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光纤和光缆第1页，本讲稿共96页光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（SiO2），是通信网），是通信网络的优良传输介质，得到广泛的应用。络的优良传输介质，得到广泛的应用。和电缆相比，光纤具有信息传输容量大，中继距离和电缆相比，光纤具有信息传输容量大，中继距离长，不受电磁场干扰，保密性能好和使用轻便等优长，不受电磁场干扰，保密性能好和使用轻便等优点。点。随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断扩展。光纤通信在高速率长距离干线网和用户接入网扩展。光纤通信在高速率长距离干线网和用户接入网方面的发展潜力都很大。方面的发展潜力都很大。为保证光纤性能稳定，系统运行可靠，必须根据实际为保证光纤性能稳定，系统运行可靠，必须根据实际使用环境设计各种结构的光纤和光缆。使用环境设计各种结构的光纤和光缆。本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和光缆的类本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和光缆的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。型和特性，以供设计光纤系统时选择。第2页，本讲稿共96页2.1 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导的同轴圆柱形电介质波导;根据光纤横截面上折射率的径向分布情根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型两种况，光纤分为阶跃型和渐变型两种;作为信息传输波导，实用光纤有两种基作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，它们是多模光纤和单模光纤。本类型，它们是多模光纤和单模光纤。第3页，本讲稿共96页光纤是一种纤光纤是一种纤芯折射率比包芯折射率比包层折射率高的层折射率高的同轴圆柱形电同轴圆柱形电介质波导介质波导阶跃阶跃(SI，StepIndex)多模光多模光纤折射率纤折射率n1在在纤芯保持不变，纤芯保持不变，到包层突然变到包层突然变为为n2阶跃多模光纤结构阶跃多模光纤结构第4页，本讲稿共96页渐变渐变(GI,GradedIndex)多模光纤折射多模光纤折射率不像阶跃多率不像阶跃多模光纤是个常模光纤是个常数，而是在纤数，而是在纤芯中心最大，芯中心最大，沿径向往外按沿径向往外按抛物线形状逐抛物线形状逐渐变小，直到渐变小，直到包层变为包层变为n2渐变多模光纤渐变多模光纤第5页，本讲稿共96页图图2.1.1实用光纤三种基本类型实用光纤三种基本类型第6页，本讲稿共96页光纤拉丝装置第7页，本讲稿共96页 在鼓上的光纤第8页，本讲稿共96页光纤结构光纤结构纤芯材料主要成分为掺杂的纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，含量达，含量达99.999%，其，其余成分为极少量的掺杂剂如余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等，以提高纤芯的折等，以提高纤芯的折射率。射率。纤芯直径约为纤芯直径约为8 m100 m。包层材料一般也为包层材料一般也为SiO2，外径为，外径为125 m，作用是把光，作用是把光强限制在纤芯中。强限制在纤芯中。为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在纤芯酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在纤芯传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离,并起一并起一定的机械保护作用。定的机械保护作用。第9页，本讲稿共96页2.1.1 2.1.1 多模光纤多模光纤可以传播数百到上千可以传播数百到上千个模式的光纤，称为个模式的光纤，称为多模多模(MM,Multimode)光纤。光纤。