光纤通信光纤

第2章光纤及其特性1光纤、光缆的结构和分类光纤的导光原理光纤的模式理论光纤的损耗光纤的色散光纤的色散对光脉冲传输的影响非线性效应常用光纤2023/2/122.1光纤、光缆的结构及分类1、光纤的结构典型结构是多层同轴圆柱体自内向外为纤芯、包层和涂覆层纤芯、包层----裸光纤纤芯、包层+涂覆层----芯线纤芯、包层----光学区涂覆层----保护区材料：SiO2纤芯n1

>包层n2纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)

包层:SiO2+B2O5(F)涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。2023/2/132、光纤的分类1）按制造光纤所使用的材料分：石英光纤、全塑光纤、液芯光纤2）按工作波长分:

短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤3）根据光纤中传输模式分：单模光纤、多模光纤4）根据折射率在横截面上的分布形状划分阶跃型光纤StepIndexSI

渐变型(梯度型)光纤GragedIndexGI2023/2/142023/2/15实用光纤主要有三种基本类型：单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）阶跃型折射率多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）

渐变型折射率多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）

相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。2023/2/16光纤类型SM

Single-ModeMM-SIMulti-ModeStepIndexMM-GIMulti-ModeGradedIndex2023/2/17

典型特种单模光纤

(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯

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：

双包层光纤

色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）

色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）零色散点移到1550nm处

三角芯光纤

改进型的色散移位光纤

椭圆芯光纤

双折射光纤或偏振保持光纤。2023/2/182023/2/19各类型光纤的主要用途：

突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。

渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。

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：

1.55mm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。

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。

偏振保持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。2023/2/1103、光缆提纯去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。工艺流程：光纤的制造工艺制棒将提纯后的材料合成一定折射率分布的预制棒。（制棒）拉丝将预制棒拉制成原折射率分布的光纤。套塑为保证光纤的机械性能将光纤涂覆层外加一层热塑材料。成缆2023/2/111目的：去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。方法：精馏——吸附——精馏精馏塔活性吸附物质二级精馏活性吸附物质精料槽

SiCl4HO-Cu2+_氧化铝或活性硅胶SiCl4材料提纯2023/2/112熔炼方法：MCVD法（改进的化学汽相沉积法）BELLPCVD法（等离子激活化学汽相沉积法）PHILIPSVAD法（汽相轴向沉积法）NTTOVD法（管外汽相沉积法）CORNINGAPVD法（等离子化学汽相沉积法）ALCATEL目的：将提纯后的材料通过物理与化学的方法合成一定折射率分布光纤预制棒。折射率分布通过控制掺杂浓度实现。2023/2/113MCVD法（改进的化学汽相沉积法）

制作的单模光纤，损耗可达0.2~0.3dB/km。且属于内沉积工艺，可精确的控制径向折射率的分布。化学反应方程2023/2/114外部汽相沉积法（OVD）

基棒由石墨石英或氧化铅做成，从喷管出来的SiO2粉尘在旋转并移动的基棒上形成一层沉积层，沉积层较为松散，沉积过程完成后抽走基棒，并置于固化炉，高温脱水固化，制成洁净的玻璃基棒。要求环境清洁，严格脱水，可以制作损耗为0.16dB/km的单模光纤，几乎接近石英光纤在1.55mm窗口的理论损耗0.15dB/km。O2+SiCl4SiO2粉尘沉积层基棒2023/2/115拉丝目的：将具有一定的折射率分布的预制棒拉制成折射率分布不变的光纤。123467891---光纤预制棒2---高温炉3---测温仪4---炉温控制5---激光测径仪6---调速系统7---涂覆器8---固化炉9---收丝轮52023/2/116套塑目的：增强光纤的机械性能。光纤一次涂覆二次涂覆层缓冲层松套管油膏2023/2/117光纤通信用的光纤都经过了一次涂覆和二次涂覆的处理，经过涂覆后的光纤虽然已具有了一定的抗张强度，但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用，为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。成缆对光缆的要求1、机械性能好：保证光纤经得起拉伸、冲击、弯曲等影响。2、防护性能好：使光纤防水，防潮，防鼠，防雷，防腐。3、传输性能好：避免工程中带来的附加损耗或色散。2023/2/1182、光缆护套一般由塑料材料制造，保护缆芯不受机械外力和环境的影响。PVC（聚氯乙烯）3、防潮层光纤非常怕水，一般用密封铝制金属或阻水纱防潮。4、填料防止水气进入。要求：抗水性好，温度性能好，无毒，不易燃。5、铠装增加机械强度，防鼠，防虫，防人为损伤。1、加强件加强件一般由钢丝或增强塑料嵌在光纤中，用以承受拉伸负荷。（集中式加强件，分散式加强件）光缆的基本结构2023/2/119光缆的分类1.按成缆光纤的类型：多模和单模光纤光缆2.按缆芯结构：层绞式、骨架式、中心束管式和带状式3.按加强件和护层结构：金属、非金属、铠装和全介质4.按使用场合：长途/室外、室内、海底/水下5.按铺设方法：架空、管道、直埋和水下光缆2023/2/120光纤的典型结构光纤油膏加强件护套松套管中心管式光缆----套管式光缆是将数根一次涂覆的光纤放入同一根塑料管中，管中填充油膏，光纤浮在油膏中。套管式光缆的结构合理、重量轻、体积小、价格便宜。2023/2/121层绞式结构光缆加强芯纤芯套塑填充料防潮层内护套铠装外护套----层绞式光缆是将若干根光纤芯线以加强元件为中心绞合在一起的一种结构，制作简单，工艺成熟。2023/2/122光缆的典型结构示意图2023/2/1232023/2/1242.2光纤导光原理光纤导光原理的分析方法：射线理论，几何光学法波动理论、模式理论1、Snell定律折射定律一、SI光纤射线分析反射定律2023/2/125nnBn1c22n1>n2

