第2章-光纤和光缆

1、Optical Fiber Communication technology光纤通信技术光纤通信技术主讲人：主讲人：何兴道：何兴道： X万生鹏：万生鹏： sp_ 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 2.1.1 光纤光纤结构结构 2.1.2 光纤类型光纤类型2.2 光纤传输光纤传输原理原理 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 2.2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论2.3 光缆光缆 2.3.1 光缆基本要求光缆基本要求 2.3.2 光缆结构和类型光缆结构和类型 2.3.3 光缆特性光缆特性2.4 光纤特性测量方法光纤特性测量方法 2.4.1 损耗测量损耗测量 2.4.2 带宽测量带宽

2、测量 2.4.3 色散测量色散测量 2.4.4 截止波长测量截止波长测量第第 2 章章 光纤和光缆光纤和光缆2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构光纤结构 光纤光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝组成的圆柱形细丝。 纤芯纤芯的折射率折射率比包层包层稍高，损耗损耗比包层包层更低，光能量主要在纤芯纤芯内传输。 包层包层为光的传输提供反射面反射面和光隔离光隔离，并起一定的机械机械保护作用。 设纤芯纤芯和包层包层的折射率折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。光纤结构示光纤结构示意图意

3、图纤芯纤芯位于光纤的中心部位。它的主要成分是高纯度的二氧化硅。其纯度要达到99.99999%。光纤材料纯度为何要这么高？主要的原因就是为了降低光的衰减。其余成分为掺入的极少量掺杂剂，如五氧化二磷(P2O5)和二氧化锗(GeO2)。掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯的直径2a一般为5-50m，单模光纤纤芯直径小于10m，多模光纤纤芯直径50/62.5m。包层包层也是含有少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。掺杂剂有氟或硼，这些掺杂剂的作用是降低包层的折射率。对于普通光纤，包层直径2b为125m。 纤芯纤芯包层包层预涂覆预涂覆缓冲层（硅橡胶）缓冲层（硅橡胶）二次涂覆（尼龙）二次涂覆（尼龙）涂敷层：涂敷层：

4、一般为高分子材料，如环氧树脂或硅橡胶 。作用是保护光纤不受水气侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。 分为一次涂敷层（硅橡胶、丙烯酸酯、有机硅）、缓冲层（填充油膏）及二次涂敷层（聚丙烯或尼龙等）。套塑：套塑：一般为尼龙或聚乙稀材料。其作用是保护光纤，增强其机械强度。普通单模光纤 纯硅低损耗光纤纤芯:掺GeO2包层:SiO2纤芯:SiO2包层:掺氟折射率SiO2 为了保持纤芯和包层直接的折射率差，需要降低包层的折射率，这可以通过在包层中掺杂氟等元素来实现。通过纯硅纤芯的技术，石英光纤的衰减可以进一步降低到理论的最低值0.15 dB/km。目前市场上应用的海底光纤大部分都是采用纯硅光纤，以确保跨洋

5、的超长距离传输。 2.1.2 光纤的分类光纤的分类 光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。 实用光纤主要有三种基本类型， 突变型多模光纤突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相对于而言，和的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤多模光纤折射率分布折射率分布n2n1n2n1n2n1nr ( )rrr光纤结构光纤结构输入光脉冲输

6、入光脉冲t光强光强光线在纤芯内的路经光线在纤芯内的路经输出光脉冲输出光脉冲ttt光强光强光强光强光强光强阶阶跃跃多多模模光光纤纤渐渐变变多多模模光光纤纤单单模模光光纤纤(c)(b)(a)2a2am mm=包层包层纤芯纤芯2a2am mm=1002am mm=2a62.58.3D DSMt tD Dt tGID Dt tSI1.00.51.00.51.00.5脉冲展宽脉冲展宽001231231402bm mm=2b1252bm mm=2b2b1252bm mm=nr ( )nr ( )oooooot光强光强t光强光强D DSMt tD Dt tGID Dt tSI为调整工作波长或色散特性，改变折

7、射率分布，可以设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：多模光纤(G.651)普通单模光纤(G.652)色散移位光纤(G.653)非零色散移位光纤（G.655）截止波长位移单模光纤（G.654，在1.55mm衰减最小的光纤） 全波光纤(G.656)。 125mm包层G.654:Si2纤芯Si2纤芯+Ge2G.652:()0.4% (G.654)0.35%(G.652)(a)标准单模光纤(a)标准单模光纤Si2OOOO125mmSi2包层Si2+Ge20.2%0.9%(b)色散位移光纤(b)色散位移光纤O纤芯OO125mm(c)非零色散光纤(c)非零色散光纤3% (0-0.8)%(d)色散补偿光纤