根据折射率在纤芯和根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。纤和渐变多模光纤。第10页，本讲稿共96页多模光纤的多模光纤的模间色散模间色散代代表表各各模模的的光光线线以以不不同同的的路路经经在在纤纤芯芯内内传传输输，在在传传输输速速度度相相同同的的情情况况下下(均均为为c/n1,c是是自自由由空空间间光光速速)，到到达达终终点点所所需需的的时时间间也不同。也不同。光光线线经经接接收收机机内内的的光光电电探探测测器器变变成成各各自自的的光光电电流流，这这些些光光电电流流在在时时域域内内叠叠加加后后，从从而而使使输输出出脉脉冲冲相相对对于于输输入入脉脉冲冲展展宽了。宽了。第11页，本讲稿共96页渐变多模光纤（渐变多模光纤（GI）性能介于性能介于SI光纤和单模光纤之间光纤和单模光纤之间阶阶跃跃（SI）多多模模光光纤纤的的主主要要缺缺点点是是存存在在大大的的模模间间色散，光纤带宽很窄；色散，光纤带宽很窄；而而单单模模光光纤纤没没有有模模间间色色散散，只只有有模模内内色色散散，所所以以带宽很宽。带宽很宽。但但是是随随之之出出现现的的问问题题是是，因因单单模模光光纤纤芯芯径径很很小小，所以把光耦合进光纤很困难。所以把光耦合进光纤很困难。那那么么能能否否制制造造一一种种光光纤纤，既既没没有有模模间间色色散散，带带宽宽较较宽宽，芯芯径径较较大大，又又使使光光耦耦合合容容易易，这这就就是是渐渐变变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。第12页，本讲稿共96页渐变多模光纤渐变多模光纤-色散较小色散较小渐渐变变(GI,GradedIndex)多多模模光光纤纤折折射射率率n1不不像像阶阶跃跃多多模模光光纤纤是是个个常常数数，而而是是在在纤纤芯芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为n2。这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。色色散散较较小小的的理理由由：虽虽然然各各模模光光线线以以不不同同的的路路经经在在纤纤芯芯内内传传输输，但但是是这这种种光光纤纤的的纤纤芯芯折折射射率率不不再再是是一一个个常常数数，所所以以各各模模的的传传输输速速度度也也互互不不相相同同。沿沿光光纤纤轴轴线线传传输输的的光光线线速速度度最最慢慢，因因折折射射率率最最大大；越越远远离离轴轴线线，到到达达终终点点传传输输的的距距离离越越长长，但但传传输输速速度度越越快快，这这样样到到达达终终点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。第13页，本讲稿共96页2.1.2单模光纤单模光纤-色散最小色散最小只能传播一个模式的光纤称为单模光纤只能传播一个模式的光纤称为单模光纤标标准准单单模模(SM,SingleMode)光光纤纤折折射射率率分分布布和和阶阶跃跃型型光光纤纤相相似似，只只是是纤纤芯芯直直径径比比多多模模光光纤纤小小得多，模场直径只有（得多，模场直径只有（910）m光光线线沿沿轴轴线线直直线线传传播播,色色散散使使输输出出脉脉冲冲信信号号展展宽宽最小。最小。第14页，本讲稿共96页单模光纤结构单模光纤结构第15页，本讲稿共96页表表2.1.1阶跃多模光纤、渐变多模光阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性比较纤和阶跃单模光纤的特性比较第16页，本讲稿共96页为为调调整整工工作作波波长长或或色色散散特特性性，改改变变折折射射率率分分布布，可可以以设设计计出出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：各种结构复杂的光纤。已经开发的有：多模光纤多模光纤(G.651)普通单模光纤普通单模光纤(G.652)色散移位光纤色散移位光纤(G.653)非零色散移位光纤（非零色散移位光纤（G.655）色散补偿光纤色散补偿光纤在在1.55 m衰减最小的光纤（衰减最小的光纤（G.654）全波光纤。全波光纤。