光通信测量：第1章 光纤及光纤通信的基本测量方法

光纤通信测量参考书目光纤通信测量，刘娟等，西安电子科技大学出版社光纤光缆工程测试，胡先志，刘泽恒等著，人民邮电出版社光缆通信系统指标与测试，韦乐平，邓忠礼等著，电子工业出版社测量的重要性没有测量就没有科学---门捷列夫光纤通信测量的内容光纤光缆的测量光器件（有源和无源器件）的测量光端机的测量系统的测量测量的标准国际电信联盟电信分会（ITU-T）国际电工委员会（IEC）电信工业协会（TIA）电子电器工程师协会（IEEE）光纤光缆G.650－G.655光器件G.957G.917G.918端机设备和系统G.703G.704海底光缆G.971－G.974光纤通信测量中的ITU-T建议与国标第1章光纤及光纤通信的基本测量方法1.1光纤光纤的基本特点：光纤用来传导光信号结构：纤芯和包层全反射条件：n1>n2纤芯包层

裸光纤的结构1.1光纤涂覆层作用：增加机械强度和可弯曲性，防水预涂覆层：几十微米，一次涂覆缓冲层：第二层，多用硅树脂材料二次涂覆：最外层，尼龙材料紧套和松套光纤1.1.1光纤的折射率分布描述从光纤纤芯到包层的折射率随半径的变化纤芯

n2(r)=n12[1-2D(r/a)g]r<a包层n2(r)=n22=常数r>=a

g

折射率分布指数光纤的折射率分布光纤折射率分布1.1.1光纤的折射率分布折射率分布指数g=1三角形分布g=2抛物线分布（梯度分布）g→∞阶跃分布归一化频率VV=2p(a/l)NA=RaNA

芯中导模数量设计原则高带宽和低色散：折射率分布衰减系数小：结构、掺杂、材料、制作、工艺剖面结构合理：易生产，成本低剖面类型——多模光纤阶跃型多模光纤梯度型多模光纤n1n2n2

折射率分布n1n2n(r)n(r)折射率分布剖面类型——单模光纤1、非色散位移单模光纤（G.652光纤）匹配包层和下凹包层

SiO2+GeO2SiO2SiO2+GeO2SiO2SiO2+F非色散位移单模光纤折射率分布剖面类型——单模光纤2、色散位移单模光纤（G.653光纤）分段芯和双台阶芯型

1550nm低衰减和零色散，抗弯性好、连接损耗低，设计自由度多，容易控制波导色散，实现零色散波长的移动（a）三角芯（b）双台阶芯剖面类型——单模光纤3、截止波长位移单模光纤（G.654光纤）匹配包层型和下凹内包层型靠包层掺杂F使折射率下降优点：在1550nm波长处的最低衰减为0.15dB/km。SiO2+F纯SiO2SiO2+F纯SiO2SiO2剖面类型——单模光纤3、非零色散位移单模光纤（G.655光纤）

三角芯型和双环芯型

内环具有可移动零色散波长的作用，外环对实现大有效面积和微弯曲损耗有较大的作用

三角芯具有略低的衰减，双环芯则具有稍大的有效面积（a）三角芯（b）双环芯剖面类型——单模光纤5、色散补偿单模光纤6、色散平坦单模光纤

（a）分段芯（b）三包层（a）双包层（c）四包层（b）三包层1.1.2光纤的传输特性衰减衰减是光纤的一个重要传输参数，它表明了光纤对光能的传输损耗，其对光纤质量的评定和光通信中中继距离的确定起着决定性的作用。原因：吸收损耗，散射损耗，附加损耗

吸收损耗本征吸收:

紫外吸收和红外吸收

材料中杂质吸收：过渡金属元素和OH-离子结构中原子缺陷吸收：热激励和强辐射

散射损耗光纤中产生的散射损耗主要有：瑞利散射、米氏散射、波导散射、受激布里渊散射、受激拉曼散射、附加结构缺陷和弯曲散射、泄漏。

在光纤制造中，熔融态玻璃分子冷却过程中的热运动引起结构内部的密度和折射率起伏，当光遇到这种带有随机起伏的不均匀质点时发生散射。比光波长小得多的粒子引起的散射称为瑞利散射，与光波长同样大小的粒子引起的散射称为米氏散射。

附加损耗附加损耗是光纤成缆之后产生的损耗

微弯就是光纤受到不均匀应力的作用，例如受到侧压力或者套塑光纤受到温度变化时，光纤轴产生微小不规则弯曲，其结果是传导模变换成辐射模而导致光能损耗。

弯曲损耗是光纤弯曲时，传导模变换成辐射模而产生的损耗。

色散在光纤数字通信系统中，由于光纤中信号是由不同的频率成分和不同的模式成分来携带的，这些不同的频率成分和不同的模式成分的传输速度不同，从而引起色散。

常用时延差表示色散程度，时延差越大，色散就越严重色散的分类材料色散、波导色散和折射剖面色散

采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到移动零色散波长点的位置

偏振模色散

两个偏振模的到达时间差称为偏振模色散PMD（PolarizationModeDispersion）内因：纤芯的椭圆度和残余内应力改变了光纤折射率分布。引起相互垂直的本征偏振以不同的速度传输，进而造成脉冲展宽外因则是成缆和敷设时的各种作用力，即压力、弯曲、扭转及光缆连接等都会引起PMDDt1.1.3光纤的分类A类为多模光纤