8、(d)色散补偿光纤色色 散散 位位 移移 光光 纤纤 单模光纤的工作波长在单模光纤的工作波长在1.3m时，模场直径约时，模场直径约9m，其传，其传输损耗约输损耗约0.3dBkm。此时，零色散波长恰好在。此时，零色散波长恰好在1.3m处。处。 石英光纤中，从原材料上看石英光纤中，从原材料上看1.55m段的传输损耗最小段的传输损耗最小（约（约0.2dBkm）。由于现在已经实用的掺铒光纤放大器）。由于现在已经实用的掺铒光纤放大器（EDFA）是工作在）是工作在1.55m波段的，如果在此波段也能实现零波段的，如果在此波段也能实现零色散，就更有利于色散，就更有利于1.55m波段的长距离传输。波段的长距离传

9、输。 巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散巧妙地利用光纤材料中的石英材料色散与纤芯结构色散的合成抵消特性，就可使原在的合成抵消特性，就可使原在1.3m段的零色散，移位到段的零色散，移位到1.55m段也构成零色散。因此，被命名为色散位移光纤段也构成零色散。因此，被命名为色散位移光纤（DSF：Dispersion Shifted Fiber）。）。色色 散散 平平 坦坦 光光 纤纤 色散移位光纤（色散移位光纤（DSF）是将单模光纤设计零色散位于）是将单模光纤设计零色散位于1.55m波段的光纤。而色散平坦光纤却是将从波段的光纤。而色散平坦光纤却是将从1.3m到到1.55m的较宽波段的色散

10、，都能作到很低，几乎达到零色散的光纤称的较宽波段的色散，都能作到很低，几乎达到零色散的光纤称作作DFF. 由于由于DFF要作到要作到1.3m1.55m范围的色散都减少。就需范围的色散都减少。就需要对光纤的折射率分布进行复杂的设计。要对光纤的折射率分布进行复杂的设计。 不过这种光纤对于波分复用（不过这种光纤对于波分复用（WDM）的线路却是很适宜）的线路却是很适宜的。由于的。由于DFF光纤的工艺比较复杂，费用较贵。今后随着产量光纤的工艺比较复杂，费用较贵。今后随着产量的增加，价格也会降低。的增加，价格也会降低。色色 散散 补补 偿偿 光光 纤纤 对于采用单模光纤的干线系统，多数是利用对于采用单模光

11、纤的干线系统，多数是利用1.3m波段色波段色散为零的光纤构成的。可是，如果能在散为零的光纤构成的。可是，如果能在1.3m零色散的光纤上零色散的光纤上也能令也能令1.55m波长工作，将是非常有益的。波长工作，将是非常有益的。 在在1.3m零色散的光纤中零色散的光纤中1.55m波段的色散约有波段的色散约有16pskmnm 之多。之多。 如果在此光纤线路中，插入一段与此色散符号相反的光纤，如果在此光纤线路中，插入一段与此色散符号相反的光纤，就可使整个光线路的色散为零。为此目的所用的是光纤则称作就可使整个光线路的色散为零。为此目的所用的是光纤则称作色散补偿光纤（色散补偿光纤（DCF：DisPersio

12、n Compe-nsation Fiber）。）。 DCF与标准的与标准的1.3m零色散光纤相比，纤芯直径更细，而零色散光纤相比，纤芯直径更细，而且折射率差也较大。且折射率差也较大。 DCF也是也是WDM光线路的重要组成部分。光线路的重要组成部分。 图 典型特种单模光纤 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 2a 2an1n2n3(a)(b)(b) 特种单模光纤特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于下图，这些光纤的特征如下。 色散平坦光纤色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF） 色散移位光纤色散移位光纤（Dis

13、persion Shifted Fiber, DSF） 是一种改进的色散移位光纤，它有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。 双折射光纤双折射光纤或偏振保持光纤偏振保持光纤。 主要用途：主要用途： 突变型多模光纤突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤单模光纤用在大容量长距离的系统。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55m色散移位光纤色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。 色散平坦光纤色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。 三角

14、芯光纤三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。 椭圆芯保偏光纤椭圆芯保偏光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 2.2 光纤传输原理分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法： 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径数值孔径 时间延迟时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布空间分布和时间分布时间分布 几何光学法分析问题的两个角度几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤突变型多模光纤 渐变型多模光纤渐变型多模光纤1. 突变型多模光纤突变

15、型多模光纤 数值孔径数值孔径 为简便起见，以突变型多模光纤突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。 设纤芯纤芯和包层包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z轴一致， 如图2.4。 n1n2n0nn12全反射n2损失cAABmaxBc消逝波n1n2nn12受光范围消逝波全反射n2c=max2maxmaxcOBaALl1t12ctcsinsinsinnn 达到90o时，入射光沿交界面向前传播，此时的入射角称为临界角，并由下式给出当入射角超过临界角时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫做全反射(TIR，Total Internal Reflecti

16、on)，这就是光纤波导传输光的原理。 最大的角应该是使 。在纤芯和包层的交界面，根据斯奈尔(Snell)定律得到 cn1n2n0nn12全反射n2损失cAABmaxBc0，w为实数，对应导波，当w20 ，w为虚数，电磁将在包层振荡，导波模式转换为辐射模式，使能量从包层包层辐射出去。因此，w=0(=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态， 这个状态称为模式截止模式截止。此时， ， 称为截止时的归一化频率。由贝塞尔函数可得，当m=0时，有 ,wu2222ccccuwuVccuV wwKw2ln000m当 然时，有 mmwwmwKwwK2!121,101 将上两式代入各类矢量模的色散方程（特征方程

