单模光纤，衰减为0.4dB/km，无中继通信距离为200km左右，速率可达2.510Gbit/s。第四代光纤通信系统：前

11、三代的传输系统主要特征是在一条光纤里传输一个波长。随着技术的发展，能够多个波长复用在一起传输，因此增加频带利用率的WDM技术很快得以运用。所以，采用光放大器WDM传输系统形成了第四代光纤通信系统。1.3.2我国光通信的发展历程1977年，中国第一根短波长、阶跃型光纤诞生。1981年，开发出光纤通信用长波长光器件。1985年，汉宁PDH40Mbit/s光缆通信系统第一个以光纤为主的干线传输网。1993年，第一套565Mb/s PDH设备诞生。1996年，第一套2.5GSDH设备诞生。1997年，第一套DWDM系统诞生。1999年，第一套10GSDH系统和32X2.5GDWDM系统诞生。2000年

12、，第一套32X10GDWDM系统诞生，在国内首次开发出DXC、OADM设备。2001年，全球第一套互联互通的全光网络设备诞生并开通实际工程。2002年，第一套1.6TDWDM系统诞生。2003年，第一套有完全知识产权的超长距离光传输系统（ULH）诞生。2004年，第一套具有商用水平的WDM ULH 和EPON系统、第一个实质性FTTH工程和第一个运营成功的国产FTTH工程诞生。2005年，中国第一个Tbps级DWDM（80X40G DWDM传输系统）诞生。2008年，中国成功研制出100G波分样机，在40G下一代技术领域获得突破性进展。2009年，3G发牌带来的中国通信业投资热，中国光通信工业

13、走向全面景气。2010年，中国光器件商在10G PON模块研发和产业化上取得重大进展，部分已经开始批量出货。中国光纤通信经过了多年艰苦发展，目前已成为世界第一大光纤需求国、制造国和预制棒进口的国家。1.4光纤的分类1.4.1单模光缆单模光纤(Single Mode Fiber)：中心纤芯很细(芯径一般为9或10m)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来发现在1310nm波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1310nm正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，13

14、10nm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1310nm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITUT在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。上面提到由于OH（水峰）的吸收作用，9001300nm和1340nm1520nm范围内都有损耗高峰，该现象称为水峰。目前美国康普公司提供的TeraSPEEDTM零水峰单模光缆，正解决了此问题，TeraSPEED 系统通过消除了1400nm 水峰的影响因素, 从而为用户提供了更广泛的传输带宽, 用户可以自由使用从1260nm 到1620nm 的所有波段, 因此传输通道从以前的240增加到400，

15、性能比传统单模光纤多50%的可用带宽，为将来升级为100G带宽的CWDM 粗波分复用技术打下了坚实的基础，TeraSPEED 解决方案为园区/城市级理想的主干光纤系统。同时，由于G.652.D 是单模光纤的最新的指标，是所有G.652级别中指标最严格的并且完全向下兼容的。如果，仅指明G.652意味着 G.652.A 的性能规范，这一点应特别注意。TeraSPEED 光纤超过所有的指标均满足 G.652.A, .B, .C和.D 的性能规范，如下表：表1-2 各型号光纤各波长的损耗而我们对于单模光缆的选型建议如下：A从传输距离的角度，如果希望今后支持万兆传输，而距离较远应考虑采用单模光缆。B从造

16、价的角度，零水峰光缆提供比单模光纤多50%带宽，而造价上又相差不多，事实上美国康普公司目前已经不提供普通单模光纤，只提供零水峰光纤这样的更高性能的产品给用户。1.4.2多模光缆多模光纤(Multi Mode Fiber) 芯较粗(50或62.5m)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。如下表，为多模光缆的带宽的比较：表1-3 最小模式带宽提到万兆多模光缆，需要作些说明，光纤系统在传输光信号时，离不开光收发器和光纤。因传统多模光纤只能支持万兆传输几十米，为配合万兆应用而采用的新型光收发器，

