第2章 光纤通信传输介质

1、光纤通信简明教程 原 荣 1第第 2 章章 光纤通信传输介质光纤通信传输介质 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 2.2 光纤传光原理光纤传光原理 2.3 光纤传输特性光纤传输特性 2.4 光纤种类光纤种类 2.5 光纤制造工艺光纤制造工艺光纤通信简明教程 原 荣 2 光纤是通信网络的优良传输介质，尤其以石英光纤是通信网络的优良传输介质，尤其以石英SiO2光光纤得到的应用最为广泛。纤得到的应用最为广泛。 和电缆相比，光纤具有信息传输容量大，中继距离长，和电缆相比，光纤具有信息传输容量大，中继距离长，不受电磁场干扰，保密性能好和使用轻便等优点。随不受电磁场干扰，保密性能好和使用轻便等优点。随着

2、技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断扩着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断扩展。光纤通信在高速率长距离干线网和用户接入网方展。光纤通信在高速率长距离干线网和用户接入网方面的发展潜力都很大。为保证光纤性能稳定，系统运面的发展潜力都很大。为保证光纤性能稳定，系统运行可靠，必须根据实际使用环境设计各种结构的光纤行可靠，必须根据实际使用环境设计各种结构的光纤和光缆。和光缆。 本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和光缆本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和光缆的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。光纤和光缆光纤和光缆光纤通信简明教程 原 荣 3

3、光纤由玻璃（石英光纤由玻璃（石英SiO2）制成的纤芯和包层组成，为了保护光）制成的纤芯和包层组成，为了保护光纤，包层外面还增加尼龙外层。实际光纤通信系统使用的光纤都纤，包层外面还增加尼龙外层。实际光纤通信系统使用的光纤都是包在光缆内；是包在光缆内；光缆有许多光纤组成，光纤外面是松套管，松套管内是填充物。光缆有许多光纤组成，光纤外面是松套管，松套管内是填充物。光缆的中心是一条增加强度用的钢丝，最外面是保护用的护套。光缆的中心是一条增加强度用的钢丝，最外面是保护用的护套。2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型光纤通信简明教程 原 荣 4光纤结构 光纤是一种纤芯折射率光纤是一种纤芯折射率n1比包层折射

4、率比包层折射率n2大的同轴大的同轴圆柱形电介质波导。纤芯材料主要成分为掺杂的二圆柱形电介质波导。纤芯材料主要成分为掺杂的二氧化硅（氧化硅（SiO2），纯度达），纯度达99.999 %，其余成分为极，其余成分为极少量的掺杂剂如二氧化锗（少量的掺杂剂如二氧化锗（GeO2）等，以提高纤芯）等，以提高纤芯的折射率。的折射率。 纤芯直径纤芯直径2a为为8100 m。包层材料一般也为。包层材料一般也为SiO2，外径外径2b为为125 m，其作用是把光强限制在纤芯内。，其作用是把光强限制在纤芯内。 为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆

5、层，其主要成分是环氧树还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树脂和硅橡胶等高分子材料。光在纤芯与包层的界面脂和硅橡胶等高分子材料。光在纤芯与包层的界面上发生全反射而被限制在纤芯内传播，包层为光的上发生全反射而被限制在纤芯内传播，包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。用。光纤通信简明教程 原 荣 52.1 光纤类型光纤类型 光纤是一种纤芯折射率比包层折射光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导率高的同轴圆柱形电介质波导; ; 根据光纤横截面上折射率的径向分布情根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和

6、渐变型两种况，光纤分为阶跃型和渐变型两种; ; 作为信息传输波导，实用光纤有两种基作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，它们是多模光纤和单模光纤。本类型，它们是多模光纤和单模光纤。光纤通信简明教程 原 荣 62.1.1 多模光纤多模光纤 可以传播数百到上千个模式的光纤，称可以传播数百到上千个模式的光纤，称为多模光纤。为多模光纤。 根据折射率在纤芯和包层的径向分布情根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。光纤。光纤通信简明教程 原 荣 7 光纤是一种光纤是一种纤芯折射率纤芯折射率比包层折射比包层折射率高的同轴率高的同轴圆柱形

7、电介圆柱形电介质波导质波导 阶跃阶跃(SI)多多模光纤折射模光纤折射率率 n1在纤芯在纤芯保持不变，保持不变，到包层突然到包层突然变为变为 n2 阶跃多模光纤结构阶跃多模光纤结构n2n1nr ( )r包层纤芯2a2am=1001402bm=2bSiO2SiO2GeO2+光纤通信简明教程 原 荣 8渐变渐变(GI)多多模光纤折射模光纤折射率不像阶跃率不像阶跃多模光纤是多模光纤是个常数，而个常数，而是在纤芯中是在纤芯中心最大，沿心最大，沿径向往外按径向往外按抛物线形状抛物线形状逐渐变小，逐渐变小，直到包层变直到包层变为为 n2渐变多模光纤渐变多模光纤n2n1nr ( )r2a2am=62.52b1