17、），可得到它们的截止特性。 LP01 HE11LP11 HE21 TM01 TE01 LP02 HE12LP12 HE22 TM02 TE02LP03 HE13LP13 HE23 TM03 TE0302.4052.4053.8323.8325.5205.5207.0167.0168.6548.65410.173低阶模式V值范围低阶（低阶（v=0和和v=1）模式和相应的模式和相应的V值范围值范围四个低阶模式的电磁场矢量结构图 HE11HE21TE01TM01电场磁场2.3 光缆光缆光纤的制造：光纤的制造：n光纤的制造要经历光纤的制造要经历原料提纯、光纤预制棒制备、光纤原料提纯、光纤预制棒制备、光

18、纤拉丝拉丝等具体的工艺步骤。等具体的工艺步骤。n制备光纤预制棒两步法工艺：制备光纤预制棒两步法工艺：q第一步采用气相沉积工艺生产光纤预制棒的芯棒；第一步采用气相沉积工艺生产光纤预制棒的芯棒；q第二步是在气相沉积获得的芯棒上施加外包层制成第二步是在气相沉积获得的芯棒上施加外包层制成大光纤预制棒。大光纤预制棒。 42气相沉积技术气相沉积技术气相沉积技术气相沉积技术芯棒芯棒外包层外包层外部化学气相沉积法（外部化学气相沉积法（OVDOVD）轴向气相沉积法（轴向气相沉积法（VADVAD）改进的化学气相沉积法（改进的化学气相沉积法（MCVDMCVD）等离子化学气相沉积法（等离子化学气相沉积法（PCVDPC

19、VD）套管法套管法粉末法粉末法等离子喷涂法等离子喷涂法溶胶凝胶溶胶凝胶MCVDMCVD法。它的特点是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃，法。它的特点是在石英反应管内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统是处在封闭的超提纯状态下，所以用这种方法制得的整个系统是处在封闭的超提纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产高质量的单模和多模光纤。预制棒可以生产高质量的单模和多模光纤。MCVDMCVD法制造光纤预制棒的示意图如下图所示。法制造光纤预制棒的示意图如下图所示。管棒法拉制工艺示意图管棒法拉制工艺示意图 n 光纤成缆的原因光纤成缆的原因1. 1. 增加增加抗冲击、抗弯曲抗冲击、抗弯曲等性能；等性能；

20、2. 2. 根据不同使用情况可以制成根据不同使用情况可以制成不同结构不同结构形式的光缆形式的光缆n 对光缆的基本要求对光缆的基本要求1. 1. 不能因成缆而使光纤的传输特性下降不能因成缆而使光纤的传输特性下降2. 2. 在成缆过程中光纤不能断裂在成缆过程中光纤不能断裂3. 3. 缆径细、重量轻缆径细、重量轻4. 4. 便于施工和维护便于施工和维护光缆的基本结构光缆的基本结构 光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。 缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两 种结构。紧套光纤有二层和三层结构。种结构。

21、紧套光纤有二层和三层结构。 加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般 是金属丝或非金属纤维。是金属丝或非金属纤维。 护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要 是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条 件可由铝带件可由铝带/ /聚乙烯综合纵包带粘界外护层、聚乙烯综合纵包带粘界外护层、 钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。钢带（或钢丝）铠装和聚乙烯护层等组成。光缆的基本结构光缆的基本结构n1.1.按敷设方式分有按敷设方式分有：自承重架空光缆，管道光缆，铠

22、装地：自承重架空光缆，管道光缆，铠装地埋光缆和海底光缆。埋光缆和海底光缆。n2.2.按光缆结构分有按光缆结构分有：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光：束管式光缆，层绞式光缆，紧抱式光缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。缆，带式光缆，非金属光缆和可分支光缆。n3.3.按用途分有按用途分有：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光：长途通讯用光缆、短途室外光缆、混合光缆和建筑物内用光缆。缆和建筑物内用光缆。光缆型号光缆型号 光缆型号由它的光缆型号由它的型式代号型式代号和和规格代号规格代号构成，中间用一短横构成，中间用一短横线分开。线分开。1、光缆型式代号、光缆型式代号 由五个部分组成，如下图所示。由五

23、个部分组成，如下图所示。GYGZL03-12T50/125 ：分类代号及其意义为：分类代号及其意义为（应用环境（应用环境) GY通信用室（野）外光缆；通信用室（野）外光缆； GR通信用软光缆；通信用软光缆； GJ通信用室（局）内光缆；通信用室（局）内光缆； GS通信用设备内光缆；通信用设备内光缆； GH通信用海底光缆；通信用海底光缆； GT通信用特殊光缆。通信用特殊光缆。 ：加强构件代号及其意义为：加强构件代号及其意义为： 无符号无符号金属加强构件；金属加强构件； F非金属加强构件；非金属加强构件； G金属重型加强构件；金属重型加强构件； H非金属重型加强构件。非金属重型加强构件。 ：派生特征