基于光在纤芯-包层界面处的全反射以之字形式沿光纤轴向传播

入射角θ

<临界角

c:

入射角θ>临界角

c:

光将很快从光纤中折射泄漏出去，无法长距离传输.光可由于全反射而被限制在光纤纤芯中，以之字方式沿光纤传输2023/2/126非子午面光线2023/2/127子午射线斜射线光线沿光纤轴向传播路径光线传播路径在垂直于光纤轴的平面上的投影2023/2/128Snell定律临界角临界角对应的入纤角amax，即捕光角2、捕光角和数值孔径2023/2/129捕光角amax2023/2/1302023/2/131相对折射率差2023/2/132数值孔径NumericalApertureNANA表示光纤接收和传输光的能力。NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，限制了信息传输容量。

2023/2/1333、模式和时延差传导模辐射模2023/2/134模式光程时延2023/2/135最大时延差两条路径L和L数值孔径2023/2/136脉冲展宽：不引起码间干扰的脉冲间隔：码元速率（带宽）：TTTT2023/2/137提高带宽的方法：例：有一个SI多模光纤，求光脉冲传1公里的脉冲扩展和最大比特率。解：1）减少模式的最大时延差－－采用GI光纤2）只允许一个模式传输－－单模光纤2023/2/138n3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a二、GI光纤射线分析g=2

抛物线型2023/2/1392023/2/140光线在介质中的传输轨迹用射线方程表示式中：是轨迹上某一点的位置矢量；s为射线的传输轨迹；ds是沿轨迹的距离单元，▽n表示折射率的梯度。

将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中，讨论近轴子午光线，即和光纤轴线夹角很小，可近似认为平行于光纤轴线(z轴)的子午光线。式中r是射线离开轴线的径向距离。由于光纤中的折射率仅以径向变化，沿圆周方向和z轴方向是不变的。因此，对于近轴子午光线，射线方程可简化为：2023/2/141对折射率为平方律（g=2）分布的光纤对近轴光线，2023/2/1422023/2/143渐变型光纤中光线的传播2023/2/144更严格的分析发现，模间色散，即最大时延差Dt是随g变化的。最小色散发生在此时渐变光纤模间色散和BL积随g的变化利用BDT<1,则BL<8c/(n1D2)。优化设计的渐变光纤，数据以100Mb/s的数率传输100km，其BL积达约10(Gb/s)·km，比阶跃光纤提高了3个数量级。2023/2/145几何光学波动理论使用条件l

<<dl~d适用光纤多模光纤单模等各种光纤基本方程射线方程波动方程研究内容光线轨迹模式分布2.3光纤的模式理论2023/2/146光是电磁波，用波动理论来分析电磁场的分布，为了获得更准确的光纤的传输特性，必须从麦克斯韦方程组出发：光纤不是电的导体，不存在电流，电流密度J=0。光纤中不存在自由电荷，所以电荷体密度

r=0。E：电场强度；H：磁场强度；D：电通量密度；B：磁通量密度。对于无源的、各向同性的介质，有：2023/2/147由方程组可以得到确定电磁场波动关系特性的关系式，即矢量亥姆霍兹方程2023/2/1482023/2/1492023/2/150

