《通信线路工程》课件chap2-2 光纤

内容安排光纤的特性（几何、光学、传输、机械、温度等）传输特性：衰减、色散单模光纤的种类及性能（ITU-TG.652~7）G.652-常规单模光纤（NDSF、SSMF）G.653-色散位移光纤（DSF）G.654-截止波长位移光纤（CSF）G.655-非零色散位移光纤（NZDSF）G.656-宽带光传输非零色散位移光纤G.657-弯曲损耗不敏感非色散位移光纤光纤的特性一、几何特性描述光纤结构的参数主要包括几何和光学参数。这些参数仅与光纤横截面的物理构成有关，或者说与光纤横截面径向参数r有关，而与光纤的长度和传输状态无关。设计：不同的光纤结构,得到不同的传输性能生产：设计生产工艺和控制产品质量施工：所用光纤在结构上一致性要好,降低连接损耗,保证工程质量和传输性能芯直径阶跃型光纤，芯、包层界限分明；梯度型光纤，从包层折射率转变到纤芯的最大折射率是逐渐发生的，芯与包层的边界不明显，这给测量带来困难。为了有一个统一的标准，CCITT规定了具体的定义，即当纤芯折射率与外边均匀包层的折射率之差达到后者的一定比例的区域叫做纤芯，并规定多模光纤的芯直径为503m。单模光纤？？？包层直径：是指裸纤的直径。ITU-T规定通信用光纤的外径，多模、单模均要求为1253m。

同心度：是指纤芯中心与包层中心之间距离除以芯径。不圆度：包括芯径的不圆度和包层的不圆度，可用下式表示：NC=（Dmax-Dmin）/DC0

式中，Dmax和Dmin是芯（包层）的最大和最小直径；DC0是芯（包层）的标准直径。光纤的不圆度严重时影响连接时对准效果，增大接头损耗。二、光学特性折射率分布：描述光纤从纤芯到包层的折射率随半径的变化，即光纤的折射率为光纤半径的函数，用下式来表示。

数值孔径NA

在光纤中，把光纤的最大接收角的正弦定义为光纤的数值孔径，表示光纤对光线的可接收范围。即

其中，相对折射率差D=-=212221nnnNA模场直径模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。单模光纤只能传播基模（LP01模），模场就是光纤中基模的电场强度在空间的分布。通俗地说，模场直径就是单模光纤中光斑的大小，ITU-T建议标准单模光纤模场直径为(8.6~9.5)0.6m。MFD对于光纤的弯曲损耗有影响。对施工来说，小的MFD会带来较大的连接损耗，MFD的一致性对连接损耗影响很大。模场直径(MFD)：光功率为e-1E0时的光场半径宽度(E0为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。模场直径电场分布一般为高斯分布：MFDrepresentshowthelightisactuallydistributedintheSMF“ModeFieldDiameter”ismentionedbecauseitisanimportantparameterthatindirectlydeterminesthecontributiontochromaticdispersionknownaswaveguidedispersion.Themodefielddiameterisalsoafundamentalparameterinfluencingthe“EffectiveCoreArea”,Aeff,whichdeterminesthenonlinearbehaviorofthefiberopticcable.截止波长截止波长是单模光纤保证单模传输的条件，所以截止波长的定义是大于此波长时二阶LP11模不再传播。截止波长同其它参数的不同点是不恒定，而且随着长度不同而改变。要求单模光纤的截止波长一定要小于光通信系统的工作波长。注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准归一化频率(重要参数)V综合考虑了光纤的尺寸和注入波长V才是判断单模和多模的标准三、传输特性光信号在光纤中经过一定距离的传输后要产生衰减和畸变，因而使输出的光信号脉冲与输入相比产生了差异。其表现为：幅度的衰减波形的展宽三、传输特性-损耗损耗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光纤损耗的单位光纤衰减的主要原因本征吸收(1)紫外吸收光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围z晶格光传播方向kEx(2)红外吸收光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗非本征吸收光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收OH－吸收峰

~2dB解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度OH－和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)散射损耗光纤的密度和折射率分布不均匀及结构上的不完善导致散射现象波导在小于光波长尺度上的不均匀：分子密度分布不均匀掺杂分子导致折射率不均匀导致波导对入射光产生本征散射。瑞利散射一般发生在短波长本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场q¢<qqq>qcq¢RqqCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲微弯损耗微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均