24、代号及其意义为：派生特征代号及其意义为： D光纤带状结构；光纤带状结构； G骨架槽结构；骨架槽结构； B扁平式结构；扁平式结构； Z自承式结构。自承式结构。 T填充式结构。填充式结构。 ： 护层代号及其意义为；（护层使用材料）护层代号及其意义为；（护层使用材料） Y聚乙烯护层；聚乙烯护层； V聚氯乙烯护层；聚氯乙烯护层； U聚氨酯护层；聚氨酯护层； A铝铝-聚乙烯粘结护层；聚乙烯粘结护层； L铝护套；铝护套； G钢护套；钢护套； Q铅护套；铅护套； S钢钢-铝铝-聚乙烯综合护套。聚乙烯综合护套。 ：外护层的代号及其意义为：外护层的代号及其意义为： 外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的

25、代号外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如下。及其意义如下。 代代 号号铠装层（方式）铠装层（方式）代代 号号外护层（材料）外护层（材料）0无无0无无11纤维层纤维层2双钢带双钢带2聚氯乙烯套聚氯乙烯套3细圆钢丝细圆钢丝3聚乙烯套聚乙烯套4粗圆钢丝粗圆钢丝5单钢带皱纹纵包单钢带皱纹纵包2、光缆规格、光缆规格 由五部分七项内容组成，如下图所示。由五部分七项内容组成，如下图所示。光缆的规格组成部分光缆的规格组成部分 ： 光纤数目光纤数目用用1、2、，表示光缆内光纤的实际数目。，表示光缆内光纤的实际数目。 ： 光纤类别的代号及其意义光纤类别的代号及其意义 J二氧化硅系多模渐变型

26、光纤；二氧化硅系多模渐变型光纤； T二氧化硅系多模突变型光纤；二氧化硅系多模突变型光纤； Z二氧化硅系多模准突变型光纤；二氧化硅系多模准突变型光纤； D二氧化硅系单模光纤；二氧化硅系单模光纤； X二氧化硅纤芯塑料包层光纤；二氧化硅纤芯塑料包层光纤； S塑料光纤。塑料光纤。 ： 光纤主要尺寸参数光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数（含小数点数）及以用阿拉伯数（含小数点数）及以m为单位表示多模光纤的芯为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。 ：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由由a、bb及及

27、cc三三组数字代号构成。组数字代号构成。 a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：表示使用波长的代号，其数字代号规定如下： 1波长在波长在0.85m区域；区域； 2波长在波长在1.31m区域；区域； 3波长在波长在1.55m区域。区域。 注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。划开。 bb表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（常数值（dB/km）的个位和十位数字。）的个位和

28、十位数字。 cc表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（宽分类数值（MHzkm）的千位和百位数字。单模光纤无此项。）的千位和百位数字。单模光纤无此项。 ：适用温度代号及其意义。适用温度代号及其意义。 A适用于适用于40+40 B适用于适用于30+50 C适用于适用于20+60 D适用于适用于5+60 光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如下图所示。其符光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如下图所示。其符合有关电缆标准中导电线芯规格构成的规定。合有关电缆标准中导电线芯规格构成的规定。 例如，例如，2 2个线径为个线径为0.5

29、mm0.5mm的铜导线单线可写成的铜导线单线可写成2 21 10.50.5；4 4个线径为个线径为0.9mm0.9mm的铝导线四线组可写成的铝导线四线组可写成4 44 40.9L0.9L；4 4个内导体直个内导体直径为径为2.6mm2.6mm，外径为，外径为9.5mm9.5mm的同轴对，可写成的同轴对，可写成4 42.6/9.52.6/9.5。（3）光缆型号例题）光缆型号例题设有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通设有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括信用室外光缆，包括12根芯径根芯径/包层直径为包层直径为50/125m的二氧化的二氧化硅系列多模突变

30、型光纤和硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测的铜线径为根用于远供及监测的铜线径为0.9mm的四线组，且在的四线组，且在1.31m波长上，光纤的损耗常数不大波长上，光纤的损耗常数不大于于1.0dB/km，模式带宽不小于，模式带宽不小于800MHzkm；光缆的适用温；光缆的适用温度范围为度范围为20+60。 该光缆的型号应表示为：该光缆的型号应表示为： GYGZL03-12T50/125（21008）C+540.9。2.4 光纤传输特性光纤传输特性损耗和色散损耗和色散是光纤最重要的传输特性：是光纤最重要的传输特性： 损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离 色散使色散使信号产生畸变，进而信