利用光纤的圆柱对称性，可将波动方程写成圆柱坐标的形式，电场的z

分量Ez的波动方程为：用分离变量法求解：2023/2/1512023/2/152谐方程Bessel方程场沿圆周角方向的分布情况，因为场随j必须以2p为周期变化，所以m为整数。对于bessel方程，需要根据bessel函数解的特性以及光波在光纤中的物理性质来选择纤芯和包层中的解。2023/2/1531.当令2.当令2023/2/154在纤芯中要求具有振荡特性。在包层中要求具有衰减特性。对于突变型光纤：0≤r≤ar>a2023/2/155B=02023/2/156D=02023/2/157在纤芯中（0≤r≤a）在包层中（r>a）所以传播常数必须满足的条件是2023/2/1582023/2/159在纤芯中在包层中2023/2/1602023/2/1612023/2/1622023/2/1632023/2/164A和B为待定常数，由激励条件确定。u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为横向传输常数；b决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，称为纵向传输常数。光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数u、w和β的值。为了确定光纤传输模式的电磁场分布和传输性质，必须求得u,w和β的值。2023/2/165先推导u、w、b满足的方程归一化频率对于确定的光源和光纤，l，a，n1和n2是已知的。2023/2/166下面由边界条件得到u和w的另一关系弱导近似2023/2/167给定V值，代入求u、w——传播常数b

的特征方程。分3种情况求解联立的超越方程：1）2）3）光纤中的模式：混合模2023/2/168m是确定bessel函数的参变量，m取不同的值，代表了不同的模式，所以只有b

一个未知数，它是表征光波传播特性的重要参数。

因无法导出b

的解析表达式，所以只能数值求解。

特征方程的解的一个重要结论：电磁场不是以连续的、而是以离散的模式在光纤中传播。对每一个m值，存在多个解，记为bmn，每一个bmn对应由前面公式确定的、能在光纤中传播的光场的一个空间分布。2023/2/169模式：bmn所对应的这种空间分布，在传播过程中只有相位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，这种空间分布称为模式。进入光纤的光分解成称为“模式”的离散光束，模式是在光纤内部存在的、稳定的电磁场模型。每个模式可认为是以特定传播角传播的一个独立光束。以不同角度入射到光纤的射线将形成光纤中不同的模式。一个模式由bmn

唯一确定。2023/2/170MM-SIMulti-ModeStepIndex完全沿着光纤中心轴线传播的模式称为“基模”。模式的传播角度越大，它的级就越高。最高级的模式就是以临界角传播的模式。只支持一个模式（基模）的光纤被称作单模光纤。可支持多个模式的光纤为多模光纤。光纤中的电磁场模式不同于平面波导，一般Ez、Hz都不为零。2023/2/171光纤中的电磁场模式不同于平面波导，一般Ez、Hz都不为零。当方位角模数m=0时：在传输方向无磁场的模式称为横磁模TM0n。（Hz=0，Ez≠0）在传输方向无电场的模式称为横电模TE0n。（Ez=0，Hz≠0)当方位角模数m≠0时，电磁场六个分量都存在，E和H都拥有纵向（即沿着传播方向z）分量，这些模式称为混合模。磁场贡献为主（Hz>Ez）——HEmn电场贡献为主（Ez

>Hz）——EHmn2023/2/1722023/2/173传导模辐射模归一化截止频率2023/2/174求模式截止对应的归一化频率－－归一化截止频率Vc求Vc=uc2023/2/175（1）TE0n模和TM0n模令m=0,可得到TE0n模和TM0n模有相同特征方程当模式截止时，w→0，u→uc所以截止状态下的特征方程为J0(uc)=0的根有2.4048,5.5201,8.6537,…

,分别对应TE01(TM01)，TE02(TM02)

，TE03(TM03)，…截止频率。若归一化频率V>2.4048,TE01(TM01)模就能在光纤中存在；若归一化频率V<2.4048，TE01(TM01)

模就不是传导模。对其他模式可以次类推。2023/2/176（2）

EHmn模（3）

HEmn模如：当m=1时，EH1n模的截止频率，

Vc=uc

=u1n=3.8317,7.0156,10.1745,….

如：当m=1时，HE1n模的截止频率，

Vc=uc

=u1n=0,3.8317,7.0156,10.1745,….