8、252bm=2b光纤通信简明教程 原 荣 9 图图3.1.3 多模光纤和单模光纤的比较多模光纤和单模光纤的比较光纤通信简明教程 原 荣 102.2 光纤传光原理光纤传光原理 从光线理论考虑，光纤传光原理是基于从光线理论考虑，光纤传光原理是基于光的反射和折射，所以我们首先回忆一光的反射和折射，所以我们首先回忆一下光的反射和折射。下光的反射和折射。光纤通信简明教程 原 荣 112.2.1 光的反射和折射光的反射和折射 图图2.2.1 光的反射和折射光的反射和折射a）入射光、反射光和折射光）入射光、反射光和折射光 b）插入水中的筷子变得向上弯曲了）插入水中的筷子变得向上弯曲了光纤通信简明教程 原 荣

9、 12光的反射和折射光的反射和折射 光在同一种物质中传播时，光是直线传播的。但是光光在同一种物质中传播时，光是直线传播的。但是光波从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时，波从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时，在一定的入射角度范围内，光在边界会发生反射和折在一定的入射角度范围内，光在边界会发生反射和折射，如图射，如图2.2.1a所示。入射光与法平面的夹角所示。入射光与法平面的夹角 i 叫入射叫入射角，反射光与法平面的夹角角，反射光与法平面的夹角 r 叫反射角，折射光与法叫反射角，折射光与法平面的夹角平面的夹角 t t 叫折射角。叫折射角。 把筷子倾斜地插入水中，可以看到筷子与水面的相

10、交把筷子倾斜地插入水中，可以看到筷子与水面的相交处发生弯折，原来的一根直直的筷子似乎变得向上弯处发生弯折，原来的一根直直的筷子似乎变得向上弯了。这就是光的折射现象，如图了。这就是光的折射现象，如图2.2.1b所示。因为水的所示。因为水的折射率要比空气的大，所以折射角折射率要比空气的大，所以折射角 t要比入射角要比入射角 i大，大，所以我们看到水中的筷子向上翘起来了。所以我们看到水中的筷子向上翘起来了。光纤通信简明教程 原 荣 13 图图2.2.2 由于光线在界面的反射和折射，由于光线在界面的反射和折射，在水下不同位置的潜水员看到的景色是在水下不同位置的潜水员看到的景色是不一样的不一样的 水下的

11、潜水水下的潜水员在某些位员在某些位置可以看到置可以看到岸上的人，岸上的人，如图如图2.2.2入入射角为射角为 i1 的的情况，情况，但是当他离但是当他离开岸边向远开岸边向远处移动时，处移动时，当入射角当入射角 i2等于或大于等于或大于某一角度某一角度 c时，他就感时，他就感到晃眼，什到晃眼，什么也看不见，么也看不见，此时的入射此时的入射角角 c 我们就我们就叫临界角。叫临界角。光纤通信简明教程 原 荣 14ikrktktc临临界界角角cii21nn 21nn光纤波导传输光的原理光纤波导传输光的原理-临界角临界角 因因21nn 时，折射时，折射角要比入射角大，当折射角要比入射角大，当折射角角t达

12、到达到 90o时，入射光沿时，入射光沿交界面向前传播交界面向前传播，此时的此时的入射角称为临界角入射角称为临界角c，并，并由下式给出由下式给出12ctcsinsinsinnn光纤通信简明教程 原 荣 15 i c ）时，没有透射光，只有反射光，这种）时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫做全反射现象叫做全反射 (TIR，Total Internal Reflection), 如图如图2.2.2 (c) 所示，所示，这就是多模光纤波导传输光的原理。这就是多模光纤波导传输光的原理。图图2.2.3 光波从折射率较大的介质以三种不同的入射光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质角进

13、入折射率较小的介质,出现三种不同的情况出现三种不同的情况光纤通信简明教程 原 荣 16渐变多模光纤渐变多模光纤 阶跃多模光纤的主要缺点是存在大的模间色散，阶跃多模光纤的主要缺点是存在大的模间色散，光纤带宽很窄；光纤带宽很窄； 而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所以带宽很宽。以带宽很宽。 但是随之出现的问题是，因单模光纤芯径很小，但是随之出现的问题是，因单模光纤芯径很小，所以把光耦合进光纤很困难。所以把光耦合进光纤很困难。 那么是不是制造一种光纤，既没有模间色散，那么是不是制造一种光纤，既没有模间色散，带宽较宽，芯径较大，又使光耦合容易，我们带宽较宽，