31、号产生畸变，进而则限制系统的传输容量则限制系统的传输容量 2.4.1 光纤损耗光纤损耗 损耗损耗的存在的存在 光信号光信号幅度幅度减小减小 限制系统的限制系统的传输距传输距离离 。 在最一般的条件下，在光纤内传输的在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率光功率P随随距离距离z的的变化，可以用下式表示变化，可以用下式表示式中，式中，是损耗系数。是损耗系数。习惯上习惯上的单位用的单位用dB/kmPdzdP )/(0lg10kmdBPlPl0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实 验波 导 缺 陷紫 外 吸 收瑞 利 散 射红 外吸 收波 长 / mm损 耗 /

32、(dBkm 1) 1. 损耗的机理损耗的机理 上图是上图是单模光纤单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与损耗与波长波长的关系，这些机理包括的关系，这些机理包括吸收损耗吸收损耗和和散射损耗散射损耗两部分。两部分。 吸收损耗吸收损耗 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡金属离子和氢氧根离子属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗，前等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。者是由光纤材料本身的特性所决定的，称为本征吸收损耗。 （1）本征吸收损耗在光学波长

33、及其附近有两种基本的吸收方式。）本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸收方式。紫外吸收损耗：紫外吸收损耗：紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子料中的电子从低能级激发到高能级时，光子流中的能量将被电子吸收，从而引起的损耗。吸收，从而引起的损耗。红外吸收损耗：红外吸收损耗：红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相红外吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。起的损耗。 （

34、2）杂质吸收损耗）杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和铜、锰、铬等和OH。OH离子吸收峰在相当长的时间内困离子吸收峰在相当长的时间内困扰着研究人员，这是因为光纤预制棒制作工艺中用氢氧焰加热扰着研究人员，这是因为光纤预制棒制作工艺中用氢氧焰加热必然带进水分。近来采用必然带进水分。近来采用He脱水使吸收峰大大降低，制成了所脱水使吸收峰大大降低，制成了所谓的全波光纤。谓的全波光纤。（3）原子缺陷吸收损耗）原子缺陷吸收损耗 通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某

35、种热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很辐射时将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为峰值吸收波长约为630nm左右。左右。 散射损耗散射损耗 （1 1）线性散射损耗）线性散射损耗 任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、任何光纤波导都不可能是完美无缺的，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤形状和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损

36、耗功率与传播传播模式散射性的损耗，由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。模式的功率成线性关系，所以称为线性散射损耗。 瑞利散射损耗瑞利散射损耗是光纤的是光纤的固有损耗固有损耗，它决定着光纤损耗的最低，它决定着光纤损耗的最低理论极限。理论极限。 （2 2）非线性散射损耗）非线性散射损耗 光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发光纤中存在两种非线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。 辐射损耗辐射损耗 2. 实用光纤的损耗谱实用光纤的损耗谱 根据以上分析和经验，根

37、据以上分析和经验， 光纤总损耗光纤总损耗与与波长波长的关系可以的关系可以表示为表示为= +B+CW()+IR()+UV() 4A式中，式中，A为为， B为为产生的损耗，产生的损耗，CW()、 IR()和和UV()分别为分别为、和和产生的损耗。产生的损耗。 波 长 / mm损耗 /( dBkm 1)0.802468100.61.01.21.4 1.6800损耗 / (dBkm 1)波 长 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600ab cdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.1

38、9nmdB / km(a)(b)1.8 光纤损耗谱光纤损耗谱(a) (a) 三种实用光纤；三种实用光纤； (b) (b) 优质单模光纤优质单模光纤 2.4.2 光纤色散光纤色散 1. 色散、色散、 带宽和脉冲展宽带宽和脉冲展宽 色散色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟时间延迟不同而产生的一种物理效应。 色散的种类：色散的种类： 模式色散、材料色散、波导色散模式色散、材料色散、波导色散 后面两种色散又称为色度色散：指电磁波在介质中传输后面两种色散又称为色度色散：指电磁波在介质中传输时，波长不同的光传输速率不同的现象。时，波长不同的光传输速率不同的现象。

39、模式色散：是指不同模式的光的纵向传输速率不同（横模式色散：是指不同模式的光的纵向传输速率不同（横向传输速率相同）而引起的信号展宽。向传输速率相同）而引起的信号展宽。 色散会导致脉冲展宽，从而引起码间干扰。色散限制系统色散会导致脉冲展宽，从而引起码间干扰。色散限制系统传输容量。传输容量。 输入光脉冲t光强o包层包层纤芯输入光谱光强D12oVg( )1Vg( )2光发射输出光脉冲光强tDt光输出光接收t1.21.31.41.51.6mm()DmDwDmDw+ops/(km nm).-30-20-1001020301.1色散系数材料色散自由空间波长色度色散波导色散4.2mma=01.00.501.0

40、0.5色散引起单模光纤输出脉冲展宽色散引起单模光纤输出脉冲展宽D Dt t 典型单模光纤的色散系数典型单模光纤的色散系数 材料色散：材料色散：波导色散：波导色散： 模式色散：模式色散：偏振模色散：由于光纤双折射使偏振模色散：由于光纤双折射使LP01模的两个正交偏振模传输模的两个正交偏振模传输速率不一样引起的信号分散。速率不一样引起的信号分散。 LDmmtDD LDWWtDD LDMMtDD光纤中的总色散：光纤中的总色散： 多模光纤：多模光纤：单模光纤：单模光纤： )(22wmMttttDDDD wm2. 光纤色散的定量描述光纤色散的定量描述-时延差时延差 光纤的色散引起光脉冲的展宽。光纤的色散

