第3章：光纤的传输特性

第三章光纤的传输特性本章内容光纤中信号的劣化光纤的损耗特性

光纤的色散特性单模光纤的非线性光纤的制造工艺3.1光纤中信号的劣化信号的损伤任何传输信道均会对信号造成损伤线性损伤加性噪声损耗外部串扰信道内部串扰非线性损伤信号畸变乘性噪声光纤中信号的损伤线性损伤加性噪声多模光纤中可存在模式噪声，单模光纤中噪声可忽略不计损耗外部串扰，可忽略不计色散造成的信号畸变内部串扰，来源于光纤的非线性非线性损伤光纤非线性造成的信号畸变乘性噪声，可忽略不计3.2光纤的损耗特性即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗。

光纤的损耗限制了光信号的传播距离。损耗问题如何表示光纤损耗？光纤损耗的种类及其产生原因是什么？如何才能降低光纤的损耗？光纤的微弯损耗和宏弯损耗机理是什么？光纤在各工作波长段的典型损耗特性如何？光纤使用过程中损耗会增大吗？为什么？单模光纤的损耗大还是多模光纤的损耗大？为什么？光纤的损耗能够更低吗？如何实现？光纤的损耗如何测量？光纤损耗的表示方法光信号在光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：其中L为光纤长度。标准单模光纤(SMF)在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。光纤损耗的种类吸收损耗本征吸收杂质吸收过渡金属离子氢氧根离子散射损耗瑞利散射米氏散射弯曲损耗宏弯和微弯本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值光纤的损耗谱0.81.01.21.41.61.8波长λ(um)0.010.050.10.5151050100损耗dB/km波导缺陷紫外吸收红外吸收瑞利散射实验值OH-吸收微弯损耗和宏弯损耗机理宏弯损耗曲率半径比光纤直径大得多的宏弯曲微弯损耗光纤成缆时产生，沿轴向的随机性弯曲消逝场q¢

<qqq

>qcq¢RqqCladdingCore场分布降低光纤损耗的方法工作波长选择选择在低损耗窗口超纯原料降低过渡金属离子浓度生产工艺减小不均匀性减小OH-离子的引入光纤保护光纤的典型损耗特性850nm3dB/km1310nm0.3~0.4dB/km(典型值为0.35dB/km)1550nm0.3dB/km以下(典型值为0.2dB/km）(理论极限值0.154dB/km)使用过程中光纤的损耗变化变化趋势损耗增大原因热胀冷缩油膏特性变差光纤受水分侵蚀OH-吸收损耗增大光纤分子缺陷增多单模与多模光纤损耗对比单模光纤损耗要小一些原因包括以下几点：光能量主要在纤芯中传输纤芯所需原料少，更易保证其纯度纤芯工艺要求更高，折射率不均匀性减小包层更厚，OH-离子更难入侵到纤芯中纤芯小，弯曲损耗更低超低损耗光纤瑞利损耗与波长的关系为什么工作波长不能选择得更长一些？卤化物光纤氟化物光纤，本征吸收区波长较石英光纤更长一些最低损耗窗口在2550nm附近最低损耗低达0.01~0.001dB/km难度超纯原料微晶体化光纤损耗的测量测量方法：剪断法、插入损耗法、背向散射法剪断法、插入损耗法后向散射法利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法。A、B两点之间是一条直线，表明相应于光纤上AB段的衰减常数为一定值，由于后向光经过往返两次衰减，所以曲线AB段光纤的衰减为A=(VA-VB)/2(dB)3.3光纤的色散光信号包含不同的频率、模式、偏振分量色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难色散的含义色散：不同频率的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物理现象色散对光信号包络传播的影响包络展宽光纤通信中色散的含义一切导致因速度差造成光信号包络展宽的因素均被称为色散光纤色散对通信的影响影响链：色散导致传输的光脉冲展宽光脉冲展宽导致码间串扰码间串扰导致系统误码率增大通信系统需要维持一个足够低的误码率，为此需要降低码间串扰的程度，可以减小信息速率，增大光脉冲间隔减少传输距离，降低脉冲展宽程度归纳：光纤的色散直接影响其传输带宽距离积色散越大，带宽距离积越小色散对通信系统的影响光纤色散的种类模式色散多模色散偏振模色散波长色散材料色散波导色散单模光纤中依然存在色散的大小用色散系数来表征，定义为单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差：多模色散模式色散影响机理信号光入射进光纤，可激励起多种模式（理论上无穷多）多模光纤中若干携带光信号能量的模式均可传播，且速度各不相同时延差导致信号脉冲展宽，影响光纤的带宽距离积模式色散可形象地解释为因光线多径传播导致的色散显然，多模光纤中能够传播的模式越多，模式色散就越严重，其带宽距离积就越小消除方法：单模传输单模光纤的双折射单模光纤的实际工作模式LP01x模和LP01y模它们是空间正交的两个模，理想状态完全简并，即x=y由于以下原因，光纤存在双折射现象几何原因：例如光纤芯不圆，其特例椭圆光纤应力原因：光纤横向受应力影响，导致各向异性外加电磁场影响光纤的双折射现象将导致LP01x模和LP01y模沿z轴的传播速率不完全相同，即x≠y，这将导致偏振模色散偏振模色散图偏振模色散（PMD）光纤的双折射现象将导致LP01x模和LP01y模沿z轴的传播速率不完全相同，即x≠y，这将导致偏振模色散偏振模色散对长途大容量光纤通信影响较为严重，通常只能用统计推算的方法估算偏振模色散波长色散单位长度光纤上光信号的群时延：群速度是表征光信号包络传播速度的量波长色散与光信号谱宽成比例的色散效应，称为波长色散或GVD(GroupVelocityDispersion，群速度色散)或色度色散波长色散的组成光纤的波长色散组成材料色散波导色散折射率剖面色散材料色散材料色散是由构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是频率的函数引起的石英材料：G1=0.6961G2=0.4079G3=0.89741=0.0684m2=0.1162m3=9.8962m材料色散系数材料色散系数：波导色散波导色散系数00.511.522.53-0.500.511.52单模光纤的色散系数1.21.31.551.65-100102030DmDwD单位：ps/(nm.km)色散斜率色散斜率：零色散波长附近总色散系数随波长变化的曲线斜率单位：ps/(nm2.km)给定色散斜率，则零色散区内的色散系数为单模光纤的分类1550D(nm)1310G.652（常规SM）G.653(DSF)G.655(NZ-DSF)分类依据：单模光纤的零色散波长类别：常规型、色散位移型、非零色散型、色散平坦型单模光纤的分类(nm)1310G.652（常规SM）常规型单模光纤型号：G.652和G.654参数：