17、ISO/IEC 11801制定了新的多模光纤标准等级，即OM3类别，并在2002年9月正式颁布。OM3光纤对LED和激光两种带宽模式都进行了优化，同时需经严格的DMD测试认证。采用新标准的光纤布线系统能够在多模方式下至少支持万兆传输至300米，而在单模方式下能够达到10公里以上（1550nm更可支持40公里传输）。2. 光纤的参数及对光纤通信的影响2.1光纤的衰减及衰减系数2.1.1光纤的衰减及衰减系数的概述光纤的衰减是指光信号沿光纤传输时，光功率的损耗，在不同的波长(入)上其损耗是不同的。其定义是为 其中P1()、P2()分别为注入端和输出端的光功率;衰减的单位是dB。它是影响光纤通信系统中

18、继距离的一个重要因素。衰减系数则是指对于稳态条件下的均匀的光纤，其单位长度上的衰减，因此衰减系数的单位是dB/km。对于稳态条件下的均匀光纤，可以定义单位长度衰减（即衰减系数）（）为： 式中:L为光纤长度，单位为km，光纤的衰减系数（）是一个与长度无关但与波长有关的参数。在口常工作中我们也常把衰减系数简称为衰减。其中所谓的均匀光纤，也就是要求光纤中的模功率达到近似稳态分布。因此，在口常测量中，我们常用长光纤激励法在被测光纤中激励出近似的稳态模功率分布，也就是利用一根长光纤(5001000米)接在光源和被测光纤之间作为尾纤来产生模耦合。2.1.2光纤耦合及耦合效率测量耦和效率：耦合入光纤的光功率

19、于输出端光线的总功率之比。 ( 为耦合入光纤的功率，为输出端光纤的功率) 耦合效率取决于和光纤连接的光纤类型和耦合的实现过程。 图 2-1 光纤耦合的简单原理图耦合效率受光源辐射的空间分布、光源发光面积以及光纤收光特性和传输特性等因素的影响。耦合方式分为直接耦合和透镜耦合，其中，针对半导体激光器，透镜耦合又包括：a端面球透镜耦合：将光纤端面做成一个半球形，端焦距透镜的作用；b柱透镜耦合：柱透镜可将半导体激光器出射的椭圆光变成圆形光；c凸透镜耦合：如图3.1所示，将激光器放于凸透镜的焦点上，然后用另一凸透镜将平行光汇聚带光纤端面上。本实验用40倍显微物镜实现透镜功能，后端焦距在1mm左右。激光器

20、透镜透镜光纤图2-2 凸透镜耦合方式示意图实验步骤1、按图3.2搭建实验光路，调整激光器、物镜（40倍）、光纤输入端，使他们在同一水平线上；图2-3 光纤耦合实验注：1激光器；2物镜；3五维调节系统；4功率计。2、打开激光器，调整物镜，使物镜后出射光打在光纤输入端正中心；3、调整五维调整架 A调整上、下、俯、仰旋钮，使光纤后端输出功率达到最大值； B调整平移台，使物镜与光纤输入端距离拉近；C重复“A”“B”两步，直到输出功率达到最大值。此时，物镜前端与光纤输入端陶瓷插芯的距离在1mm以内4、测量激光器的输出功率、光纤输出功率，计算光纤的耦合效率；调节方法：当物镜与光纤的陶瓷插芯距离较远时，主要

21、调节的是上下、左右旋钮；而当物镜与光纤的陶瓷插芯距离足够近时，应该调节俯仰旋钮，此时的上下、左右旋钮对耦合效率的影响很小。表2-1单模光纤和多模光纤耦合效率实验数据单模多模输入功率P1 （mW）300.0292.3输出功率P2 （mW）262.4261.8262.9210.1212.5211.2耦合效率（%）87.587.387.371.972.772.3平均耦合效率87.3772.30如表所示，在光纤传输和传感技术中，各部件的耦合是一个重要的环节。因为光纤本身的损耗降低后，光无源器件与光纤、光纤与光纤、光源与光纤以及光探测器与光纤耦合引起的损耗显得更加重要。耦合损耗是光纤传输和传感系统中的一