41、引起光脉冲的展宽。一个波长为一个波长为的光信号传输单位长度后引起的时延为：的光信号传输单位长度后引起的时延为：设信号带宽为设信号带宽为，则由于光纤的色度色散引起的时延差为：，则由于光纤的色度色散引起的时延差为： tddcddvg212DD22222tddddc3.光纤的色散和带宽对通信容量的影响光纤的色散和带宽对通信容量的影响 光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其中色散特性是光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频

42、标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减，如下图调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减，如下图所示。所示。 将归一化频率响应将归一化频率响应|H(f) / H(0)|下降一半或减小下降一半或减小3dB的频率定义为的频率定义为光纤光纤3dB光带宽光带宽f3dB，由此得到，由此得到 |H(f3dB)/H(0)|= 1/2 光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设 一般，一般

43、， 光纤不能按线性系统处理，光纤不能按线性系统处理， 但如果系统但如果系统光源的频谱宽度光源的频谱宽度比信号的频谱宽度比信号的频谱宽度s大得多大得多，光纤就可以近似为线性系统。，光纤就可以近似为线性系统。光纤传输系统通常满足这个条件。光纤传输系统通常满足这个条件。 所以，可以对上式进行傅里叶变换求频率响应。所以，可以对上式进行傅里叶变换求频率响应。)2exp()()(220tthtP2/12exp2322dBf1/21/ e输入脉冲光 纤1tPi(t)(t)H1(f)1ff3dB0310lgH( f )/dBPo(t) h(t)H2( f ) H( f )t2Dt输出脉冲)(187122ln2

44、3MHZfdB可得到可得到3dB带宽为：带宽为：其中，其中，的单位是的单位是ns。 高斯脉冲半极大全宽度高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)：代入上式可得代入上式可得和经验公式基本一致。和经验公式基本一致。 或或 t355. 22ln2D)(4403MHzfdBtDbT41DttD41bR4. 单模光纤的色散单模光纤的色散 引入色散系数（也即是引入色散系数（也即是GVDGVD系数）系数）D D。D D定义为：定义为： tLD1ttLLD1122ct LLLg22 22 cD正常色散：正常色散： 反常色散：反常色散：脉冲展宽与脉冲展宽与D的关系为：的关系为： 0, 0, 0Dddg 0, 0, 0D

45、ddg LDDDt1300 标准光纤色散0.0000.2500.5000.1250.3751400150016001700波长 衰减色散移位光纤色散 非零色散移位光纤色散色散0102030103.5ps/(nm km标准光纤衰减90色散补偿光纤色散 色散平坦光纤.)(dB/km)(nm)标准光纤标准光纤（G.652）色散移位光纤（色散移位光纤（DSF）（G.653）非零色散移位光纤非零色散移位光纤（NZ-DSF）（G.655）色散补偿光纤色散补偿光纤零色散波长零色散波长1.3m mm附近附近1.55 m mm附近附近在在1.525 m mm或或1.585 m mm附近附近在在1.7 m mm以

46、上以上1.55 m mm色散值色散值D色散值较大色散值较大（1720） ps/（nm km）色散值很小色散值很小 3.5 ps/（nm km）色散值小色散值小 （23） ps/（nm km）负色散值大负色散值大-（70200） ps/（nm km）色散斜率色散斜率S0.09 ps/（nm2 km）0.075 ps/（nm2 km）0.1 ps/（nm2 km） 0.15 ps/（nm2 km）模场直径（模场直径（m mm）91078.38.4 0.65衰减衰减衰减大衰减大0.35 dB/km衰减较大衰减较大0.215 dB/km（敷设后）敷设后）衰减中等衰减中等0.21 dB/km衰减大衰减大

47、0.30.5 dB/km2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法 光纤的特性参数很多，基本上可分为光纤的特性参数很多，基本上可分为、和和三类。三类。 包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度； 主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；止波长； 主要有损耗、带宽和色散。主要有损耗、带宽和色散。 光纤损耗测量光纤损耗测量衰减是光纤传输特性的重要参量，它的测量是光纤传输特性测衰减是光纤传输特性的重要参量，它的测量是光纤传输特性测量的重要内容之一，衰减直接影响光纤的传输效率。量的重要内容之一，衰减直接影响光纤的传输效率。

48、波长为波长为的光沿光纤传输一定距离的衰减的光沿光纤传输一定距离的衰减 为为对于均匀的光纤，单位长度的衰减可以定义对于均匀的光纤，单位长度的衰减可以定义 为衰减系数为衰减系数大多数传输线的光功率与其传输距离大多数传输线的光功率与其传输距离z之间的关系是之间的关系是 ( )A( )( )10lg()( )inoutPAP( ) ( )10lg()( )( )( )inoutPPALL ( )( )(0)zP zPe 进行衰减测量，要获得精确、可重复的测量结果，进行衰减测量，要获得精确、可重复的测量结果，测量时测量时要保证光纤中功率分布是稳定的，既满足稳态功率分布的条件。要保证光纤中功率分布是稳定的