B类为单模光纤

P12表1.1多模光纤分类

表1.2单模光纤分类表1.3A1类多模光纤的结构尺寸参数表1.4四种梯度型多模光纤的传输性能及场合表1.5

三类九种阶跃型多模光纤的传输性能和应用场合

梯度型多模光纤的结构阶跃型多模光纤的结构单模光纤结构表1.6B1.1类单模光纤的结构尺寸参数

表1.7B4类单模光纤的结构尺寸参数单模光纤分类G652光纤：非色散位移单模光纤

G653光纤：色散位移单模光纤G654光纤：截止波长位移单模光纤G655光纤：非零色散位移单模光纤色散平坦单模光纤色散补偿单模光纤G652光纤

Single-modeopticalfibre(SMF)常规单模光纤，标准光纤，非色散位移光纤零色散波长为1.31mm，损耗为0.4dB/km；在1.55mm处有最小损耗0.3dB/km，色散为17~20ps/(nm·km)。是目前应用最广的光纤。G652A、G652B：B光纤增加了对PMD的规定G652C、G652D：对应A、B，全波光纤，消除了1380nm附近的水吸

收峰，即系统可以工作在1360~1530nm波段

损耗系数G653光纤Dispersionshiftedsinglemodeopticalfibre(DSF)在1.55mm处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在1.55mm处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用（波分复用）。G654光纤Cutoffshiftedsinglemodeopticalfibre在1.55mm处具有极低损耗（大约0.18dB/km）且弯曲性能好。最佳工作波长范围为1500-1600nm

这种光纤制造特别困难，最低衰减光纤十分昂贵，且很少使用。它们主要应用在传输距离很长，且不能插入有源器件的无中继海底光纤通信系统。G655光纤Non-zerodispersionshiftedsinglemodeopticalfibre(NZDSF)在1.55mm～1.65mm处色散值为0.1～6.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。G655A、G655B、G655C色散平坦单模光纤在1310~1550nm波段范围内都是低色散，且具有两个零色散波长，即1310nm和1550nm色散平坦单模光纤折射率剖面结构复杂，制造困难，尤其是该光纤的衰减大，离实用距离很远。

色散补偿单模光纤色散补偿单模光纤是一种在1550nm波长处有很大的负色散的单模光纤

当常规单模光纤系统工作波长由1310nm升级扩容至1550nm波长工作区时，其总色散呈正色散值，通过在该系统中加入一段负色散光纤，即可抵消几十千米常规单模光纤在1550nm处的色散值，从而实现业已安装使用的常规单模光纤工作波长由1310nm升级扩容至1550nm，进而实现高速率、大容量、远距离的传输。

光纤通信系统光纤通信系统的构成一个完整的光纤通信系统，是由两端的数字终端设备和其间的光纤传输信道（即光纤数字线路系统）所组成。光纤传输信道包含光端机、光中继器和光缆线路TXREGRXRRSST′TCCCCT、T′：光端机与数字设备接口S：紧靠在光接收机TX或中继机REG的光连接器后面的光纤点R：紧靠在光接收机RX或中继机REG的光连接器前面的光纤点光纤通信系统示意图光纤通信系统的构成通常将光端机和光中继机称为光纤传输设备。

光端机与光纤有两个连接点，即S、R，称为光接口。光端机与数字终端设备也有两个接口，为T′、T，称为电接口。光纤传输设备的指标分为两大类型，即光接口传输指标和电接口传输指标。1.3光纤测量系统的基本知识

光纤作为光的传输媒介，其参数的测量，一般由单个或多个波长的光通过光纤后，测量光的幅度和相位变化，再经过相应的数学处理得出。因此，任何光纤测试系统都必须具有发送、耦合、接收这三部分。光纤通信测量系统的基本知识光纤通信测量系统的组成光源：光电转换；波长与功率的稳定性探测器：光电转化在整个测量过程中都要求清洁，操作谨慎，注意光纤弯曲光纤端面注入系统

对于光纤测量系统，为保证测量系统的可靠性和重复性，需要使光信号模式达到稳定的状态，为了获得稳定状态，采取以下三种稳态模式模拟器包层模消除器（claddingstripper）

滤模器(modefilter)

扰模器(scrambler)

包层模消除器claddingstripper

在光耦合过程中，并不只是激励起传导模，还会激励起泄漏模和辐射模，而且当光纤发生微弯曲变形时，还会由传导模转变为辐射模。

当光纤的一次涂覆材料的折射率比石英包层的折射率低时，辐射模将会在包层和涂覆层的界面上产生全反射，从而形成包层模。

包层模消除器用于消除包层模的器件称之为包层模消除器

只需将离光纤注入端不远处的一段光纤涂覆层去掉，然后将其浸在折射率稍大于包层折射率的匹配液中，包层与涂覆层间的输出光将折向匹配液中并被吸收。匹配液可由甘油、四氯化碳等。

滤模器modefilter

单模光纤是利用基模进行工作的，单模光纤参数的测量一般都只考虑基模场的分布及能量的变化等。

用来滤除高阶模的器件称为滤模器。

高阶模有着衰减常数大的特点，对光纤稍加弯曲，这些高阶模会很快衰减掉。因此只要在光纤注入端打个小圈就可起到滤模作用。为了统一起见，我们可作一个半径小于30mm的圆柱，将光纤在上面绕一周即可。扰模器(scrambler)

扰模器一般用于测量多模光纤的衰减常数和带宽传输常数

实验表明，注入光经过一定长度路径之后，传导模经过长时间的耦合转换，最后使各个传导模所携带的功率达到稳定，我们称之为稳态模分布。一般都要经过几百米甚至上千米的光纤之后才能建立稳态模分布，

扰模器就是根据