光光纤纤种种类类第17页，本讲稿共96页2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.2.1斯奈尔定律和全反射斯奈尔定律和全反射第18页，本讲稿共96页图图1.3.1光波从光波从折射率折射率较大的较大的介质入介质入射进入射进入折射率折射率较小的较小的介质，介质，在边界在边界反射和反射和折射折射第19页，本讲稿共96页光纤波导传输光的原理光纤波导传输光的原理-临界角临界角第20页，本讲稿共96页 i c）时时，没没有有透透射射光光，只只有有反反射射光光，这这种种现现象象叫叫做做全全反反射射(TIR，TotalInternalReflection),如如图图2.2.2(c)所所示示，这这就就是是多多模模光光纤纤波波导导传传输输光光的的原原理。理。图图2.2.2光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质入折射率较小的介质,出现三种不同的情况出现三种不同的情况第21页，本讲稿共96页光纤传输光纤传输-全反射条件全反射条件第22页，本讲稿共96页2.2.2传输条件传输条件全反射条件全反射条件我我们们已已经经知知道道,光光波波从从折折射射率率较较大大的的介介质质入入射射进进入入折折射射率率较较小小的的介介质质时时，在在边边界界将将发发生生反反射射和和折折射射,当当入入射射角角超超过过临临界界角时，将发生全反射。角时，将发生全反射。相干加强条件相干加强条件对对于于特特定定的的光光纤纤结结构构，只只有有满满足足一一定定条条件件的的电电磁磁波波可可以以在在光光纤纤中中进进行有效的传输。这些特定的电磁波称为光纤模式行有效的传输。这些特定的电磁波称为光纤模式。光光纤纤中中可可传传导导的的模模式式数数量量取取决决于于光光纤纤的的具具体体结结构构和和折折射射率率的的径径向向分分布布。如如果果光光纤纤中中只只支支持持一一个个传传导导模模式式，则则称称该该光光纤为纤为单模光纤单模光纤相反，支持多个传导模式的光纤称为相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤多模光纤第23页，本讲稿共96页光光线线在在光光纤纤端端面面以以不不同同角角度度 从从空空气气入入射射到到纤纤芯芯，不不是是所所有有的的光光线线能能够够在在光光纤纤内内传传输输，只只有有一一定定角角度度范范围围内内的的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。假假如如在在光光纤纤端端面面的的入入射射角角是是 ，在在波波导导内内光光线线与与垂垂直直于于光光纤纤轴轴线线的的夹夹角角是是 。此此时时，c(临临界界角角)的的光光线线将将发发生生全全反反射射，而而 c的光线将进入包层泄漏出去。的光线将进入包层泄漏出去。于于是是，为为了了光光能能够够在在光光纤纤中中传传输输，入入射射角角 必必须须要要能能够够使使进进入入光光纤纤的的光光线线在在光光纤纤内内发发生生全全发发射射而而返返回回纤纤芯，并以曲折形状向前传播。芯，并以曲折形状向前传播。图图2.2.3不同入射角的光线不同入射角的光线 第24页，本讲稿共96页全反射条件第25页，本讲稿共96页数值孔径数值孔径(NA)第26页，本讲稿共96页第27页，本讲稿共96页NA表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力NA(或或sin max)越越大大，光光纤纤接接收收光光的的能能力力越强。越强。从从光光源源到到光光纤纤的的耦耦合合效效率率越越高高。对对无无损损耗耗光光纤纤，在在 max内内的的入入射射光光都都能能在在光光纤纤中中传传输输。NA越越大大，纤纤芯芯对对光光能能量量的的束束缚缚越越强强，光纤抗弯曲性能越好。光纤抗弯曲性能越好。但但NA越越大大，经经光光纤纤传传输输后后产产生生的的输输出出信信号号展展宽宽越越大大，因因而而限限制制了了信信息息传传输输容容量量。所以要根据使用场合，选择适当的所以要根据使用场合，选择适当的NA。第28页，本讲稿共96页相干加强条件相干加强条件在光纤中传输的光线必须与它自己相长干涉，在光纤中传输的光线必须与它自己相长干涉，否则相消干涉将相互抵消否则相消干涉将相互抵消n2n2d=2aqqk1LightABClbkEqn1zyx第29页，本讲稿共96页(HE11)电力线和磁力线在光纤波导中的分布电力线和磁力线在光纤波导中的分布第30页，本讲稿共96页2.3光纤传输特性光纤传输特性衰减衰减色散色散带宽带宽非线性非线性在传输高强度光功率时，还要考虑光纤的非线性影在传输高强度光功率时，还要考虑光纤的非线性影响响第31页，本讲稿共96页光光纤纤是是熔熔融融SiO2制制 成成 的的，光光信信号号在在光光纤纤中中传传输输时时，由由于于吸吸收收、散散射射和和波波导导缺缺陷陷等等机机理理产产生生功功率率损损耗耗，从从而而引引起衰减。