光纤与通信：第2章光纤及其特性

第2章光纤

--光纤导光原理及其特性光纤的结构及分类光纤导光原理光纤的模式理论光纤的损耗特性光纤的色散光纤的非线性效应常用光纤纤芯包层涂覆层裸光纤1、光纤的结构§2.1光纤的结构及分类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，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆层的主要作用是为光纤提供保护2、光纤的分类1）按制造光纤所使用的材料分

2）按工作波长来分3）根据光纤中传输模式分4）根据折射率分布分

有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。短波长光纤长波长光纤单模光纤和多模光纤有阶跃型光纤StepIndex

SI渐变型(梯度型)光纤GragedIndexGIW型光纤等阶跃型光纤SIStepIndex渐变型(梯度型)光纤GI

GragedIndexW型光纤3、光缆制造1、原材料提纯去掉光纤原料中的杂质，以降低杂质吸收。2、制棒将提纯后的材料合成一定折射率分布的预制棒。将预制棒拉制成原折射率分布的光纤。3、拉丝4、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。5、成缆目的：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材料提纯熔炼制棒方法：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）NTT

OVD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。化学反应方程MCVD法（改进的化学汽相沉积法）纤芯:SiO2+GeO2(P2O5)包层:SiO2+B2O5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。123

4

67891---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5光纤经过涂覆后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

一、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，防雷，防腐。3、传输性能好：避免工程中带来的附加损耗或色散。2、光缆护套一般由塑料材料制造，保护光缆芯受到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）二、光缆的基本结构按成缆光纤类型多模光纤光缆和单模光纤光缆按缆芯结构中心束管、层绞、骨架和带状按加强件和护层金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合长途/室外、室内、水下/海底等按敷设方式架空、管道、直埋和水下3、光缆的分类4、光缆的结构（成缆方式）层绞式骨架式中心束管式带状式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，管中填冲油膏，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。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，这种结构适用于芯线数较少的的光缆。骨架式结构光缆----沟槽式光缆是将单根或多根光纤放入沟槽中，骨架中心是加强元件。这种结构的光缆的抗侧压性能好，单制造工艺复杂。§2.2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)折射定律一、SI光纤射线分析1、导光原理内全反射非子午面光线Snell定律临界角临界角对应的捕光角捕光角内全反射导光原理内全反射的条件相对折射率差3、模式及时延差传导模辐射模2、数值孔径NA(NumericalAperture)光源与光纤的耦合效率高光纤里有很多条光线和轴线夹角相同的一簇光线称作一个模式模式有两类：传导模辐射模模式有两类：光纤中有很多传导模，路径不同，时延不同。最大时延差模式时延两条路径脉冲展宽：不引起码间干扰的脉冲间隔：码元速率（带宽）：不同传导模式的时延差使光脉冲展宽码间干扰不同模式有时延差对传输信号有什么影响？提高带宽的方法：例：求光脉冲传1公里的脉冲扩展宽度和最大比特率。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-------单模光纤二、GI光纤射线分析g=2抛物线型n3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a如果将渐变折射率看成分层均匀层数N,层厚光线在介质中的传输轨迹应该用射线方程表示r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，光纤中的近轴子午光线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。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：

1、射线方程

对近轴光线，，

2、射线轨迹3、渐变光纤中的光线（1）自聚焦特性（2）最大时延差§2.3光纤的模式理论()圆柱坐标系n阶贝塞尔方程为整数Bessel方程的求解函数幂级数展开法s阶贝塞尔方程贝塞尔方程的解用幂级数展开阶贝塞尔函数如果s不是整数，另一个解为如果s是整数线性相关也是贝塞尔方程的解存在并与无关诺依曼(Neumann)函数整数阶贝塞尔函数和正弦和余弦三角函数有类似的性质奇偶性渐进表达式虚宗量Bessel函数n阶贝塞尔方程在纤芯中在包层中求u、w、β的值先推导u、w、β满足的方程归一化频率V下面由边界条件得到u和w的另一关系弱导近似给定V值，代入求u、w分3种情况求解联立的超越方程：1）2）3）求u、w、β的值归一化频率V由边界条件得到u和w的另一关系弱导近似给定V值，代入求u、w给定V值，代入求u、w分3种情况求解联立的超越方程：1）2）3）1）2）3）光纤中的模式：混合模例如：传导模和辐射模满足以上条件的模式是传导模当不满足即包层中的波和纤芯中的类似就是辐射波传导模辐射摸截止归一化频率每个模式都有一个对应的截止规一化频率求计算归一化截止频率求2.4048,5.5201,8.6537,传导模模式VcHE110TE01、TM01、HE212.4048HE12、HE31、EH113.832HE41、EH215.1356HE135.520图2.12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V光纤中的场和模式归一化截止频率Vc传导模不同的模式（2）场分布不同（3）传输特性也不同（1）截止频率不同最低阶模式HE11TE01TM01HE21第一高阶模式组几个模式的场图线偏振模HE21TE01HE21TM01LP11LP11LinearlyPolarized(LP)modes通过变换得到直角坐标系中的横向场分量为