49、，既满足稳态功率分布的条件。但实际的光纤由于各种不均匀性等原因，引起模耦合，而不同但实际的光纤由于各种不均匀性等原因，引起模耦合，而不同的模的衰减和群速度都不同。因此在多模传输的情况下，精确的模的衰减和群速度都不同。因此在多模传输的情况下，精确测量的主要问题是测量结果与注入条件、环境条件（应力、弯测量的主要问题是测量结果与注入条件、环境条件（应力、弯曲、微弯）有关。实验表明：主要让光通过光纤一定长度（耦曲、微弯）有关。实验表明：主要让光通过光纤一定长度（耦合长度）后，可以达到合长度）后，可以达到“稳态稳态”或者或者“稳态模功率分布稳态模功率分布”，这，这时模式功率分布就再不随注入条件和光纤长度

50、而变化了。但是时模式功率分布就再不随注入条件和光纤长度而变化了。但是在一般情况下对于质量较好且处于平直状态的光纤，起耦合长在一般情况下对于质量较好且处于平直状态的光纤，起耦合长度也需要几公里。所以在实际测量中，对于短光纤一般用稳态度也需要几公里。所以在实际测量中，对于短光纤一般用稳态模功率分布装置，或适当的光学系统，或有足够长的注入光纤，模功率分布装置，或适当的光学系统，或有足够长的注入光纤，以获得稳态功率分布条件。以获得稳态功率分布条件。 ITU-T G.650和和ITU-T G.651都规定都规定截断法截断法为基准测量方法，为基准测量方法，插入法插入法和和背向散射法（背向散射法（OTDR法

51、）法）为替代测量方法。为替代测量方法。切断法：切断法： 直接严格按照定义建立起来的测试方法，要求满足稳态注直接严格按照定义建立起来的测试方法，要求满足稳态注入条件。首先测量整条光纤的输出光功率入条件。首先测量整条光纤的输出光功率 ；然后保持注；然后保持注入条件不变，在离注入处约入条件不变，在离注入处约2 2米（或小于米（或小于2m2m）处切断光纤，测）处切断光纤，测量出此时的光纤输出功率量出此时的光纤输出功率 。由于测量是在稳态条件下进行。由于测量是在稳态条件下进行的，约的，约2 2米长的光纤损耗可以忽略，故米长的光纤损耗可以忽略，故 可以看成是被测光可以看成是被测光纤的始端输入功率。纤的始端

52、输入功率。 2( )P1( )P12( )( )10lg()( )PAP1( )P12( )10lg()( )( )( )PPALL 带宽测量带宽测量 光纤的带宽特性是系统设计的重要依据，是衡量光纤质光纤的带宽特性是系统设计的重要依据，是衡量光纤质量的一个重要的参数。量的一个重要的参数。 光纤带宽特性的测量有时域法和频域法两种。光纤带宽特性的测量有时域法和频域法两种。时域法（脉冲法）时域法（脉冲法）：测量光纤的光脉冲的响应：测量光纤的光脉冲的响应频域法（扫频法）：频域法（扫频法）：测量光纤的频率响应测量光纤的频率响应扫频法：扫频法： 以连续可调的正弦波调制光源，采用满注入方式激励光以连续可调的

53、正弦波调制光源，采用满注入方式激励光纤，在待测光纤输出端测得输出光频函数纤，在待测光纤输出端测得输出光频函数P2(w），然后在），然后在距注入端约距注入端约2m处剪断光纤，测得输入光频函数处剪断光纤，测得输入光频函数P1（w），），于是求得基带频响为：于是求得基带频响为： H（w）P2（w）/P1（w） 根据根据H（w）函数曲线可以确定）函数曲线可以确定BT3dB的值的值带宽测量：扫频法带宽测量：扫频法驱动器驱动器光探测器光探测器光衰减器光衰减器激励器激励器光源光源扫频仪扫频仪选频表选频表数据处理数据处理X-YX-Y记录仪记录仪待测光纤待测光纤测量步骤分两步：测量步骤分两步：1 1、测出被测长

54、光纤的输出特性；、测出被测长光纤的输出特性；2 2、测光纤的输入特性、测光纤的输入特性除去光纤损耗外，随着调制频率的提高，光纤输出信号降低，除去光纤损耗外，随着调制频率的提高，光纤输出信号降低，长光纤与短光纤相比幅度下降长光纤与短光纤相比幅度下降6dB6dB所对应的频率就是被测光所对应的频率就是被测光纤的纤的6dB6dB电带宽。电带宽。 时域法时域法 以窄脉冲调制光源，采用满注入方式激励待测光纤，以窄脉冲调制光源，采用满注入方式激励待测光纤，在待测光纤输出端测得输出脉冲在待测光纤输出端测得输出脉冲P2（t），），然后在输入然后在输入端端2m处剪断光纤测得输入脉冲处剪断光纤测得输入脉冲P1（t）