14、芯径较大，又使光耦合容易，我们说这就是如图说这就是如图2.1.1b所示的渐变折射率多模光所示的渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。纤，简称渐变多模光纤。光纤通信简明教程 原 荣 172.2.2 光纤传光原理光纤传光原理 在在2.2.1节，我们已用反射和折射的原理，直观地介节，我们已用反射和折射的原理，直观地介绍了光纤中传光的原理。本节以渐变（绍了光纤中传光的原理。本节以渐变（GI）多模光纤为）多模光纤为例，进一步介绍它的传光原理。例，进一步介绍它的传光原理。 渐变（渐变（GI）多模光纤折射率不像阶跃多模光纤是个）多模光纤折射率不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形

15、状常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为，如图逐渐变小，直到包层变为，如图2.1.2b所示。这样的折射所示。这样的折射率分布可使光纤内的光线同时到达终点，其理由是，虽率分布可使光纤内的光线同时到达终点，其理由是，虽然各模光线以不同的路径在纤芯内传输，但是因为这种然各模光线以不同的路径在纤芯内传输，但是因为这种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢（因折度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢（因折射率射率n最大，所以速度最大，所以速度c/n最慢）；光线最慢）；光

16、线3到达末端传输的到达末端传输的距离最长，但是它的传输速度最快（因距离最长，但是它的传输速度最快（因n最小，所以速度最小，所以速度c/ n最快），这样到达终点所需的时间几乎相同。最快），这样到达终点所需的时间几乎相同。光纤通信简明教程 原 荣 18图图2.2.4 渐变（渐变（GI）多模光纤内光线传输路径不同）多模光纤内光线传输路径不同但同时到达终点说明但同时到达终点说明 OOBBBAMabcBBBA21c/nac/nbnanbnc光纤轴线nbnancr= 0aab全反射全反射光纤轴线光纤轴线OO(a) OOabcn.(b)(c)光线1光线2r= 0r=ar= 0r=a渐变多模光纤折射率渐变多模

17、光纤折射率 n1不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为 n2。虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输，但是这种光纤的纤芯折射率不虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输，但是这种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢，因折射率最大；越远离轴线，到达终点传输的距离越长，但传速度最慢，因折射率最大；越远离轴线，到达终点传输的距离越长，但传输速度越快，

18、这样到达终点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。输速度越快，这样到达终点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。光纤通信简明教程 原 荣 19t GI1.00.5t光光强强000123n2n1nr ( )r2a2a m=62.52b1252b m=2b传输路径： 光线 321折射率：n3n2n11.00.5脉冲展宽脉冲展宽n2n1nr ( )r2a m=2a8.32b1252b m=单模光纤单模光纤-色散最小色散最小 只能传播一个模式的光纤称为单模光纤；只能传播一个模式的光纤称为单模光纤； 标准单模光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，标准单模光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小

19、得多，模场直径只只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有（有（910） m； 光线沿轴线直线传播光线沿轴线直线传播, 色散使输出脉冲信号展色散使输出脉冲信号展宽最小。宽最小。光纤通信简明教程 原 荣 21从电磁波理论解释光纤传光原理从电磁波理论解释光纤传光原理 本质上，光是一种电磁波，一种密切相关的电本质上，光是一种电磁波，一种密切相关的电场和磁场交替变化形成的偏振横波，它是电波场和磁场交替变化形成的偏振横波，它是电波和磁波的结合，由麦克斯韦于和磁波的结合，由麦克斯韦于1867年证实。光年证实。光的传播就是通过电场、磁场的状态随时间变化的传播就是通过电场、磁场的状态随时间变化的规律表现出来。

20、麦克斯韦把这种变化列成了的规律表现出来。麦克斯韦把这种变化列成了数学方程，后来人们就叫它为麦克斯韦波动方数学方程，后来人们就叫它为麦克斯韦波动方程，这种统一电磁波的理论获得了极大的成功。程，这种统一电磁波的理论获得了极大的成功。同样用它也完美地解释了光波在光纤中的传输。同样用它也完美地解释了光波在光纤中的传输。光纤通信简明教程 原 荣 222.3 光纤传输特性光纤传输特性 2.3.1 衰减衰减 2.3.2 色散色散 2.3.3 光纤带宽光纤带宽 2.3 4 光纤比特率光纤比特率光纤通信简明教程 原 荣 23图图2.3.1 光纤传输线的各种损耗光纤传输线的各种损耗 光纤是熔融光纤是熔融SiOSi