在所有的导模中，HE11模截止频率为零，截止波长无穷大。HE11模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为主模或基模，是单模光纤的工作模式。2023/2/177（2）

EHmn模令m≠0，可得到EHmn模特征方程,为由贝塞尔函数的递推公式当模式截止时，w→0，可得到所以截止状态下EHmn的特征方程为当m=1时，得到一族EH1n模，其uc=u1n=3.8317,7.0156,10.1745,….

2023/2/178（3）

HEmn模令m≠0，可得到HEmn模特征方程,为

由贝塞尔函数的递推公式当m=1时，截止状态下HEmn的特征方程为所以

J1(uc)=0的根有0,3.8317,7.0160,10.1735,…,它们分别对应着HE11,HE12,HE13,HE14,…模式的截止频率。在所有的导模中，只有HE11模式截止频率为零，亦即截止波长为无穷大。HE11模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，成为主模或基模，是单模光纤的工作模。2023/2/179当m>1时，截止状态下HEmn的特征方程整理后为当m=2时，Jm-2(uc)=0的根有2.4048,5.5201,8.6537,…,它们分别对应着HE21,HE22,HE23,…模，HE2n模在截止时与TE0n、TM0n简并。2023/2/180TE01(TM01)模的截止频率2.4048

HE11模式截止频率为零2023/2/181最低阶模式的传播常数作为V的函数的曲线HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456归一化频率V2023/2/182几个模式的场图2023/2/183线偏振模LPmn是在弱导近似下得到的标量模。电磁场几乎是横向场。电磁场基本上是一个线性极化波。线偏振模LPmn"LinearlyPolarized(LP)modes"

通过变换得到直角坐标系中的横向场分量为2023/2/184LPmn是由矢量叠加而成的线偏振模，是矢量模的简并模式。LPmn是HEm+1,n和EHm-1,n模叠加。矢量模包括横电模TE0n

，横磁模TM0n，及混合模EHmn和HEmn四套模式。V模式简并模式0~2.4048HE11LP012.4048~3.8327TE01,TM01,HE21LP113.8327~5.1356EH11,HE31,HE12LP21,LP025.1356~5.5201EH21,HE41LP315.5201~6.3802TE02,TM02,HE22LP126.3802~7.0156EH31,HE51LP412023/2/185HE21TE01HE21TM01LP11LP11由严格的模式构成的两个LP11

以及它们的横向电场和电场分布2023/2/186LP01LP11LP62模LP01模基模LP11模LP21模几个低阶模的强度分布m？n？m表示沿圆周，也就是j方向出现最大值的对数的次数。n表示沿半径方向，也就是r方向出现最大值的次数。2023/2/187在多模阶跃光纤中，同时传输导模数M可按下式计算在多模渐变光纤中,导模总数为例：已知SI，n1=1.5，D=0.01，l=1mm，2a=60mm，求导模数解：归一化频率V越大，能够传播的模式数就越多。2023/2/188模功率分布

导模在光纤中传输时，功率集中在纤芯和包层中。对于不同模式，光功率在纤芯和包层的分配比例不同，包层中的光功率易受各种因素的影响而失掉。在弱导近似下，LP模的横向场只有Ey和Hx分量，所以导模携带的光功率在纤芯和包层中分别为将LPmn模的场分布代入，可得2023/2/1892023/2/190单模光纤

单模光纤应满足单模条件截止波长单模光纤应满足单模条件工程上，截止波长由测量得到，跟长度有关。为什么跟长度有关？光纤只能传播基模HE11模。一根光纤是否单模光纤，跟入射波长有关。n1b/k0n2HE11TE01HE21TM01HE31HE12EH21HE41TE02TM02123456归一化频率VHE112023/2/191例：利用单模条件估算光波系统中单模光纤的纤芯半径。其中，取λ=1.2μm，n1=1.45,Δ=5×10-3。解：由阶跃折射率光纤的单模条件：V＜2.4052023/2/192a.

l=1.55mm,V=2.15<2.405,

只能传输LP01模或HE11模。b.

l=1.31mm,V=2.54,2.405<V<3.83

能传输LP01模和LP11模。c.

l=0.85mm,V=3.92,3.83<V<5.1356

能传输LP01模、LP11模、LP02模和LP21模。例：已知一SI，n1=1.487,D=0.37%,2a=8.3mm,在工作波长l=1.55mm、1.31mm和0.85mm时，考察光纤中都能传输那些模式。LP21LP02LP11LP012023/2/193主模LP01(HE11)的模场分布2W0

