第2章光纤和光缆-3

上式右边第一项为材料色散式中，λ的单位为nm。当λ=1273nm时，M2(λ)=0。式(2.52)第二项为波导色散，其中δ=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型单模光纤的结构参数，当δ=0时，相应于常规单模光纤。含V项的近似经验公式为经简化，得到单位长度的单模光纤色散系数为(2.52)其值由实验确定。SiO2材料M2(λ)的近似经验公式为图2.13不同结构单模光纤的色散特性不同结构参数的C(λ)示于图2.13，图中曲线相应于零色散波长在1.31μm的常规单模光纤，零色散波长移位到1.55μm的色散移位光纤，和在1.3~1.6μm色散变化很小的色散平坦光纤，这些光纤的结构见图2.2(c)和图2.3(a)。式中，λ0为中心波长。利用σλ<<λ0，可以把时间延迟τ(λ)展开为泰勒级数τ(λ)=τ0+(λ-λ0)C0+(λ-λ0)2C′0/2(2.54)式中，τ0=τ(λ0)，C0=C(λ0)，C′0=。

光源的影响

存在色散［C(λ)≠0］的条件下，光源对光纤脉冲展宽的影响可以分为三种情况。

多色光源：设Δωλ(光源频谱宽度)>>Δωs(调制带宽)，且光谱不受调制的影响。这相当于多纵模半导体激光器的情况。考虑rms谱线宽度为σλ的高斯型光源，其功率谱密度为(2.53)把rms脉冲宽度为σ1的高斯型光脉冲(用功率表示)输入长度为L的单模光纤，在中心波长λ0远离零色散波长λd，即|λ0-λd|>>σλ/2的条件下，输出光脉冲仍保持高斯型，设其rms脉冲宽度为σ2，由式(2.54)、式(2.53)和式(2.48)得到作为一级近似，σ≈|C0|Lσλ。由式(2.47)可以计算出3dB光带宽，图2.14示出常规单模光纤带宽和波长的关系。(2.55b)由长度为L的单模光纤色度色散产生的脉冲展宽为σ22=σ21+(C0Ｌσλ)2+(2.55a)图2.14常规单模光纤带宽和波长的关系上式右边第二项为光纤产生的脉冲展宽。和多色光源不同，单色光源脉冲展宽与输入脉冲宽度σ1有关。根据式(2.56a)，可以选取使输出脉冲宽度σ2最小的最佳输入脉冲宽度σ1

单色光源：设Δωλ(光源频谱宽度)<<Δωs(调制带宽)且中心波长不受调制的影响。这相当于锁模激光器和稳定的单频激光器。在长度为L的单模光纤上，输入和输出的光脉冲都是高斯型，其rms脉冲宽度分别为σ1和σ2，经计算得到(2.56a)(2.56b)由此得到最佳输出脉冲宽度(σ2)最佳=(2.56c)

中等谱宽：设光源的频谱宽度Δωλ和调制带宽Δωs相近(Δωλ≈Δωs)，这相当于频谱宽度较大的单纵模激光器。在这种情况下，式中，ω为光源的rms频谱宽度(用角频率表示)。同样可以选取使σ2最小的最佳σ1。(2.57)式中，nx和ny分别为x-和y-方向的等效折射率。偏振模色散本质上是模式色散，由于模式耦合是随机的，因而它是一个统计量。目前虽没有统一的技术标准，但一般要求偏振模色散小于0.5ps/km。由于存在偏振模色散，即使在色度色散C(λ)=0的波长，带宽也不是无限大，见图2.14。

偏振模色散：实际光纤不可避免地存在一定缺陷，如纤芯椭圆度和内部残余应力，使两个偏振模的传输常数不同，这样产生的时间延迟差称为偏振模色散或双折射色散。

偏振模色散Δτ取决于光纤的双折射，由Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到，(2.58)(2.61a)

2.3.2光纤损耗

损耗的存在光信号幅度减小限制系统的传输距离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示习惯上α的单位用dB/km，由式(2.60)得到损耗系数Po=Piexp(-αL)(2.60)设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，根据式(2.59)，输出光功率应为式中，α是损耗系数。(2.59)

1.损耗的机理图2.15是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。

吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。

散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。

瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。图2.15单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理2.实用光纤的损耗谱根据以上分析和经验，光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。由图2.16看到：从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。从色散的讨论中看到：从多模SIF、GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。

单模石英光纤的零色散波长在1.31μm，还可以把零色散波长从1.31μm移到1.55μm，实现带宽最大损耗最小的传输。正因为这些特性，使光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤，从短波长(0.85μm)“窗口”发展到长波长(1.31μm和1.55μm)“窗口”，使系统技术水平不断提高。图2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤2.3.3光纤标准和应用

G.651多模渐变型(GIF)光纤应用于中小容量、中短距离的通信系统。

G.652常规单模光纤是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。

G.653色散移位光纤是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55μm色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。

G.6541.55μm损耗最小的单模光纤其特点是在波长1.31μm色散为零，在1.55μm色散为17~20ps/(nm·km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20dB/km以下。

色散补偿光纤其特点是在波长1.55μm具有大的负色散。

G.655非零色散光纤是一种改进的色散移位光纤。表2.3光纤特性的标准2.4光缆2.4.1光缆基本要求保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆。二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种，见图2.18。

应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的应力为σp，作用时间为tp(设为1s)；长期使用时，容许施加的应力为σr，作用时间为tr，断裂概率为106km一个断裂点。理论推算得到的容许作用时间(光纤使用寿命)tr和应力比σr/σp的关系示于图2.17。图2.17光纤使用寿命和应力比的关系

图2.18二次被覆光纤(芯线)简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线

2.4.2光缆结构和类型光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。

1.缆芯缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。

被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。

加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。图2.20光缆类型的典型实例(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)6~48芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架空地线复合光缆(OPGW)光缆的基本型式层绞式

把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。骨架式

把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。

中心束管式

把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。带状式

把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。

2.护套

护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。

根据使用条件光缆可以分为：

室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)，跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。

2.4.3光缆特性拉力特性压力特性弯曲特性温度特性2.5光纤特性测量方法光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。

几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；

光学特性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；

传输特性主要有损耗、带宽和色散。

损耗测量光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。

带宽测量光纤带宽测量有时域和频域两种基本方法。

时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法；

频域法是测量通过光纤的频率响应，又称扫频法。

色散测量光纤色散测量有相移法、脉冲时延法和干涉法等。

截止波长测量