21、O2 2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。 吸收损耗有纯吸收损耗有纯SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部吸收。材料引起的内部吸收和杂质引起的外部吸收。内部吸收是由于构成内部吸收是由于构成SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用的离子晶格在光波（电磁波）的作用下发生振动损失的能量。外部吸收主要由下发生振动损失的能量。外部吸收主要由OH离子杂质引起。离子杂质引起。散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纤制造过程散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射

22、是由在光纤制造过程中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。入射端光纤和器件耦合时的损耗吸收吸收损耗材料密度不均匀引起折射率不均匀瑞利散射损耗.。输入光光光弯曲泄露弯曲产生的损耗对接损耗和器件耦合时的损耗光纤对接出射端输出光光光杂质。界面不规则场分布光纤通信简明教程 原 荣 24 瑞利瑞利（18771919） 瑞利散瑞利散射发明射发明家家 1904年年获得诺获得诺贝尔奖贝尔奖光纤通信简明教程 原 荣 25率减系数率减系数通常，光纤内传输的光功率通常，光纤内传输的光功率 P 随距离随距离 z 的衰减，可的衰减，可以用下式表示以用下式表示PzPdd

23、(2.3.1)式中式中是衰减系数。如果是衰减系数。如果inP是在长度为是在长度为 L 的光纤输入的光纤输入端注入的光功率端注入的光功率，根据式根据式(2.3.1)，输出端的光功率应为输出端的光功率应为LPPexpinout(2.3.2)习惯上习惯上的单位用的单位用 dB/km 表示表示，由式由式(2.3.2)得到衰减系得到衰减系数数outindBlog101PPL km/dB(2.3.3)光纤通信简明教程 原 荣 26图图2.3.2 典型光纤衰减谱典型光纤衰减谱8001000120014001600 衰衰减减( (d dB B/ /k km m) )波波长长( (n nm m) ) 单单模模光

24、光纤纤8 85 50 0n nm m 1 1. .8 81 1d dB B/ /k km m1 13 30 00 0 0 0. .3 35 5d dB B/ /k km m1 15 55 50 0 0 0. .1 19 9d dB B/ /k km m10.00.11.00.20.30.52.03.05.0单单模模光光纤纤G GI I多多模模光光纤纤S SI I多多模模光光纤纤O OH H吸吸收收峰峰光纤通信简明教程 原 荣 272.3.2 色散色散 各模群速度不等引起脉冲展宽各模群速度不等引起脉冲展宽 色散种类：色散种类： 模式色散模式色散 色度色散色度色散高阶色散高阶色散 偏振模色散偏振模

25、色散光纤通信简明教程 原 荣 28三角棱镜分光就是色散现象三角棱镜分光就是色散现象 1666年，英国物理学家牛顿做了一次非常著名年，英国物理学家牛顿做了一次非常著名的实验，他用三角棱镜将太阳白光分解为红、的实验，他用三角棱镜将太阳白光分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色彩带，如图橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色彩带，如图2.3.3a所示。所示。 色散是日常生活中经常会碰到的一种物理现象。色散是日常生活中经常会碰到的一种物理现象。一束白光通过一块玻璃三角棱镜时，在棱镜的一束白光通过一块玻璃三角棱镜时，在棱镜的另一侧被散开，变成五颜六色的光带。在光学另一侧被散开，变成五颜六色的光带。在光学中称这种现

26、象为色散。中称这种现象为色散。光纤通信简明教程 原 荣 29太阳光通过棱镜太阳光通过棱镜因色散产生因色散产生彩色光带彩色光带 为什么会产生这种现象呢？原因很简单，白光本身就是由不为什么会产生这种现象呢？原因很简单，白光本身就是由不同颜色的光组成，也就是说由不同波长的光组成，如红光波同颜色的光组成，也就是说由不同波长的光组成，如红光波长最长是长最长是620760 nm，紫光波长最短是，紫光波长最短是400435 nm。 各单色光的偏折角各单色光的偏折角sin r = sin r /n也不同。其中，紫光也不同。其中，紫光在玻璃中的折射率在这七色中最大（在玻璃中的折射率在这七色中最大（n紫光紫光 =