（Mode-fielddiameterMFD）单模光纤的模场直径(MFD)定义为电场下降为中心轴线场量的1/e时的半径的2倍。实际问题中，模场分布近似为高斯分布模场直径单模光纤工作模式HE11的电场分布为零阶Bessel函数2023/2/194多模光纤的模场直径与纤芯几乎相等，单模光纤的模场直径一般不等于纤芯直径。2023/2/195误差小于1%2023/2/196一般取2023/2/1972.4光纤的损耗特性引起光的衰减的机理是光纤对光的损耗吸收损耗1.本征吸收2.杂质吸收3.原子缺陷吸收散射损耗1、线性散射－－－瑞利散射2、非线性散射

受激喇曼散射受激布里渊散射弯曲损耗1.光纤弯曲2.光纤微弯2023/2/198损耗的单位

当光信号在光纤中传播时，其功率随着距离的增加以指数形式衰减。如果在起始处（z＝0）的信号功率为Pin，则在光纤中经过距离z

的传播后，其功率值为：

其中，a为损耗系数，单位一般使用dB/km，其关系式为：2023/2/199一、吸收损耗吸收损耗是由于光纤本身和光纤中的杂质对光能的吸收而引起的损耗。物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因：一、本征吸收；二、杂质吸收；三、原子缺陷吸收。1、本征吸收：光纤材料的固有吸收，它与电子及分子的谐振有关。（1）红外吸收带（2）紫外吸收带2023/2/1100（1）红外吸收机理：由于材料本身的原子之间的化学键形成晶格，当光纤中的光的波长与晶格键长相当时，光的能量向晶格传递，引起损耗。红外区中心波长在8μm～12μm

范围内，尾部拖到1.5μm～l.7μm左右。1.5μm时损耗小于0.01dB/km。波长

um

损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8影响：对光通信影响非常小以dB为单位，GeO2-SiO2玻璃红外吸引区经验公式2023/2/1101（2）紫外吸收机理：光纤中的光子流将光纤材料中的电子激发到高能级，从而使得光子的能量发生转移。紫外区中心波长在0.16μm附近，尾部延伸到光纤通信波段（0.7um～1.6um）。1.3um～1.55um处损耗为0.05dB/km。波长

um

损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8影响：对短波长通信影响较大光纤紫外吸收损耗随波长的变化2023/2/1102铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属和水的氢氧根离子造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度。为了使由这些杂质引起的损耗小于1dB/km，必须将金属的含量减小到10-8以下。这样高纯度石英材料的生成技术已经实现。光纤中杂质吸收主要由于水的氢氧根离子的振动，基波振动在2.73μm波长，二次谐波振动在1.39μm，三次谐波振动在0.95μm，它们的各次振动谐波和它们的组合波，将在0.6μm～2.73μm的范围内，产生若干个吸收峰。折射率差掺杂带来的附加损耗GeO2，P2O5，B2O5。2、杂质吸收机理：主要由于光纤材料的不纯净引起的。2023/2/1103CuAlFeGeNi(可以消除)OH–波长

um

损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8（影响较大）0.9~1.01.2~1.31.33~1.52023/2/11043、原子缺陷吸收机理：光纤制造过程中受到热激励或辐射使得一部分共价键断裂，容易吸收光的能量。原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。对于普通玻璃，在3000rad的伽玛射线的照射下，可能引起损耗高达20000dB／km。但是有些材料受到影响比较小，例如掺锗的石英玻璃，对于4300rad的辐射，仅在波长0.82μm引起损耗16dB／km。宇宙射线也会对光纤产生长期影响，但影响很小。影响：通过工艺和材料使之减少到忽略不记的程度。2023/2/11053、原子缺陷吸收机理：光纤制造过程中受到热激励或辐射使得一部分共价键断裂，容易吸收光的能量。原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。影响：通过工艺和材料使之减少到忽略不记的程度。2023/2/1106二、散射损耗机理：由于光纤的折射率分布以及光纤材料的不均匀使得光在光纤传播过程中发生散射，光向其他方向散开造成的损耗。非线性散射损耗线性散射损耗受激拉曼(Raman)和受激布里渊(Brillouin)散射瑞利(Rayleigh)散射2023/2/11071、瑞利散射损耗机理：密度不均匀的微粒产生的瑞利散射1.55μm处aR为0.12~0.16dB/Km。此处损耗主要由瑞利散射引起。波长

um

损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8红外吸收紫外吸收瑞利散射影响：对短波长的光影响较大（与λ4