起衰减。2.3.1衰减衰减第32页，本讲稿共96页瑞利瑞利（18771919）瑞利散瑞利散射发明射发明家家1904年年获得诺获得诺贝尔奖贝尔奖第33页，本讲稿共96页率减系数率减系数第34页，本讲稿共96页引起衰减的原因引起衰减的原因光光纤纤是是熔熔融融SiO2制制成成的的，光光信信号号在在光光纤纤中中传传输输时时，由由于于吸吸收收、散散射和波导缺陷等机理产生功率损耗射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。，从而引起衰减。吸收损耗是可以改善的吸收损耗是可以改善的。目目前前由由于于超超纯纯石石英英光光纤纤工工艺艺的的改改进进，已已消消除除了了这这一一波波长长附附近近的的损损耗耗峰峰，使使(13501450)nm波波段段的的损损耗耗也也降降低低到到0.3dB/km左左右右，该该波波段段就就是是光光纤纤传传输输的的第第五五个个窗窗口口，它它位位于于第第二二个个窗窗口口和和第第三三个个窗窗口口之之间间。这这种种能能够够在在12001650nm整整个个范范围围内内都都可可用用来来进行进行DWDM光纤通信的光纤就是全波光纤光纤通信的光纤就是全波光纤第35页，本讲稿共96页图图2.3.2典型光纤衰减谱典型光纤衰减谱第36页，本讲稿共96页2.3.2 色散各模群速度不等引起脉冲展宽各模群速度不等引起脉冲展宽色散种类：色散种类：模式色散色度色散偏振模色散第37页，本讲稿共96页光纤中的光速光纤中的光速要比真空中的光速慢要比真空中的光速慢n 倍倍在光纤中的光速在光纤中的光速v=c/n，折射率为，折射率为n光纤波导中的光速光纤波导中的光速要比真空中的光速要比真空中的光速慢慢n 倍。倍。玻璃的玻璃的n=1.5，因，因而在光纤中的光速而在光纤中的光速度要比在真空中的度要比在真空中的慢慢33%。第38页，本讲稿共96页实实际际上上没没有有纯纯单单色色光光，我我们们必必须须考考虑虑波波长长稍稍微微互互不不相相同同的的一一组组光光波沿波沿z方向传输的情况。方向传输的情况。当当两两个个频频率率相相差差的的正正弦弦波波干干涉涉时时，它它们们相相互互作作用用的的结结果果将将产产生生一一个个光光包包络络，即即一一个个以以中中心心频频率率 的的振振荡荡场场，其其幅幅度度被被频频率率为为的的低低频频电电场场调调制制，最最大大幅幅度度以以波波矢矢量量 k运运动动，其其速速度称为群速度。度称为群速度。图图1.2.4波长略不相同的两个光波沿同一方向传波长略不相同的两个光波沿同一方向传输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包第39页，本讲稿共96页1各模群速度不等引起脉冲展宽各模群速度不等引起脉冲展宽第40页，本讲稿共96页各模群速度不等引起脉冲各模群速度不等引起脉冲展宽展宽模的次数越高模的次数越高,其角其角度度 越大，越大，g=cos 越小，越小，传播传播就需要更多的时就需要更多的时间。间。所以群速度和光纤所以群速度和光纤模式有关，模数不模式有关，模数不同，其群速度也不同，其群速度也不同。同。由于高阶模的传播由于高阶模的传播速度比低阶模的慢，速度比低阶模的慢，因而在入射端输入因而在入射端输入的光脉冲中，次数的光脉冲中，次数越高的模越滞后。越高的模越滞后。第41页，本讲稿共96页2光纤色散种类光纤色散种类模式色散模式色散色度色散色度色散偏振模色散。偏振模色散。色色度度色色散散又又分分为为材材料料色色散散和和波波导导色色散散。对对于于多多模模光光纤纤，模模式式色色散散是是主主要要的的，材材料料色色散散相相对对较较小小，波波导导色色散散一一般般可可以以忽忽略略。对对于于单单模模光光纤纤，由由于于只只有有一一个个模模式式在在光光纤纤中中传传输输，所所以以不不存存在在模模式式色色散散，只只有有色色度度色色散散和和偏偏振振模模色色散散，而而且且材材料料色色散散是是主主要要的的，波波导导色色散散相相对对较较小小。对对于于制制造造良良好好的的单单模模光光纤纤，偏偏振振模模色色散最小。散最小。