27、 1.532），而红），而红光则最小（光则最小（n红光红光 = 1.513），所以紫光在玻璃中的折射角），所以紫光在玻璃中的折射角 r紫最小，因此紫光就位于光谱的下端；红光的折射角紫最小，因此紫光就位于光谱的下端；红光的折射角 r红最红最大，因此红光位于光谱的上端，如图大，因此红光位于光谱的上端，如图3.4.1（a）所示。橙、）所示。橙、黄、绿、青、蓝等色光，按波长的长短，依次排列在红光和黄、绿、青、蓝等色光，按波长的长短，依次排列在红光和紫光之间。棱镜就是这样把白光分解成七色光谱的。紫光之间。棱镜就是这样把白光分解成七色光谱的。n1i1NN21.12N.红紫r紫红r白光pn2光纤通信简明教程

28、 原 荣 30光纤中的色散起因及其限制光纤中的色散起因及其限制 当光信号通过光纤时，也要产生色散现象。色当光信号通过光纤时，也要产生色散现象。色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因传输的群速度不同产生不同的时间延迟而引因传输的群速度不同产生不同的时间延迟而引起的一种物理效应。起的一种物理效应。 光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。频率分量，以及光纤中的不同模式分量。 如果信号是模拟调制，色散限制了带宽；如果如果信号是模拟调制，色散限制了带宽；如果信号是数字脉冲，色散使脉

29、冲展宽，产生码间信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽，产生码间干扰，从而限制了光纤通信系统的传输速率和干扰，从而限制了光纤通信系统的传输速率和容量。容量。光纤通信简明教程 原 荣 31光纤中的光速光纤中的光速要比真空中的光速慢要比真空中的光速慢 n 倍倍 在光纤中的光速在光纤中的光速 v = c/n，折射率为，折射率为 n 光纤波导中的光速光纤波导中的光速要比真空中的光速要比真空中的光速慢慢 n 倍。倍。 玻璃的玻璃的 n = 1.5，因，因而在光纤中的光速而在光纤中的光速度要比在真空中的度要比在真空中的慢慢 33 %。c cv v密密度度大大介介质质Vc 在在介介质质中中在在真真空空中中m/snc

30、c0n0nn n光纤通信简明教程 原 荣 32光纤色散种类光纤色散种类 模式色散模式色散 色度色散色度色散 偏振模色散。偏振模色散。色度色散又分为材料色散和波导色散。对于多模光色度色散又分为材料色散和波导色散。对于多模光纤，模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散纤，模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。对于单模光纤，由于只有一个模式在光一般可以忽略。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较小。模色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较

31、小。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。光纤通信简明教程 原 荣 33模式色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输模式色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽入入射射光光脉脉冲冲ttt输输出出出出光光脉脉冲冲tt 0 1t 最最初初各各模模重重合合=0123包包层层纤纤芯芯传传输输后后各各模模分分开开N= 3201N 0传

32、传输输距距离离短短, ,需需要要时时间间短短=1 1传传输输距距离离长长, ,需需要要时时间间多多 1 0 1 0因因所所以以N=0N图图2.3.4 多模光纤模式色散多模光纤模式色散光纤通信简明教程 原 荣 34模式色散引起的脉冲展宽模式色散引起的脉冲展宽 光纤通信简明教程 原 荣 35色度色散（或色散）色度色散（或色散） 色度色散是由于不同波长（颜色）的光色度色散是由于不同波长（颜色）的光以不同的速度在光纤中传输引起不同的以不同的速度在光纤中传输引起不同的时间延迟而产生的。时间延迟而产生的。 色度色散又分为材料色散和波导色散，色度色散又分为材料色散和波导色散，常简称为色散。常简称为色散。光纤

33、通信简明教程 原 荣 36光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽 光纤通信简明教程 原 荣 37色散对光纤所能传输的最大比特速率色散对光纤所能传输的最大比特速率B的影响可利的影响可利用相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定用相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定光纤通信简明教程 原 荣 382.3.3 光纤带宽光纤带宽 由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽。出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽。 光纤带宽用光纤带宽用f 3dB, op表示，它对应光纤传输表示，它对应光纤传输特性曲线纵坐标从特性曲线纵坐标从1下降下降1

34、/2或或3 dB的频率。的频率。光纤通信简明教程 原 荣 391光纤带宽光纤带宽 图图2.3.5（a）表示传输模拟信号的光纤线路，图）表示传输模拟信号的光纤线路，图2.3.5（b）表）表示频率为示频率为f 的光纤输入和输出光信号，图的光纤输入和输出光信号，图2.3.5（c）表示光纤）表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光带宽减小的情况。的传输特性及由于光纤色散使输出光带宽减小的情况。 光发射机LD光纤光接收机PDt 频率为 的正弦电信号f正弦信号f调制频率f=输入光功率00.5f3dB opf频率1.0光纤输入信号频谱特性Pi传输模拟信号的光纤线路(a)0t输入光功率 输出光功率 t0Pin