零色散波长范围：1.300~1.324μm

色散斜率

零色散区最大色散系数结构：

阶跃匹配包层型下凹内包层型单模光纤的分类色散位移光纤型号：G.653参数：

零色散波长范围：1.50~1.60μm

色散斜率

零色散区最大色散系数1550D(nm)1310G.653(DSF)单模光纤的分类非零色散光纤型号：G.655目标：解决四波混频现象途径：在1550nm窗口保留一定量的色散，但色散要充分小色散平坦型光纤特点：拥有两个零色散波长，分别位于1.3μm和1.6μm附近目标：实现1.3~1.6μm波长范围内总色散都很小手段：使波导色散具有更大的斜率1550D(nm)1310G.655(NZ-DSF)色散对通信容量限制的估算高斯光脉冲的展宽因子高斯光源的均方根谱宽，初始脉冲宽度传播距离z以后的脉冲宽度传输容量---带宽距离积BL判断依据：接收端光脉冲的均方根宽度不大于信息比特周期的1/4光源谱宽限制传输容量---带宽距离积BL非零色散点：BL|D|

1

提高传输容量的措施采用窄线宽光源采用色散位移光纤光源谱宽限制传输容量---带宽距离积BL零色散点附近：信号谱宽限制传输容量---带宽距离积BL非零色散点附近：求导信号谱宽限制传输容量---带宽距离积BL零色散点附近：求导3.4SM光纤的非线性传输特性电介质的极化电介质的极化通常用极化强度矢量P来描述

—真空介电常数(i)

—

媒质的电极化率张量

(i)是i+1阶张量极化强度与电场强度的关系为极化的非线性通常|PNL|<<|PL|，电介质的非线性不显著光纤中传输的光功率在毫瓦量级，多模光纤横截面面积较大，单位面积上的平均光功率或光强很小，可以不考虑非线性效应。单模光纤纤芯小，光强及相应的电场十分强大，非线性效应不可忽略。极化强度与折射率极化强度电位移矢量折射率对于石英光纤，其光纤中的极化强度为光纤的非线性折射率石英SiO2具有反演对称的分子结构，故其二阶非线性极化率，此外，忽略高阶项，可得石英光纤的折射率：折射率有一个与外加场强的平方成比例的非线性修正项的现象称为光的克尔效应SPM由于非线性折射率的存在，光波在传播过程中，其相位将受到自身的调制（E2），产生相位滞后的现象，称之为自相位调制SPM(Self-PhaseModulation)对光纤通信的负面影响会产生啁啾现象在光纤的正常色散区，此变化加重了信号脉冲展宽的程度有益应用如果工作在光纤的反常色散区，SPM对光信号脉冲有相反的效果，即减轻了脉冲展宽，极端情况下甚至能够压缩光脉冲宽度取得平衡时，可获得光孤子传输FWM频率条件相位匹配条件对于多波长光通信系统，如果和与其他波长信道频率相近，即会造成波长信道间的串扰光纤色散系数较大时，四波混频不易产生FWMFWM(FourWaveMixing)，由光纤介质的三阶非线性极化引起，存在于DWDM系统中，影响较大DWDM中，由于纤芯细，光载波数量多，纤芯内总的功率密度高，容易引起明显的非线性效应克服办法FWM对相位匹配要求很严格，光纤中存在的色散很容易破坏载波间的相位匹配条件应用DWDM时，工作波长不选在光纤的0色散波长附近，或在工作波长范围内将光纤故意设计成非0的色散，如G.655光纤大有效面积光纤合理安排波长间隔限制系统的注入功率有益应用波长变换3.5光纤和光缆的制造光纤制造工艺光纤原料制备及提纯光纤预制棒熔炼及表面处理拉丝及一次涂覆工艺光纤张力筛选及着色工艺二次涂覆工艺合格光纤质量检测与控制纤芯材料纯石英中掺GeO2、P2O5等高折射率掺杂剂包层材料纯石英中掺B2O3、F等低折射率掺杂剂

图二次被覆光纤(芯线)简图

(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线光纤成缆成缆目的增强机械强度增加空间密度防止侵蚀光缆种类层绞式、骨架式、中心束管式和带状式光缆结构由缆芯、加强原件和护套

实际使用的光缆分类

分类方法

光缆种类按所使用的光线分类单模光缆、多模光缆、（阶跃型、渐变型）按缆芯结构划分层绞式、骨架式、大束管式、带式、单元式按外护套结构分类无铠装、钢带铠装、钢丝铠装按光缆中有无金属分类有金属光缆、无金属光缆按维护方式分类充油光缆、充气光缆按敷设方式分类直埋光缆、管道光缆、架空光缆、水底光缆按适用范围分类中继光缆、海底光缆、用户光缆、局内光缆、长途光缆