第42页，本讲稿共96页模式色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度模式色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽图图2.3.5多模光纤模式色散多模光纤模式色散第43页，本讲稿共96页多模光纤各模多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽传输路径不同引起脉冲展宽第44页，本讲稿共96页（2）色度色散（或色散）色度色散（或色散）色度色散是由于不同波长色度色散是由于不同波长(颜色颜色)的光以不的光以不同的速度在光纤中传输引起不同的时间同的速度在光纤中传输引起不同的时间延迟而产生的。延迟而产生的。色度色散色度色散(ChrometicDispersion)又分为又分为材料色散和波导色散，常简称为色散。材料色散和波导色散，常简称为色散。第45页，本讲稿共96页所所有有光光源源都都是是在在一一定定波波长长范范围围内内发发射射的的非非单单色色光光，当当各各种种波波长长的的光光进进入入纤纤芯芯后后，由由于于波波长长与与折折射射率率有有关关，所所以以在在光光纤纤波波导导中中的的光光以以不不同同的的群群速速度度在在纤纤芯芯内内传传输输，波波长长短短的的波波速速度度慢慢，波波长长长长的的波波速速度度快快，所所以以它它们们到到达达光光纤纤末末端端的的时时间间也也不不同同，导导致致输输出脉冲展宽。出脉冲展宽。图中图中 表示光纤的传输延迟，表示光纤的传输延迟，表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。图2.3.6 色散引起单模光纤输出脉冲展宽 第46页，本讲稿共96页色散对光色散对光纤所能传纤所能传输的最大输的最大比特速率比特速率B 的影响可利的影响可利用相邻脉冲用相邻脉冲间不产生重间不产生重叠的原则来叠的原则来确定确定第47页，本讲稿共96页图图2.3.7标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、色标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性第48页，本讲稿共96页由由于于波波导导色色散散与与光光纤纤的的几几何何尺尺寸寸有有关关，可可以以设设计计不不同同结结构构的的波波导导来来改改变变零零色色散散波波长长 0，例例如如可可减减小小纤纤芯芯半半径径和和增增加加掺掺杂杂浓浓度度，使使 0移移到到光光纤纤损损耗耗最最小的小的1550nm波长，这种光纤就是波长，这种光纤就是色散移位光纤色散移位光纤，如图，如图2.3.7所示。所示。改改进进单单模模光光纤纤结结构构和和参参数数的的设设计计,也也可可以以获获得得在在1550nm具具有有负负色色散散值值大大的的色色散散补补偿偿光光纤纤，还还可可以以得得到到在在1300nm和和1550nm两两个个波波长长的的色色散散都都为为零的零的色散平坦光色散平坦光纤。纤。图图2.3.8几种单模光纤的结构和折射率分布几种单模光纤的结构和折射率分布第49页，本讲稿共96页色散平坦光纤的色散平坦光纤的色散系数和折射率分布色散系数和折射率分布第50页，本讲稿共96页偏偏振振模模色色散散第51页，本讲稿共96页2.3.3最大归零比特速率最大归零比特速率图图2.3.9最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定第52页，本讲稿共96页2.3.42.3.4 带宽带宽由由于于光光纤纤色色散散，光光脉脉冲冲经经光光纤纤传传输输后后使使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽下面就光纤光带宽和电带宽加以分析。下面就光纤光带宽和电带宽加以分析。第53页，本讲稿共96页(a)图表示传输模拟信号的光纤线路，图表示传输模拟信号的光纤线路，(b)图表示频率为图表示频率为f的光纤输入和输出光的光纤输入和输出光信号，信号，(c)图表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光图表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光/电带宽减小的情况。电带宽减小的情况。光带宽对应光纤的截止频率，可粗略地认为它对应光纤能够传输的最大比特速光带宽对应光纤的截止频率，可粗略地认为它对应光纤能够传输的最大比特速率率B。