22、个重要的参数。，2.1.3光纤损耗的测量为了研究光纤衰减对光纤通信的影响，测量衰减参数，我们常采用截断法测量光纤的衰减。截断法测量光纤衰减的方法是在稳态注入条件下，首先测量整根光纤的输出功率P2；然后，保持注入条件不变，在离注入端约1km处切断光纤，测量此短光纤输出的光功率P1。其计算公式： 其中P1、P2分别代表截断前和截断后光纤透射功率；L为光纤的长度。测量装置简图如图2-4所示; 功率计光纤532nm激光器物镜光纤五维调节架距前端1m处切断图2-4 测量光纤传输损耗示意图截断法(也叫剪断法)是测量衰减的基准测试法。它的测量精度较高，但是由于它在测量时要剪断数米光纤，对被测光纤有破坏性，以

23、前一般不常用，只是在测量有争议时，才用它作为判断的主要依据。但是近年来一些光纤厂逐渐开始采用此方法，如长飞光纤光缆公司和鑫茂科技(原天大天财)公司等2。2.1.3光纤衰减系数实验数据及分析本实验采用多模光纤测量，测得数据如下：L=0.001km表2-2 光纤衰减系数实验数据组1组2组3组4组5平均值P1（nW）198.40201.29199.55200.12198.28199.53P2（nW）198.51201.41199.67200.23198.40199.64（dB/km）2.4072.5882.6112.3872.6382.526该光纤的平均衰耗系数为=2.526dB/km，则意味着经过

24、一公里光纤传输后，则P1/P2= 100.1.0006，其光信号功率值减小了0.6%。长度为L 公里的光纤总的衰耗值为A=L 。由此可见，光纤损耗是限制通信性能主要原因之一，是限制发送机和接收机之间的最大传输距离的主要原因。衰减直接影响到光纤通信中继站的建设距离，中继站的数量对光缆施工、维护及运营成本影响非常大。光纤的性能已经成为电信运营商及光缆生产制造厂家非常关心的问题。2.1.4延长光纤传输系统传输距离的方法光放大器是光纤通信系统中能对光信号进行放大的一种子系统产品。主要包括半导体光放大器、掺稀土元素光纤放大器、非线性光放大器半导体激光放大器。掺饵光纤放大器是掺稀土元素光纤放大器一种，它比

25、其它光放大器更加引人注目，是所有光放大器中最为常用的3。EDFA主要由掺饵光纤（EDF）、泵浦光源、波分复用器（WDM）、隔离器（Isolator）等组成，EDFA的内部按泵浦方式分为三种最基本的结构，即同向泵浦、反向泵浦和双向泵浦。同向泵浦，信号光与泵浦光以同一方向从掺铒光纤的输入端注入，如图2-5所示：图2-5 EDFA结构示意图OUTPUT反向泵浦，信号光与泵浦光从两个不同方向注入进掺铒光纤，如图2-2所示：Isolator980nm Pump LDEr fiberWDMOUTPUTIsolatorSignal 图2-6 EDFA结构示意图双向泵浦，它是同向泵浦和反向泵浦同时泵浦的一种结

26、构，如图2-3所示：Signal980 pump LDIsolatorEr fiberWDMWDMIsolator980 pump LDOUTPUT图2-7 EDFA 结构示意图EDFA的工作原理：Er3+能级图及放大过程：掺铒光纤放大器之所以能放大光信号的基本原理在于Er3吸收泵浦光的能量，由基态4I15/2跃迁至处于高能级的泵浦态，对于不同的泵浦波长电子跃迁到不同的能级，当用980nm波长的光泵浦时，如图2-4所示，Er3从基态跃迁至泵浦态4I11/2。由于泵浦态上的载流子的寿命只有1s，电子迅速以非辐射方式由泵浦态豫驰至亚稳态，在亚稳态上载流子有较长的寿命，在源源不断的泵浦下，亚稳态上的