呈反比）2023/2/1108光纤的结构不完善产生的损耗机理：制造工艺的缺陷引起的残留气泡或芯包交界面不均匀造成的散射。（比波长大得多）影响：对所有的波长一样波长

um

损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8红外吸收紫外吸收瑞利散射波导散射2、波导散射损耗2023/2/1109三、光纤的弯曲损耗1、宏弯损耗曲率比光纤的半径大得多的损耗光纤的最小弯曲半径的经验法则是：对于长期应用，光纤的弯曲半径应超过包层直径的150倍；对于短期应用，光纤的弯曲半径应超过包层直径的100倍；对于硅光纤，包层直径是125微米，对应的弯曲半径分别为19和13毫米2023/2/11102、微弯损耗光纤的轴产生的微米级的弯曲产生的损耗侧压力使得纤芯微小弯曲产生模式变换微弯引起光纤中的传导模与漏模或非传导模之间能量的反复耦合。微观弯曲使高阶模漏出并使得低阶模的功率耦合到高阶模上

2023/2/1111波长

um

损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8红外吸收紫外吸收瑞利散射波导散射OH吸收0.851.311.552023/2/11122023/2/11132023/2/1114

单模光纤的损耗谱特性已逐渐拉平，消除了三个吸收峰值，获得了0.8~1.6mm整个波长段上具有较低损耗。可提供50THz的带宽，这种光纤称为全波光纤。2023/2/1115光纤损耗测量

两种方法：

1）光源+光功率计

2）光时域反射计（OTDR）

利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射2023/2/1116光时域反射计2023/2/11172.5光纤的色散什么是色散：当电磁波在一媒质中传播时，波的不同成分速度不同这种现象称为色散。色散使得脉冲的宽度被展宽，传输速率降低2023/2/11182023/2/11192023/2/1120模式色散：由于不同模式的时间延迟不同产生的。取决于光纤折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。色度色散（模内色散）材料色散：由于光纤的折射率随波长而改变，模式内部不同波长成分的光时间延迟不同产生的。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱宽。波导色散：由于波导结构参数与波长有关产生的。取决于波导尺寸，以及纤芯与包层的相对折射率差。偏振色散：由于光纤的双折射效应引起的在多模系统中，模式色散占主要地位，波导色散可以忽略；而在单模系统中，无模式色散，波导色散必须考虑。1.色散的分类2023/2/1121光纤色散的表示方法最大时延差Dt脉冲展宽s光纤的3dB带宽B光纤色散对传输信号的影响程度时域分析：色散影响用脉冲展宽表示；频域分析：用光纤带宽来表示。光纤中速度最快和速度最慢的光波成分的时延差。2023/2/1122模间色散脉冲展宽：码元速率（带宽）：

2023/2/11232.色度色散包含很多频率成分信号的整体速度（窄带信号）群速1）群速2023/2/11242、色度色散1）群速包含很多频率成分信号的整体速度（窄带信号）2023/2/11253）群时延差色散系数单位是ps/(nm·km)

2）群时延（GVD）

2023/2/1126群时延（GVD）是材料色散和波导色散作用的结果。在很多理论分析中，要计算模内色散的值，都是先分别算出材料色散和波导色散，再通过简单的相加而得到的。模内色散的组成：材料色散

波导色散

色散系数D

可写为：实际上，这两种色散有着错综复杂的联系。2023/2/1127（4）材料色散材料色散系数由于材料的色散特性引起的脉冲扩展。产生原因：纤芯材料的折射率对不同的波长是不同的

—

n=n(l）。光源辐射具有一定光谱宽度的光，一个携带信息的光脉冲包含了不同的波长。产生结果：

脉冲中具有不同波长的分量在光纤中会以不同的速度传播并以不同的时间到达光纤端，造成了脉冲扩展。2023/2/1128（5）波导色散（结构色散）某一传输模的群速度随波长而变化导致波导色散。产生原因：单模光纤中，携带信息的光脉冲在纤芯和包层间分布：主要部分在纤芯中传输，剩余部分在包层中传播。纤芯和包层拥有不同折射率，两个部分以不同的速度传播。光被限制在一个拥有不同折射率的结构－纤芯和包层的组合中传播，脉冲会扩展。注意：即使光纤材料没有色散特性，波导色散也会发生。纯波导色散仅因为将光限制在一个特定的结构中而产生。2023/2/1129波导色散依赖于波长：波导色散依赖于纤芯和包层间的模场分布，即依赖于模场半径，而模场半径依赖于波长。波导色散决定于光纤的V参数。波导色散系数为正，所以Dwg在0～1.6mm波长范围内都是负值。2023/2/1130材料色散系数