光光纤纤带带宽宽第54页，本讲稿共96页3dB光带宽和电带宽光带宽和电带宽第55页，本讲稿共96页2.3.5 2.3.5 光纤传输特性测量光纤传输特性测量损耗测量损耗测量带宽测量带宽测量色散测量色散测量第56页，本讲稿共96页只只要要测测量量长长度度L2的的输输出出光光功功率率Pout,在在注注入入条条件件不不变变的的情情况况下下，在在离离光光源源23m附附近近剪剪断断光光纤纤，测测量量长长度度L1的的输输出出光光功功率率，可可以以认认为为该该功功率率就就是是长长度度L光光纤纤的的输输入入光光功功率率Pin。这样由式这样由式(2.3.14)就可以计算出光纤的衰减系数。就可以计算出光纤的衰减系数。图图2.3.11剪断法测量光纤损耗系数剪断法测量光纤损耗系数第57页，本讲稿共96页光源通常采用谱线足够窄的激光器光源通常采用谱线足够窄的激光器注注入入器器的的作作用用是是，在在测测量量多多模模光光纤纤的的损损耗耗系系数数时时使使多多模模光光纤纤在在短短距距离离内内达达到到稳稳态态模模式式分分布布；在在测测量量单单模模光光纤纤的的损损耗耗系系数时应保证全长为单模传输。数时应保证全长为单模传输。光功率计用来测量光纤输出端的光功率。光功率计用来测量光纤输出端的光功率。图图2.3.11剪断法测量光纤损耗系数剪断法测量光纤损耗系数系统配置系统配置第58页，本讲稿共96页瑞瑞利利散散射射光光功功率率与与传传输输光光功功率率成成正正比比。后后向向散散射射法法就就是是利利用用与与传传输输光光方方向向相相反反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。图图2.3.12后向散射法（后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数测量光纤损耗系数第59页，本讲稿共96页后向散射法测量损耗系数和后向散射法测量损耗系数和确定光纤的长度确定光纤的长度第60页，本讲稿共96页OTDR 的用途利利用用后后向向散散射射原原理理设设计计的的测测量量仪仪器器叫叫光光时时 域域 反反 射射 机机（OTDR，Optical TimeDomainReflectometer）这这种种仪仪器器采采用用单单端端输输入入和和输输出出，不不破破坏坏光纤，使用非常方便。光纤，使用非常方便。OTDR不不仅仅可可以以测测量量光光纤纤损损耗耗系系数数和和光光纤纤长长度度，而而且且还还可可以以测测量量连连接接器器和和熔熔接接头头的的损损耗耗，观观测测光光纤纤沿沿线线的的均均匀匀性性和和确确定定光光纤纤故故障障点点的的位位置置，在在工工程程上上获获得得了了广泛地使用。广泛地使用。第61页，本讲稿共96页2.带宽测量带宽测量第62页，本讲稿共96页图图2.3.13时域法测量光纤带宽时域法测量光纤带宽第63页，本讲稿共96页3.色散测量色散测量对对于于单单模模光光纤纤，色色散散与与光光源源的的谱谱线线宽宽度度密切相关。密切相关。光光源源的的谱谱宽宽越越窄窄，光光纤纤的的色色散散越越小小，带带宽越大。宽越大。光光纤纤色色散散测测量量有有相相移移法法和和脉脉冲冲时时延延法法，前前者者是是测测量量单单模模光光纤纤色色散散的的基基准准方方法法，所以这里只介绍相移法。所以这里只介绍相移法。第64页，本讲稿共96页相移法色散测量原理第65页，本讲稿共96页图图2.3.14相移法测量光纤色散系统框图相移法测量光纤色散系统框图第66页，本讲稿共96页2.3.5 非线性光学效应第67页，本讲稿共96页2.4单模光纤的进展和应用单模光纤的进展和应用自自从从1970年年美美国国贝贝尔尔实实验验室室，根根据据英英籍籍华华人人高高锟锟提提出出的的利利用用光光导导纤纤维维可可以以通通信信的的理理论论，成成功功地地试试制制出出用用于于通通信信的的光光纤纤以来，光纤光缆得到迅速的发展。以来，光纤光缆得到迅速的发展。30年年来来，光光纤纤光光缆缆的的新新产产品品层层出出不不穷穷，而且得到通信业的广泛应用。而且得到通信业的广泛应用。现现就就人人们们目目前前常常用用的的几几种种光光纤纤和和今今后后将将广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。