35、Pout光纤输入信号光纤输出信号光纤输入和输出光信号(b)0ff3dB op频率PoPi1.00.5光带宽光纤的传输特性光纤色散使输出光带宽减少(c)光纤通信简明教程 原 荣 403 dB 光带宽光带宽光纤通信简明教程 原 荣 412. 光缆段总带宽光缆段总带宽光纤通信简明教程 原 荣 422.3.4 光纤比特率光纤比特率 在数字通信中，沿光纤传输的通常是代表信息在数字通信中，沿光纤传输的通常是代表信息的光脉冲。在发射端，信息首先被转变成脉冲的光脉冲。在发射端，信息首先被转变成脉冲形式的电信号，如图形式的电信号，如图2.3.5所示，代表信息的数所示，代表信息的数字比特脉冲通常都很窄。电脉冲驱动

36、光发射机字比特脉冲通常都很窄。电脉冲驱动光发射机（如（如LD）使其在二进制）使其在二进制“1”码时发光，码时发光，“0”码时不发光，然后耦合进光纤，经光纤传输后码时不发光，然后耦合进光纤，经光纤传输后到达光接收机，再还原成电脉冲，最后从中解到达光接收机，再还原成电脉冲，最后从中解调出信息。调出信息。 数字通信工程师感兴趣的是光纤能够传输的最数字通信工程师感兴趣的是光纤能够传输的最大数字速率。这个速率称为光纤的比特率容量大数字速率。这个速率称为光纤的比特率容量B （bit/s），它直接与光纤的色散特性有关。），它直接与光纤的色散特性有关。光纤通信简明教程 原 荣 43图图2.3.6 数字光纤系统

37、和光纤色散数字光纤系统和光纤色散使输出脉冲展宽使输出脉冲展宽 为了把两个连续的输出脉冲分开，即码间不要互相干扰，要为了把两个连续的输出脉冲分开，即码间不要互相干扰，要求它们峰求它们峰-峰间的时间间隔至少为峰间的时间间隔至少为2 1/2。为此，我们最好是。为此，我们最好是每隔每隔2 1/2秒在输入端输入一个脉冲。秒在输入端输入一个脉冲。光纤通信简明教程 原 荣 44表表示示光光纤纤对对输输入入光光脉脉冲冲的的传传输输延延迟迟，21表表示示由由于于色色散散使使输输出出电电脉脉冲冲展展宽宽。通通常常用用输输出出光光强强最最大大值值一一半半的的全全宽宽(FWHM)表表示示。为为了了把把两两个个连连续续

38、的的输输出出脉脉冲冲分分辨辨出出来来，即即码码间间不不要要互互相相干干扰扰，要要求求它它们们峰峰-峰峰间间的的时时间间间间隔隔至至少少为为221。图图2.3.6 最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定光发光发射机射机LD光光纤纤信息信息光接光接收机收机PD信息信息输出光强输出光强t 1.00.50 1/22 1/2 输出展宽的归零光脉冲输出展宽的归零光脉冲数字信号数字信号t1 110 0数字信号数字信号t1 110 00Tt输入光强输入光强21 很窄输入归零脉冲很窄输入归零脉冲2光纤通信简明教程 原 荣 45色散对光色散对光纤所能传纤所能传输的最大输的最大比特

39、速率比特速率B 的影响的影响可利用相可利用相邻脉冲间邻脉冲间不产生重不产生重叠的原则叠的原则来确定来确定输输出出光光强强t 1.00.50 1/22 1/2 输出展宽的归零光脉冲输出展宽的归零光脉冲0Tt输入光强输入光强21 很窄输入归零脉冲很窄输入归零脉冲2BT1= = =221 光纤通信简明教程 原 荣 462.4 光纤种类光纤种类2.4.1 多模光纤和单模光纤多模光纤和单模光纤 单模光纤单模光纤 当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。只线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。

40、能传播一个模式的光纤称为单模光纤。 标准单模（标准单模（SM）光纤折射率分布和阶跃型光）光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有直径只有910 m，光线沿轴线直线传播，传播，光线沿轴线直线传播，传播速度最快，色散使输出脉冲信号展宽最小。速度最快，色散使输出脉冲信号展宽最小。光纤通信简明教程 原 荣 47n2n1nr ( )r阶阶跃跃多多模模光光纤纤(a)包包层层纤纤芯芯2a2a m=1001402b m=2bn2n1nr ( )r渐渐变变多多模模光光纤纤(b)2a2a m=62.52b1252b m=2b多模光纤多模光