材料色散是由于折射率是波长的函数，从而光的传播速度随波长变化而引起的色散。假设在无限大介质中传播的平面波其折射率n(λ)等于纤芯的折射率，传播常数为：由材料色散引起的群时延为如果光源带宽为sl

，带宽展宽可表示为：材料色散系数2023/2/1131

波导色散是由于传播常数是波长的函数引起的色散。在考虑导波色散时近似认为光纤的材料折射率与波长无关。由于纤芯和包层的相对折射率差Δ<<1，即n1≈n2，利用归一化的传播常数b波导色散系数

由波导色散引起的群时延为：模式传播常数通常是用归一化频率V表示的，用V代替k，则可以得到2023/2/1132光源谱宽为sl

时的脉冲展宽，导波色散可表示为

2023/2/1133波导色散使零色散波长从1.276mm向右移动了0.03～0.04mm，总色散在l＝1.31mm附近为零，即零色散波长

l0为1.31mm。波导色散使得1.3～1.6mm波长范围内的总色散减小。

1.55mm波长附近，D的典型值为15～18ps/(km·nm)。2023/2/1134损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗导致脉冲幅度减小，限制系统的传输距离。色散导致脉冲展宽、畸变，限制系统的传输容量。损耗的最小值在1.55m

m处。零色散点在1.31m

m处。是否可以使得损耗最小值和零色散点位于同一点？？2023/2/1135波导色散的大小由纤芯直径2a、相对折射率差Δ及剖面形状等决定。一般来讲，纤芯越细，Δ愈大，波导色散也越负。损耗特性没法改变。色散特性：材料色散只要材料确定下来就没法改变。2023/2/1136单模光纤的最佳设计

折射率剖面设计匹配包层凹陷包层阶跃大有效面积色散位移四包层剖面双包层或W剖面环带三角形分布大有效面积色散平坦2023/2/1137a）常规光纤b）色散位移光纤(DSFDispersion-ShiftedFiber)c）色散平坦光纤(DFFDispersion-flattenedFiber)d）色散补偿光纤(DCFDispersion-compensatingFiber)e）非零色散位移光纤(NZDSFNonzeroDispersion-ShiftedFiber)2023/2/1138三种光纤色散情况比较2023/2/1139由于实际光纤本身存在缺陷，例如纤芯的几何形状不规则和内部应力不均匀等，此外，存在外在因素如光纤的弯曲，扭曲，挤压也使光纤产生双折射，所以单模光纤存在偏振模色散（PMD）。光信号中不同偏振状态的双折射现象是导致脉冲展宽的另一个因素。3.

偏振模色散2023/2/1140双折射沿着光纤长度方向发生变化：①每一个偏振模传播的速率稍有差别②偏振方向也会发生旋转在经过距离L后两种偏振模式分量所产生的时延差为：2023/2/1141PMD与系统传输速率以及最大传输距离的关系2023/2/1142