55、, 则则 即输出脉冲应等于输入脉冲与脉冲响应即输出脉冲应等于输入脉冲与脉冲响应h（t）的卷）的卷积，响应的傅氏变换关系式为积，响应的傅氏变换关系式为 P2（w）H（w）P1（w） 测得测得和和的的-3dB脉宽（半高全宽度脉脉宽（半高全宽度脉宽）宽）211( )( )* ( )() ( )P tP th tP th t dtt脉冲发生器脉冲发生器激光器激光器注入系统注入系统光探测器光探测器取样示波器取样示波器计算机计算机被测光纤被测光纤时域法基带展宽测量系统时域法基带展宽测量系统l色散测量色散测量光纤色散使传播的光脉冲随传输距离的增加而展宽。脉冲展宽光纤色散使传播的光脉冲随传输距离的增加而展宽。

56、脉冲展宽将限制传输容量或最大中继距离。因此，光纤色散是表征光纤将限制传输容量或最大中继距离。因此，光纤色散是表征光纤传输特性的又一重要参数，色散测量是光纤传输特性测量的又传输特性的又一重要参数，色散测量是光纤传输特性测量的又一重要内容。一重要内容。色散的测量方法可分为两类：色散的测量方法可分为两类：1 1时域法时域法。这种方法是以确定沿光纤长度方向传输的。这种方法是以确定沿光纤长度方向传输的光脉冲光脉冲展宽量展宽量为基础的。通常用窄脉冲调制光源做为光纤的测试信号为基础的。通常用窄脉冲调制光源做为光纤的测试信号源，故又称为源，故又称为脉冲法脉冲法。2 2频域法频域法。这种方法是根据被测光纤基带频

57、响的。这种方法是根据被测光纤基带频响的幅频特性幅频特性确确定其带宽，然后确定色散系数。此方法采用频率连续可调的正定其带宽，然后确定色散系数。此方法采用频率连续可调的正弦被调制光源做为测试信号源，故也称为弦被调制光源做为测试信号源，故也称为正弦波法或相移法正弦波法或相移法l频域法频域法n频域法是用正弦波调制光波来测量光纤色散的方法。频域法是用正弦波调制光波来测量光纤色散的方法。3.1 3.1 模内色散测量模内色散测量 模内色散测量常采用相移法。相移法是通过测量不同波模内色散测量常采用相移法。相移法是通过测量不同波长下同一正弦调制信号的相移得出群延时与波长的关长下同一正弦调制信号的相移得出群延时与

58、波长的关系，进而算出色散系数的一种方法。系，进而算出色散系数的一种方法。由于它要求的测试设备较简单，且正弦信号可采用窄带由于它要求的测试设备较简单，且正弦信号可采用窄带滤波放大有利于提高信嗓比，测量准确度高，因此滤波放大有利于提高信嗓比，测量准确度高，因此已被广泛应用。已被广泛应用。光源光源波长波长选择器选择器光光检测器检测器鉴鉴相相器器信号信号发生器发生器计算机信号处理计算机信号处理信号通道信号通道时延时延发生器发生器待测光纤待测光纤包层模包层模滤出器滤出器 系统由光源、波长选择器、信号发生器、包层模滤出器、系统由光源、波长选择器、信号发生器、包层模滤出器、光探测器、时延发生器、鉴相器以及计

59、算机处理部分等组成，光探测器、时延发生器、鉴相器以及计算机处理部分等组成，测量时波长选择器选择波长测量时波长选择器选择波长1，2N，并且选择信号发生，并且选择信号发生器调制合适的调制频率，使得所有波长的相位延时器调制合适的调制频率，使得所有波长的相位延时i满足满足2Ni(2N+2)。根据测得的数据，可以得到群时延随波长。根据测得的数据，可以得到群时延随波长变化的曲线图经线性拟合可变化的曲线图经线性拟合可得到得到与与的函数关系，的函数关系，mf 222)(2/12/12/12/1iiiiiDdd2.6.1 2.6.1 概述概述 在高强电磁场中任何介质对光的效应都会变成非线性，光在高强电磁场中任何

60、介质对光的效应都会变成非线性，光纤也不例外。纤也不例外。 尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于尽管用于光纤的玻璃材料的非线性很弱，但由于纤芯小，纤芯小，纤芯内场强非常高纤芯内场强非常高，且作用距离长，使得光纤中的非线性，且作用距离长，使得光纤中的非线性效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系效应会积累到足够的强度，导致对信号的严重干扰和对系统传输性能的限制。统传输性能的限制。 反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。比如开发放反之，可以利用非线性现象产生有用的效应。比如开发放大器、调制器等新型器件。大器、调制器等新型器件。 导致新的学科分支导致新的学科分支非线性光纤光学。非线性