27、粒子不断累积，从而实现粒子数反转分布。当有1550nm的信号光通过已被激活的铒光纤时，在信号光的感应下，亚稳态上的粒子以收集受激辐射的方式跃迁到基态，同时释放出一个与感应光子全同的光子，从而实现了信号光在掺铒光纤的传播过程中不断放大。在放大过程中，亚稳态上的粒子也会以自发辐射的方式跃迁到基态，自发辐射产生的光子也会被放大，这种放大的自发辐射（ASE：Amplified Spontaneous Enission）会消耗泵浦光并引入噪声。图2-8 Er3的能级图2.EDFA的基本性能EDFA中，当接入泵浦光功率后，输入信号光将得到放大，同时产生部分ASE光，两种光都消耗上能级的铒粒子。当泵浦光功率

28、足够大，而信号光与ASE很弱时，上下能级的粒子数反转程度很高，并可认为沿掺铒光纤长度方向上的上能级粒子数保持不变，放大器的增益将达到很高的值，而且随输入信号光功率的增加，增益仍维持恒定不变，这种增益称为小信号增益。在给定输入泵浦光功率时，随着信号光和ASE光的增大，上能级粒子数的增加将因不足以补偿消耗而逐渐减少，增益也将不能维持初始值不变，并逐渐下降，此时放大器进入饱和工作状态，增益产生饱和。饱和增益值不是一个确定值，随输入功率和饱和深度以及泵浦光功率而变。增益：输出端口的信号功率与输入端口的信号功率的比值，以dB表示。（增益包括输入光纤跳线和输入口之间的连接损耗；并且实验中需要假定跳线与用作

29、EDFA输入输出端口的光纤同类；同时需要注意从信号光功率中排除ASE噪声功率）。 小信号（线性）增益：ba图2-5 典型EDFA的增益、噪声系数与输入功率的关系EDFA工作在线性范围区时的增益，（这时在给定的信号波长和泵浦光功率电平下，它基本上与输入信号光功率无关）输出与输入信号光功率之比，不包括泵光和ASE光。 式中Pin和Pout是被放大的连续信号光的输入和输出功率，PASE是放大的自发辐射噪声功率。图2-3中可以认为线b的左侧是EDFA的线性工作区，即小信号工作区，右侧是饱和工作区。在实际测量的中，由于Pout中会含有一定的PASE，所以在Pin很小的情况下，计算的增益偏大，当输入功率增

30、大，使得Pout远远大于PASE，计算结果就相当精确了。饱和输出功率：增益相对小信号增益减小3dB时的输出功率称为饱和输出功率，在本实验中通过作图法得到。 测量EDFA的增益曲线方法：接通EDFA测试仪电源，稍候（大约5分钟）至稳定工作状态。按照图2-9，图2-9 实验装置示意图ba1550nmDFB Attenuator1 Isolator 1 Isolator 2Attenuator2 Filter EDFAOUTINPower meter DFB光源；隔离器（Isolator）；EDFA测试仪；光可变衰减器（Turnable Attenuator）；光固定衰减器（Fixed Attenu

31、ator）；跳线（Jumper Cable）；光功率计a、测量信号功率，如图中虚线所示，跳过EDFA，将两个隔离器连接起来，调整衰减器到合适值，功率计上显示的读数可以认为是EDFA的输入功率。b、如图，在b点断开（EDFA无输入），EDFA输出端按图依次连接，功率计上的读数可以认为是通过滤波器带宽内的ASE功率。c、将第一个隔离器的输出接到EDFA的输入端，此时功率计上的读数可以认为是放大后的信号和ASE的混合功率。注意：衰减器2不一定使用，但是当放大器放大后的信号超出8mw以后，功率计的读数将会因为接近饱和而不准确，所以此时需要加入衰减器2，但衰减器2需要标定一下（把功率调低，测量有衰减和没