41、纤 可以传播数百到上千可以传播数百到上千个模式的光纤，称为个模式的光纤，称为多模光纤。多模光纤。 根据折射率在纤芯和根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。纤和渐变多模光纤。光纤通信简明教程 原 荣 48图图2.4.1 多模光纤和单模光纤传播速度的差异多模光纤和单模光纤传播速度的差异 多模光纤和单模光纤传播速度的差异可以用图多模光纤和单模光纤传播速度的差异可以用图2.4.1形象的表形象的表示，三种汽车各有不同的外形和速度，代表不同的模式。示，三种汽车各有不同的外形和速度，代表不同的模式。模0模1模2预备，跑多模光纤到达终点

42、时的差距（a）模拟多模光纤单模光纤模0（b）模拟单模光纤光纤通信简明教程 原 荣 492.4.2 单模光纤种类单模光纤种类 事实上，为调整工作波长或改变色散特事实上，为调整工作波长或改变色散特性，可以设计出各种结构复杂的单模光性，可以设计出各种结构复杂的单模光纤。纤。 已经开发的有色散移位光纤、非零色散已经开发的有色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散补偿光纤，以及在移位光纤、色散补偿光纤，以及在1.55 m衰减最小的光纤等。衰减最小的光纤等。光纤通信简明教程 原 荣 50表表2.4.1 阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性比较阶跃单模光纤的特性比较多模光纤

43、多模光纤阶跃多模光纤阶跃多模光纤渐变多模光纤渐变多模光纤阶跃阶跃单模光纤单模光纤121)(nnn 0.020.0150.003芯径芯径 2a（ m）10062.58.3(MFD = 9.3)包层直径包层直径（ m）140125125NA0.30.260.1带宽带宽 距离距离 或色散或色散(20100)MHz km(0.33)GHz km100(Gb/s) km衰减衰减（kmdB/ ）850nm: 461300nm: 0.71850nm: 31300nm: 0.611550nm: 0.3850nm: 1.81300nm: 0.341550nm: 0.2应用光源应用光源LEDLED, LDLD典型

44、应用典型应用短距离或用户接短距离或用户接入网入网本地网，宽域网或本地网，宽域网或中等距离中等距离长距离通信长距离通信光纤通信简明教程 原 荣 51单模光纤的进展和应用单模光纤的进展和应用 自从自从1970年美国贝尔实验室，根据英籍年美国贝尔实验室，根据英籍华人高锟提出的利用光导纤维可以通信华人高锟提出的利用光导纤维可以通信的理论，成功地试制出用于通信的光纤的理论，成功地试制出用于通信的光纤以来，光纤光缆得到迅速的发展。以来，光纤光缆得到迅速的发展。 40年来，光纤光缆的新产品层出不穷，年来，光纤光缆的新产品层出不穷，而且得到通信业的广泛应用。而且得到通信业的广泛应用。 现就人们目前常用的几种光

45、纤和今后将现就人们目前常用的几种光纤和今后将广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。光纤通信简明教程 原 荣 52单模光纤的种类单模光纤的种类l G. 651 标准多模光纤标准多模光纤l G. 652 标准单模光纤标准单模光纤l G. 653 色散移位光纤色散移位光纤l G. 654 衰减最小光纤衰减最小光纤l G. 655 非零色散光纤非零色散光纤l G. 656 宽带全波光纤宽带全波光纤 l G. 657 接入网用光纤接入网用光纤 l 色散补偿光纤色散补偿光纤光纤通信简明教程 原 荣 532.4.1 G. 652 标准单模光纤标准单模光纤 标准单模光纤是指零色散

46、波长在标准单模光纤是指零色散波长在1.3 m窗口的单模光纤，国际电信联盟窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITU-T)把这种光纤规范为把这种光纤规范为 G.652 光纤。这属于光纤。这属于第一代单模光纤。第一代单模光纤。 其特点是当工作波长在其特点是当工作波长在 1.3 m 时，光纤时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。素，即光纤衰减所限制。光纤通信简明教程 原 荣 54 G.652 光纤在光纤在1.3 m波段的损耗较大，约为波段的损耗较大，约为 0.3 0.4 dB/km；在；在 1.55 m 波段的损耗较小，约波段的损耗较小，约为为