光纤中的场和模式归一化截止频率Vc传导模不同的传导模式（2）场分布不同（3）传输特性也不同（1）截止频率不同线偏振模在多模阶跃光纤中，多个导模同时传输，光纤的归一化频率V愈大，导模数愈多，导模数M可按下式计算

在多模渐变光纤中,导模总数为

例：已知求导模数解：模功率分布

将LPmn模的场分布代入，可得

(1)每个传导模（2）同一频率单模光纤

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。光纤只传播基模HE11模

（1）单模光纤的截止波长单模光纤工作模式HE11的电场分布为零阶Bassel函数，可近似为指数分布，（2）主模LP01(HE11)的模场分布模场直径MFD（Mode-fielddiameter）单模光纤的模场直径(MFD)近似为：电场下降为1/e时的半径的2倍;模场直径一般定义为：多模光纤的模场直径与纤芯几乎相等，但单模光纤的模场直径一般不等于模场直径。误差小于1%一般取单模光纤1）单模光纤的截止波长单模光纤应满足单模条件3)模场直径MFD（Mode-fielddiameter）2）主模LP01(HE11)的模场分布误差小于1%一般取3)模场直径MFD（Mode-fielddiameter）§2.4光纤的损耗特性(衰减特性Attenuation）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

2、非线性散射

弯曲损耗1.光纤宏弯曲2.光纤微弯一、光纤损耗分类二、光纤损耗的系数

为衰减指数。通常光纤损耗用单位长度的分贝(dB)数表示，定义为

光纤损耗系数三、损耗机理吸收损耗是由于光纤本身和光纤的杂质对光的吸收损耗。（1）、本征吸收光纤材料本身对光的吸收（sio2）。(a)红外吸收带（b）紫外吸收带吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，(光纤材料本身对光能量的吸收，也称为固有吸收)

二是杂质吸收，（光纤中杂质对光能量的吸收）三是原子缺陷吸收。1、吸收损耗固有吸收和光波长的关系（吸收光谱）有两个峰值（a）红外吸收机理：由于材料本身的原子之间的化学键形成形成晶格，当光纤中的光的波长与晶格相键长相当时，光的能量向晶格传递，引起损耗。吸收带：>1.5um，向红外延伸波长

um损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8影响：对长波光通信影响较大红外区的中心波长在8μm～12μm

范围内，对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。（b）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。吸收带：<1.6um,向紫外延伸波长

um损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8影响：对短波长通信影响较大紫外区中心波长在0.16μm附近，尾部拖到lμm左右，已延伸到光纤通信波段(即0.8μm～1.7μm的波段)。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dB／km。在长波长范围内，引起的光纤损耗小0.1dB／km。（a）光纤中含有铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属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长技术已经实现。(2)、杂质吸收机理：主要由于光纤材料的不纯净引起的。（b）水的氢氧根离子(OH)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。CuAlFeGeNi(可以消除)OH–波长

um损耗

dB/km0.81.01.21.41.61.8（影响较大）0.9~1.01.2~1.31.33~1.5(3)、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。吸收损耗：本征吸收红外吸收紫外吸收杂质吸收有色金属OH根的吸收原子缺陷吸收

图3.3掺杂2、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喇曼(Raman)和受激布里渊(Brillouin)散射瑞利(Rayleigh)散射波导散射损耗散射光和入射光波长相同散射光和入射光波长不同(1)、瑞利散射损耗阻碍粒子比光波长小或可比时产生的散射叫瑞利散射。机理：密度不均匀的微粒产生的瑞利散射影响：对短波长的光影响较大（与λ4

呈反比）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(2)光纤的结构不完善产生的损耗（波导散射损耗）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）残留气泡引起的散射损耗影响：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（3）、光纤的弯曲损耗a、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b、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