32、有衰减的准确读数，两个相除可以得到衰减器2的衰减倍数），测量时应该记录实际值（即读数衰减倍数，否则NF将不正确。调整衰减器（通常510倍一个点），重复a、b、c步骤，用功率计测量并记录信号光的输入功率Pin，同时对应每一个输入功率值，都要测得一个经过EDFA的放大后输出功率Pout，同时测量每组衰减状态下EDFA的输入悬空，输出接光功率计，测得EDFA的自发辐射噪声功率PASE；并将实验数据填入表2-2中，并通过公式2计算出各个输入功率下的增益值G。表2-3 EDFA增益实验数据光源波长（nm）编号输入功率Pin（dBm）输出功率Pout（dBm）噪声功率PASE（dBm）增益G（dB）131

33、0112.3816.87-23.315.112212.3916.88-23.285.107312.4016.87-23.295.104412.4016.89-23.295.1051550511.5319.02-49.587.745611.5319.04-49.607.747711.5219.03-49.617.751811.5619.02-49.607.735如表所示，光信号通过EDFA后能有效的放大，增强光信号功率，即可延长。工作在低损耗的波长1550nm窗口，并能对其较宽的带宽范围内提供均衡和稳定的增益特性等优点，淘汰了传统再生中继的光一电一光转换，是一种理想的光纤放大器。采用光纤放大器后

34、，经过多分支后，用户仍可正常接收。2.2光纤的色散2.2.1色散的概念所谓色散是指光脉冲信号中不同波长或不同模式在光纤中的传播速度不同而到达光纤终端的传播时间有先有后，产生群时延差，引起输出光脉信号展宽的物理现象。2.2.2 色散的分类单模光纤主要有材料色散、波导色散和折射率分布色散三种。从理论上讲，单模光纤在理想情况下是只传播基模HE,;一个模的光波导，无其它模式，故不存在模式色散。但是实际光纤制造不可能理想均匀，具有椭圆度和因弯曲、扭转等产生的剩余应力，从而发生局部双折射的极化问题，使HE,;产生极化正交的HEx , HEY的双模传输，二者速度不同，出现时延差，得到“模色散”一偏振色散。不

35、过这一色散一般很小，只在极高速通信中才有影响。通常只讨论主要的三种:(1)材料色散是由于光纤材料引起的色散。材料色散产生的物理原因是因为光纤材料本身的折射率因波长而异，使组成光信号的各波长成份在光纤传播的群速度不同，产生群时延差，引起输出光脉冲波形展宽的物理现象。经长度为L的光纤的光信号脉冲展宽为: 式中dm一单位光纤长度的材料色散，8一光脉冲谱宽。 (2)波导色散是由于光波导结构参数而决定的，故又称结构色散。它是对一个模式而言的色散。所谓波导色散，这是由于纤芯和包层的折射率不同，造成输出光脉冲波形展宽的物理现象。光信号功率在单模光纤中传输与多模光纤不同，除绝大部分光功率在纤芯中传输外，总有一

36、小部分光功率在色层中传输。当纤芯和色层的折射率相差甚小时，在界面的全反射现象将以部分光能向色层渗入的方式发生。而且这种渗入的比例因波长而异，和材料色散相反，波长越长的光，渗入色层的比例越大，光传播路径越长，到达光纤末端经历的时间越长，相当于速度慢;波长越短的光，渗入色层的比例越小。传播路径越短，到达光纤末端的历时亦越少，相当速度快;于是波长不同的光信号产生了群时延差，引起脉冲展宽。所以，波导色散是由于光向色层渗入发生的物理现象。在多模光纤中波导色散远小于模式色散。但在单模光纤它可以和材料色散相比拟，虽然材料色散比波导色散一般要大一两个数量级占主导地位，仍不可忽视。 从上述分析可知，材料色散和波

37、导色散均受光波波长所左右，故又合称波长色散。 (3)折射率分布色散:它是因纤芯和包层的折射率差随光频改变而发生的色散。很小，一般略而不计。单模光纤的总色散d等于材料色散d、波导色散dw、折射率分布色散dA的代数和: 在一定范围内，波导色散与材料色散具有相反的符号。只要巧妙选择某个特定中心波长点，就能使材料色散抵消波导色散而实现总色散为零，此时对应的波长叫零色散波长。 由于波导色散与光纤的相对折射率差、芯径、折射率分布形状有密切的关系，对光纤某一模式的传播特性是纤芯半径同波长比值的函数。所以，常用改变光纤结构和折射率分布的方法来改变波导色散的大小和符号，达到调节零色散波长移位之目的。2.2.3色