47、0.20.25 dB/km。 色散在色散在 1.3 m 波段为波段为 3.5 ps/nm km，在，在1.55 m波段较大，约为波段较大，约为 20 ps/nm km。 这种光纤可支持用于在这种光纤可支持用于在 1.55 m 波段的波段的 2.5Gb/s 的干线系统，但由于色散较大，若传输的干线系统，但由于色散较大，若传输 10 Gb/s 的信号，传输距离超过的信号，传输距离超过 50 km时，就要求使用价时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。格昂贵的色散补偿模块。 另外另外, 使用它增加了线路损耗，缩短了中继距离，使用它增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以不适用于所以不适用于DWDM系统。系

48、统。G. 652 标准单模光纤标准单模光纤光纤通信简明教程 原 荣 55G. 653 色散移位光纤色散移位光纤 G.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上，为此，在不在同一工作波长上，为此，在80年代年代中期，开发成功了一种把零色散波长从中期，开发成功了一种把零色散波长从1.3 m移到移到 1.55 m的色散移位光纤的色散移位光纤(DSF, Dispersion-Shifted Fiber)。 ITU把这种光纤的规范为把这种光纤的规范为 G.653。这属于。这属于第二代单模光纤。第二代单模光纤。光纤通信简明教程 原 荣 56图图2.4.2 标准光纤

49、、色散移位光纤、非零色散移位光标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性150016001700波波长长( (n nm m) )非非零零色色散散移移位位光光纤纤色色散散色色散散0102030-10-3.5ps/(nmkm-90色色散散补补偿偿光光纤纤色色散散 标标准准光光纤纤衰衰减减色色散散平平坦坦光光纤纤0.0000.2500.5000.1250.375 衰衰减减( (d dB B/ /k km m) )1300 标标准准光光纤纤色色散散1400色色散散移移位位光光纤纤色色散散 . .) )G.653G.655光纤通

50、信简明教程 原 荣 57由色散移位光纤到非零色散光纤由色散移位光纤到非零色散光纤 色散移位光纤在色散移位光纤在 1.55 m 色散为零，不利于多色散为零，不利于多信道的信道的 WDM 传输，因为当复用的信道数较多传输，因为当复用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种称为的时，信道间距较小，这时就会发生一种称为的非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致信道间发生串扰。信道间发生串扰。 如果光纤线路的色散为零，如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会的干扰就会十分严重；如

51、果有微量色散，十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而干扰反而还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤种新型光纤，即非零色散光纤(NZ-DSF)。光纤通信简明教程 原 荣 58G. 654 衰减最小光纤衰减最小光纤 为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学家们开发了一种应用于家们开发了一种应用于1.55 m 波长的纯石波长的纯石英芯单模光纤。英芯单模光纤。 在在1.55 m波长附近衰减最小，仅为波长附近衰减最小，仅为 0.151 dB/km。 在在 1.3 m波长区域色散为零，但在波长区域色散

52、为零，但在 1.55 m波长区域色散较大，约为波长区域色散较大，约为 1720 ps/(nm km)。 ITU把这种光纤规范为把这种光纤规范为G. 654光纤。光纤。光纤通信简明教程 原 荣 59G. 655非零色散光纤非零色散光纤 非零色散光纤实质上是一种改进的色散非零色散光纤实质上是一种改进的色散移位光纤。移位光纤。 其零色散波长不在其零色散波长不在 1.55 m，而是在，而是在1.525 m 或或 1.585 m处。处。 在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单

53、信系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到道数据速率达到 10 Gb/s，而不需要色散，而不需要色散补偿。补偿。光纤通信简明教程 原 荣 60G. 655 非零色散光纤非零色散光纤 消除了色散效应和四波混频效应；消除了色散效应和四波混频效应； 而标准光纤和色散移位光纤都只能克服而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种；这两种缺陷中的一种； 所以非零色散光纤综合了标准光纤和色所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度级改造，

54、它特别适合于高密度WDM系统系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。纤通信系统的最佳传输介质。光纤通信简明教程 原 荣 61G. 656宽带全波光纤宽带全波光纤 120014001600 衰减 衰减波长波长0.10.20.30.51700150013000.40.6窗口窗口O全波光纤去掉了全波光纤去掉了 的水峰 的水峰SCLUE(dB/km)( nm )1385nm光纤通信简明教程 原 荣 62G. 656宽带全波光纤宽带全波光纤 为了将为了将DWDM系统应用于城域网，仅使用现有的波段还是系统应用于城域网，仅使用现有的波段还是不够的，为此光纤制造商在不够的，为此光纤制造商在1 380 nm 波长附近，把波长附近，把OH离离子浓度降到了子浓度降到了10-8以下，消除了（以下，消除了（1 3601 460）nm 波段的波段的损耗峰，使