4.光纤色散对光脉冲传输的影响

脉冲宽度由均方根宽度(RMS)表示C频率chirp系数sw

均方根光源谱宽2023/2/11431）宽光源光谱sw

比较大色散斜率2）窄光源光谱sw

很小可以忽略2023/2/11442023/2/11455光纤色散对光脉冲传输的影响设单模光纤中某频率分量的电场可以表示为只讨论沿光纤的传输光纤中包含许多频率分量的信号可表示为在光纤输入端，设在光纤输入端的信号形式为高斯脉冲调制的单频载波1、传输方程2023/2/1146设高斯脉冲调制的单频载波在光纤的中z处的信号形式为泰勒级数展开2023/2/1147对应的微分方程为做变量代换对于2023/2/11482、高斯脉冲不再是高斯脉冲脉冲宽度由均方根宽度表示Full-widthathalf-maximum幅度峰值1/e功率峰值的半宽度2023/2/1149chirp高斯脉冲C频率chirp系数如果光源不是单载波，光源的均方根半宽度为，则2023/2/11503、色散对传输速率的限制1）宽光源光谱比较大色散斜率2023/2/11512）窄光源光谱很小可以忽略最小值最小值2023/2/11522.6光纤的非线性效应当光纤中传输的功率很大时，就会有非线性效应光纤的非线性效应包括光纤的非线性散射光纤的非线性折射2023/2/11531.非线性散射受激非弹性散射：散射光频率下移，光场把部分能量传递给介质。一个高能量光子（通常称为泵浦）被散射成一个低能量的光子（斯托克斯光），同时产生能量为两光子能量差的另一个能量子受激布里渊散射（SBS）参与的能量子为声学声子，只有后向散射受激喇曼散射（SRS）参与的能量子为光学声子，以前向散射为主，但也有后向散射2023/2/1154在高功率传输时，光纤中的受激喇曼散射和受激布里渊散射能导致相当大的损耗，一旦入射光功率超过阈值，散射光强将指数增长。是一种阈值行为。阈值功率：在光纤输出端有一半功率被损失到斯托克斯光时的入射功率2023/2/1155受激拉曼散射（SRS—stimulatedRamanscattering）入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成振动态之间的跃迁。特点增益带宽宽（约10THz），影响其它信道功率WDM系统中，较高频率的信号成为所有较低频率信号的泵浦源，频率最高的信道功率消耗最大。12341234fiber2023/2/1156减小SRS对系统影响的主要措施减低入纤功率（减小中继间隔）减小信道间隔利用：喇曼光纤放大器高功率二极管泵浦激光器的迅猛发展，为FRA的实现奠定了坚实的基础。FRA可以提供整个波长波段的放大。通过适当改变泵浦激光波长，就可以达到在任意波段进行宽带光放大。影响：引起波分复用系统的串话2023/2/1157②受激布里渊散射（SBS—stimulatedBrillouinscattering）SBS可描述为泵浦光、斯托克斯波和声波之间的参量互作用。可看作是一个泵浦光子的湮灭，同时产生一个斯托克斯光子和一个声学声子。λ1特点:增益带宽窄（约几十MHz），这说明SBS效应被约束在WDM系统的单个波长信道内。功率阈值与光源线宽有关，光源线宽越窄，功率阈值越低2023/2/1158影响：

★制约了光的传输★反向光回到光源中使得光源不稳定★波长信道串扰减小SBS对系统影响的主要措施减低入纤功率（减小中继间隔）增加光源线宽（色散限制）2023/2/1159阈值功率增益系数对于SiO2同样，Pth,SBS可低至1mW，特别是在1550nm最低损耗处，将极大地限制光波系统的注入功率。但以上估计忽略了与入射光有关的谱宽效应，在典型系统中阈值功率可增大至10mW或更高。不过还应注意消除。SRS的阈值功率较高。由于光波系统中的注入功率一般低于10mW，因此SRS一般对光纤损耗不起作用。2023/2/1160（1）自相位调制（SPM—self-phasemodulation）2、非线性折射

在大功率光信号的作用下，光固有的折射率将随光的强度发生变化，新的折射率为：n1=n0+gp/Aeff由于光的非线性效应的影响，光场自身引起的相位变化，叫自相位调制。脉冲有压缩的趋势脉冲的前沿产生红移（频率变低，速度减少）脉冲的后沿产生兰移（频率变低，速度加快）2023/2/1161（2）交叉相位调制（XPM）某一信道的光场由于非线性效应受到来自相邻信道的光场的影响而发生相移。影响：形成串扰2023/2/1162（3）四波混频（FWM）相距很近的波长之间发生耦合，在其间隔产生新的无用波长。f1f2f3f0f0=f1±f2±f32023/2/11632023/2/1164四波混频的抑制：1、降低光功率（不可行）2、加大通光面积（可行）3、增大信道间隔（不可行）4、保持一定的色散（可行）2023/2/1165SBS、SRS及FWM过程所引起的波长信道的增益或损耗与光信号的强度有关。这些非线性过程对某些信道提供增益，而对另一些信道则产生功率损耗，从而使各个波长间产生串扰。SPM和XPM都只影响信号的相位，从而使脉冲产生啁啾，这将会加快色散引起的脉冲展宽，尤其在高速系统中。2023/2/11662.7常用光纤目前ITU-T规定的光纤代号有G.651光纤（渐变多模光纤）G.652光纤（常规单模光纤）G.653光纤（色散位移光纤）G.654光纤（低损耗光纤）G.655光纤（非零色散位移光纤）2023/2/11671、G.651光纤多模渐变光纤（GIF）工作窗口：850nm,1310nm缺点：不能用于大容量，长距离通信应用：接入网，局域网纤芯直径包层直径纤芯不圆度包层不圆度同心度误差NA衰减系数色散系数带宽2023/2/11682、G.652光纤常规单模光纤或色散未位移光纤（第一代单模光纤）工作窗口：1310nm(零色散)1550nm(最小损耗)应用：我国干线主要采用G.652缺点：低损耗和低色散不能兼有色散受限距离短结论:

不适用于10Gb/s以上速率传输，但可应用于

2.5Gb/s以下速率的DWDM。2023/2/1169性能模场直径(mm)截至波长(nm)零色散波长