38、散对光通信的影响光纤的色散会使光脉冲信号展宽，限制了光纤通信系统的传输速率即光纤带宽或容量和再生中继段长度，成为高速率大容量长距离光纤系统十分重要的问题。在相同的功率代价下，色散容限与速率的平方成反比。传输速率越高，脉冲的展宽越迅速，色散容限也变得越小。在1 dB功率代价下，传输速率为2._5 Gb/s信号的色散容限约为16,000 ps/nm，传输速率为10 Gb/s信号的色散容限约为1,000 ps/nm，而传输速率40 Gb/s信号的色散容限变得更小，只有62 ps/nm。色散及非线性效应的综合作用，使得系统对光纤链路的残余色散变得更加敏感4。1.用时域特性来描述色散效应对通信速率和传输

39、距离的限制:光纤色散是光波信号出现畸变的重要原因，在传数字信号时表现为光脉冲时间展宽，即光脉冲的上升时间和下降时间加大。码速越高，要求光纤系统总的上升时间越小。但光脉冲传输距离越远，脉冲展宽越厉害。而且伴随信号码速的不断增大，二相邻光脉冲间距变小。因此，当光脉冲展宽到一定程度，便会使码元前、后重叠，变得难于分辨，引起严重码间干扰，造成光接收机灵敏度降低。所以，单模光纤的色散使光脉冲变形展宽，不仅限制了信号比特率的更大提高，而且似衰减一样还限制了高码速率光纤系统的再生中继段长度。 2.用光纤频域特性描述色散效应对光通信系统带宽的限制: 从频域观点看，光纤系统即是一个有一定带宽的网络。它除受光发机

40、和接收机制约外，还受光纤长度和码速的影响。光纤越长相当于带宽越窄;信号码速越高，表示信号中高频分量越大，占有的频带越宽。当码速高到某一程度时，光脉冲经光纤传输一定距离，会有相应的信号频率成分量被抑制掉，即输出光信号产生了频率失真，表现在波形上即为脉冲展宽。色散与带宽的数学表达式可写成: 式中d一色散系数，单位用ps/nmkm表示， 一光源谱宽，单位为nm, L一光纤长度，单位为km从(2-7)式明显看出，光纤通信系统的带宽或码速亦即通信容量和光纤色散成反比。2.2.4在实际工程设计应用中减少小色散效应的方法1光纤的选择根据长途通信网和本地中继传输网规划发展的要求，凡在大容量较长中继的网路上采用

41、2. 5Gb/s及以上系统，结合远期扩容趋势，宜选用色散小的光纤，如G.653色散位移光纤。近期选用速率低于2. 5G6/s系统含2. 5Gb/s、系统时，G.652光纤也可以使用。2.工作波长的选择及色散补偿器的采用：一般在采用6221VIb/s系统组织本地传输网中继距离30Km左右时，可选用1310nm，窗口或1550nm窗口，要进行经济比较和分析今后扩容难易度。 若采用2. 5Gb/s及以上系统，宜采用1550nm窗口。对应用广泛的零色散波长为1310nm的G. 652光纤在1550nm波长区色散系数偏大而难于实现高速率长距离传输，宜采取色散补偿器(DCF)和光放大器。所谓DCF是用具有

42、大负色散特性的光纤制成的，在G. 652光纤线路中每隔一定距离介入一个一定长度的DCF去抵消1550nm处的色散，但介入一定的衰减，故需加装光放大器。2.2.5色散补偿的原理 色散补偿通常用脉冲光信号在光纤中传输方程来进行解释，在不考虑非线性影响时，信号传输方程可写成： 式中，A为脉冲包络幅度，群速度色散GVD,为三阶色散。当 1 ps2/km时，的影响可以忽略，这时方程解为： 式中，为的傅里叶变换，为初始输入脉冲包络幅度。由式(2-11)可知，信号的色散诱导伤害是由相位因子引起的，而此相位因子由脉冲在光纤中传输时不同频谱分量传输速度不同引起的。所以色散补偿方法的基本思路是如何消除这个相位因子