光纤损耗谱特性短波长的0.85m波段长波长的1.31m及

1.55m波段3个损耗最小窗口各类石英光纤的典型损耗值（dB/km）波长（µm）多模光纤单模光纤阶跃型梯度性阶跃型0.85332.51.30.5---10.5---10.41.550.50.30.2---0.3

通过超纯光纤生产工艺削去1.24m及1.39m的OH峰，实现了1200—1650nm的全波光纤，最大损耗不超过0.5dB／km，为波分复用在更宽的光波范围内的应用提供了可能。C波段是WDM系统最常用的传输波段全波光纤通常可将该波长范围划分为6个波段光纤的损耗谱光纤损耗测试

两种方法：1）光源+光功率计

2）光时域反射计（OTDR）光时域反射计§2.5光纤的色散(Dispersion)1、色散的分类模间色散(ModeDispersion)

色度色散(CromaticDispersion)

偏振色散(PolarizationModeDispersion)模内色散材料色散波导色散什么是色散：当电磁波在一媒质中波传播时，波的不同成分速度不同这种现象称为色散。（1）模间色散机理：多模光纤中同时存在多个传导模式，不同模式的轴向传输速度不同，使得它们到达终端有先有后，引起脉冲展宽。脉冲展宽：码元速率（带宽）：材料色散机理：光源发出的光不是单一波长的光，而是具有一定的谱线宽度，而不同波长的光在光纤中的传播速率不同，因而导致同一个模式的光在光纤中传播也有时延差，输出脉冲产生畸变。波导色散（结构色散）

机理：光在光纤中传播时，由于光纤的结构引起不同波长的光在光纤中的传播速度不同，因而导致同一个模式的光在光纤中传播也有时延差，输出脉冲产生畸变。

(2)色度色散光载波中包含很多频率成分色散使得脉冲的宽度被展宽，传输速率降低色散对光通信的影响2、色度色散光通信的光源包含许多频率成分群速相速3）群时延差色散系数单位是ps/(nm·km)

2）群时延（GVD）

2、色度色散色散系数单位是ps/(nm·km)

零色散波长常规单模光纤群时延差色散系数零色散波长常规单模光纤群时延差色散系数非色散位移光纤色散位移光纤色散位移光纤0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)

20100-10-20色散(ps/nm.km)非零色散位移光纤DSFDispersion-ShiftedFiberNZDSFNonzeroDispersion-ShiftedFiber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图3.12几种有代表性的折射率剖面3、偏振模色散PMD(PolarizationModeDispersion)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）。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：

光纤色散对光脉冲传输的影响脉冲宽度由均方根宽度表示chirp高斯脉冲C频率chirp系数宽光源光谱比较大色散斜率§2.6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率受激拉曼散射（SRS—stimulatedRamanscattering）

强光功率在光纤中传输时，SRS使得多波长系统中较短波长（高频）光的能量向较长波长（低频）的光转移。影响：引起波分复用系统的串话1、非线性散射②受激布里渊散射（SBS—stimulatedBrillouinscattering）

阈值功率增益系数对于（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：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。（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（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+f3-f2四波混频的抑制：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）§2.7常用光纤目前ITU-T规定的光纤代号有G.651光纤（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）G.656光纤（宽带全波光纤）

G.657光纤（接入网用光纤）根据我国国家标准规定，光纤类别的代号应如下规定：光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写

A表示多模光纤，

B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类光纤。INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNION多模光纤类型单模光纤类型ITU-T G.651TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOFA50/125um

MULTIMODEGRADEDINDEXOPTICAL

FIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.651 (Previously“CCITTRecommendation”)INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-T

G.652TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOFASINGLE-MODEOPTICALFIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.652 (Previously“CCITTRecommendation”)INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-T

G.653TELECOMMUNICATION (03/93)

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITUTRANSMISSIONMEDIACHARACTERISTICSCHARACTERISTICSOF

ADISPERSION-SHIFTEDSINGLE-MODE

OPTICALFIBRECABLE

ITU-TRecommendationG.653INTERNATIONALTELECOMMUNICATIONUNIONITU-TG.655TELECOMMUNICATION

STANDARDIZATIONSECTOR

OFITU(10/96)SERIESG:TRANSMISSIONSYSTEMSANDMEDIA,DIGITALSYSTEMSANDNETWORKSTransmissionmediacharacteristics–OpticalfibrecablesCharacteristicsofanon-zerodispersionshiftedsingle‑modeopticalfibrecableITU-TRecommendationG.655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1、G.651多模光纤工作频率应用：小容量，短距离，局域网，校园网2、G.652光纤常规