使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果： 造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗微弯

损耗基本损耗l增加，V减少，W0越大长波长处附加损耗显著光纤损耗频谱曲线实测红外吸收瑞利散射紫外吸收波导缺陷四、传输特性-色散定义：沿光纤传输的光脉冲，经历在时间上的展宽，这种时域的波形展宽叫做色散。分类：模式色散、材料色散、波导色散Oneofthemostimportantofthesepeculiaritiesisdispersion,whereinpulsesoflighttravelingthroughopticalfiberstendtospreadout,andlosetheiroriginalshape.Dispersion,likeattenuation,isanimpairmentthatdegradetheopticalsignalasittravelsoverdistance.分类：1.模间色散2.模内色散

-材料色散

-波导色散3.偏振模色散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光脉冲：不同的频率、模式、偏振分量色散的影响——导致光纤带宽的降低模式色散产生原因：在同一根光纤中，高次模的光程长，低次模的光程短。模式色散仅对多模光纤有效。模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽阶跃光纤梯度光纤梯度光纤可以减小模间色散：沿着轴心传播的光经历的路程短但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。材料色散-MaterialDispersion材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。fA光源输出都有一定的谱宽

>0.001nml1l2l3l1l2l3模内色散——材料色散光纤材料对不同的频率成份折射率(传播速率)不同波导色散-waveguidedispersion所谓波导色散，是指因光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。波导结构包括光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。ItcanbedemonstratedthatevenWaveguidedispersioniswavelengthdependent.

它对制造各种色散位移单模光纤非常重要。

单模光纤中传播模80%能量在纤芯

20%能量在包层模内色散——波导色散信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度光纤三种色散的大小顺序是： 模式色散>材料色散>波导色散

对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。

对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和-色度色散。CD:chromaticDispersion,alsodefinedaswavelengthdispersion.单位：ps/nm.km三种色散的比较普通单模光纤的色散特性零色散波长单模光纤的种类(ITU-TG.650~657)G.652：

1310nm波长性能最佳光纤，标准单模光纤、色散未移位光纤。可供双窗口(1310nm和1550nm)应用，典型的衰减常数分别为0.3~0.4dB/km和0.2~0.25dB/km。在1.55μm波长处衰减最小，但有较大的正色散，大约为+18ps/nm.km。G.652光纤应用最为广泛，我国已敷设的光纤绝大多数为G.652光纤。

缺点：1310nm处衰减偏大，1550nm色散较大。色散位移光纤（DSF）-G.653通过设计光纤折射率剖面，将零色散点移到1550nm窗口，使该窗口同时具有最小色散和最小衰减。 优点：单波长、大容量、长距离传输。 缺点:随DWDM和EDFA的广泛使用，产生非线性现象，其中四波混频（FWM）将产生新的频率分量，引起路际串扰。1310nm1550nm普通商用光纤色散位移光纤G.653色散位移光纤(DSF)让损耗和色散最低点都在1550nm截止波长位移光纤-G.654截止波长位移光纤（CSF），降低了1550nm处的衰减(0.18dB/km)。由于制造困难，最低衰减光纤十分昂贵。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，现在很少应用。

非零色散光纤（NZDSF）：对G.653的零色散点进行了移动，使1540~1565nm内色散系数的上限能抑制FWM的产生。在1550nm窗口有最小衰减系数和适当的色散系数。非零色散光纤（NZDSF）-G.655G.655的色散1.11.21.31.41.51.551.61.7波长(μm)色散(ps/nm.km)20

100-10-20

EDFA带宽(1530~1625)nmC+L波段AccordingtotheITU-TGrecommendationstherearevariousdifferencesamongthethreetypesofsingle-modefibers,butthemainparameterdistinguishingthemistheChromaticDispersion(CD)characteristics.

其它光纤色散平坦光纤：在1310nm~1550nm都具有低色散，且具有两个零色散波长。-已取消色散补偿光纤（DCF）：在1550nm波长有很大的负色散全波光纤：消除OH-离子吸收峰（G.652