43、的影响，达到恢复输入光信号的初始波形。光纤的色散补偿可以在整个光纤链路中进行，也可以在发送端进行，即预补偿技术，也可以在接收端进行，通常采用电色散补偿技术。也可以在接收端进行，通常采用电色散补偿技术。我们采用在光纤链路中进行色散补偿的仿真，仿真采用不归零码(NRZ)脉冲信号，采用M-Z调制器进行调制，传输速率为40Gbit/s，光纤为G.6_52标准单模光纤，传输距离为50km，色散系数为17ps/(nmkm),入纤光功率为OdBm。仿真模型如图2-10所示5。图2-10 色散补偿仿真模型图 调制好的信号图观测仪进行观测经光纤，光功率放大器，色散补偿光纤(DCF)后，在接收端采用眼，没有补偿的

44、眼图与补偿后的眼图分别如图2.3 ,图2.4所示。 图2-11 没有补偿的眼图图2-12补偿后的眼图 从图中可以看出，没有进行色散补偿的眼图己经闭合，我们无法从接收端正确的识别信号，而采用了色散补偿的眼图很好，眼开度较大，能从接收端正确的识别信号。从图2.3中还可以看出，随着传输速率的提高，色散对光纤通信的影响显得尤为突出，当传输速率为40 Gbit/s时，通过G.652标准单模光纤的长度约为2.812km，仿真实验中传输的距离为5Okm，因而在接收端无法识别信号。因此，在现代高速光纤通信中，要实现长距离的传输，必须进行色散补偿。虽然现在新铺设的光纤线路采用色散值较小的新型光纤，但随着距离的增

45、加，传输链路中的累积色散也会很大，这同样会影响通信的质量，限制传输的距离，因此同样需要进行色散补偿。2.3光纤的数值孔径2.3.1光纤数值孔径概述光波在光纤中是利用全反射原理进行传播的， 当光纤端面光线入射角大于某一值时，该束光线就 不能在光纤中传播。数值孔径是描述光纤传输光线 的参数，用来表征光纤的聚光能力。理论上数值孔 径 NA的计算公式如下： 式中为纤芯折射率，为包层折射率，为纤芯和包层折射率差。光纤的数值孔径与纤芯的折射率和芯包折射率差有关，而与光纤的纤芯直径无关。 使用大数值孔径光纤有利于减小光纤的弯曲损耗。2.3.2光纤数值孔径对光通信影响实验为了测试光纤数值孔径对光纤通信的影响，

46、本人做以下实验：1、实验目的：分别测规格为3.2/125um的单模光纤和62.5/125um的多模光纤的数值孔径，比较其光功率大小。2、实验原理：光纤数值孔径的基本定义式为： 其中，n0为光纤周边截止的折射率，一般为空气（n0=1）。n1和n2 分别为光纤纤芯和包层的折射率。光纤在均匀光场的照射下，其远场功率角分布与光纤数值孔径NA有如下关系： 其中是远场辐射角，P（）和P（0）处的远场辐射功率，g为光纤折射率分布参数。当P（）和P（0）10%时，SinNA，因此可将对应于P（）角度曲线上光功率下降到中心值的10%处的角度0 的正弦值定义为光纤的数值孔径，称为有效数值孔径：NAeff =Sin

47、0 ，本实验中采用通过测量光纤出射光斑尺寸大小来计算出光纤出射角度，从而确定光纤的数值孔径。这种方法在测量光纤数值孔径时较为常用。具体测量方法如图3.1所示。我们用532nm半导体激光器作为光源，此时测量出射光斑尺寸D和光斑距离出射端距离L，则光纤数值孔径为： 测量直径的方法是功率计沿着圆斑的直径由中心向外围移动，记录中心功率为P1 ，此时平移台刻度为R；当边缘功率P2 P1 *10%时，记录功率计移动过的距离R2 。根据上述公式，数值孔径为： 3、 实验数据处理多模光纤数值孔径实验数据处理：表2-4多模光纤数值孔径实验数据L=2.80cm序号圆斑中心功率P1/mW边缘功率P2/mWP1时平移

48、台刻度R1 /mmP2时平移台刻度R2 /mm数值孔径NA1211.220.713.70120.8220.2462208.120.513.60320.8450.2503207.521.013.60120.8550.2504208.320.913.90020.7910.2555208.120.713.92420.9000.241平均值208.620.813.74620.8430.248单模光纤数值孔径数据处理：表2-5单模光纤数值孔径实验数据L=2.80cm序号圆斑中心功率P1/mW边缘功率P2/mWP1时平移台刻度R1 /mmP2时平移台刻度R2 /mm数值孔径NA142.14.417.379

49、22.0500.165241.74.217.24922.1850.170340.64.017.36522.0810.166439.94.017.31122.1910.171540.14.117.12122.1170.175平均值40.94.117.22522.1450.170如表所示，单模光纤数值孔径为0.17小于多模光纤数值孔径，前者圆斑中心功率亦小于后者，则表明NA越大，光纤接收光的能力也越强。从增加进入光纤的光功率的观点来看，NA越大越好，因为光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的，但是NA太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。因此，在光纤通信系统中，对光纤的数值孔径有一定的要求

50、。通常为了最有效地把光射入到光纤中去，应采用其数值孔径与光纤数值孔径相同的透镜进行集光6。2.4光纤连接错位对光通信的影响众所周知，当两端光纤进行连接时，必须达到相当高的对中精度，才能使光信号以较小的损耗传输过去。反过来，如果将光纤的对中精度做适当的调整，就可以控制其衰减量。位移型光纤衰减器在对接时，发生一定错位，使光能量损失一些，从而达到控制衰减量的目的。通过使用普通尾纤，用熔接机将2根尾纤的纤芯在错位的情况下进行熔接工作（如图），使光在传输过程中发生偏芯损耗，得到连接器式固定衰减器，又称在线固定衰减器7。图2-13光纤横向错位d为横向偏移量为了研究光纤连接错位对光通信产生的影响，做以下光纤

51、衰减器实验：实验步骤1、按图2-14搭建实验光路，调整五维调节架，将激光耦合到光纤中；图2-14 光纤衰减器衰减值验证实验注：1激光器；2物镜；3五维调节系统；4光纤衰减器；5功率计。2、测量耦合后光纤输出端的输出功率P1；3、将5dB的光纤衰减器连接到光纤输出端，测量衰减后的功率P2；4、根据公式（6-1），计算光经过衰减器后衰减的分贝值；与实际值比较，分析误差产生的原因。实验数据处理：光纤损耗的常用单位是分贝（dB），分贝与功率之间的关系如下所以： dB=-10lg 我们通过测量经耦合后光纤输出端的功率P1和在输出端接上衰减器之后的功率P2就可求的该衰减器的衰减值是多少。（本实验分别采用5

52、dB、10dB、15dB、20dB光纤衰减器进行实验，横向偏移量d分别是20dB衰减器15dB衰减器10dB衰减器5dB衰减器）表2-6光纤衰减1234输出功率（mW）衰减值（dB）输出功率（mW）衰减值（dB）输出功率（mW）衰减值（dB）输出功率（mW）衰减值（dB）5dB衰减器63.15.1362.75.1662.95.1562.85.1510dB衰减器24.89.2924.49.2625.59.3524.19.2515dB衰减器9.113.548.813.698.513.848.713.7420dB衰减器2.519.162.419.332.618.982.319.52该实验输入功率为205.8mW如表所示，错位越严重即横向偏移量d越大，衰减值越高，以至于使光通信的距离变短。3.光纤通信技术的应用3.1 光纤通信技术在电力通信领域的应用近年来，我国光通信产业发展极其迅速，我国许多地区的电力系统都在建设专用的电力通信网络，实现电力专用通信网 从主干线到接