第68页，本讲稿共96页单模光纤的种类单模光纤的种类G.651标准多模光纤标准多模光纤G.652标准单模光纤标准单模光纤G.653色散移位光纤色散移位光纤G.654衰减最小光纤衰减最小光纤G.655非零色散光纤非零色散光纤全波光纤全波光纤色散补偿光纤色散补偿光纤第69页，本讲稿共96页G.652标准单模光纤标准单模光纤 标准单模光纤是指零色散波长在标准单模光纤是指零色散波长在1.3 m窗口的单模光纤，国际电信联盟窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITU-T)把这种光纤规范为把这种光纤规范为G.652光纤。这属于光纤。这属于第一代单模光纤。第一代单模光纤。其特点是当工作波长在其特点是当工作波长在1.3 m时，光纤时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。素，即光纤衰减所限制。第70页，本讲稿共96页G.652光纤在光纤在1.3 m波段的损耗较大，约为波段的损耗较大，约为0.30.4dB/km；在；在1.55 m波段的损耗较小，约为波段的损耗较小，约为0.20.25dB/km。色散在色散在1.3 m波段为波段为 3.5ps/nm km，在，在1.55 m波段波段较大，约为较大，约为20ps/nm km。这种光纤可支持用于在这种光纤可支持用于在1.55 m波段的波段的2.5Gb/s的干的干线系统，但由于色散较大，若传输线系统，但由于色散较大，若传输10Gb/s的信号，的信号，传输距离超过传输距离超过50km时，就要求使用价格昂贵的色时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。散补偿模块。另外另外,使用它增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以使用它增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以不适用于不适用于DWDM系统。系统。G.652标准单模光纤标准单模光纤第71页，本讲稿共96页G.653色散移位光纤色散移位光纤G.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上，这不仅使工程应用受到一定的限制，而且作波长上，这不仅使工程应用受到一定的限制，而且在在1.3 m的光纤放大器开发应用之前，使不经过的光纤放大器开发应用之前，使不经过光光-电转换过程的全光通信无法实现。电转换过程的全光通信无法实现。为此，在为此，在80年代中期，开发成功了一种把零色散年代中期，开发成功了一种把零色散波长从波长从1.3 m移到移到1.55 m的色散移位光纤的色散移位光纤(DSF,Dispersion-ShiftedFiber)。ITU把这种光纤的规范为把这种光纤的规范为G.653。这属于第二代单模光纤。这属于第二代单模光纤。第72页，本讲稿共96页光纤的色散特性光纤的色散特性第73页，本讲稿共96页由色散移位光纤到非零色散光纤由色散移位光纤到非零色散光纤然而，色散移位光纤在然而，色散移位光纤在1.55 m色散为零，不利于色散为零，不利于多信道的多信道的WDM传输，因为当复用的信道数较多时，传输，因为当复用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种称为四波混频信道间距较小，这时就会发生一种称为四波混频(FWM，FourWaveMixing)的非线性光学效应，的非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输波长混合，产生新的、这种效应使两个或三个传输波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致信道间发生串扰。有害的频率分量，导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分的干扰就会十分严重；如果有微量色散，严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。干扰反而还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型光纤，针对这一现象，科学家们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤即非零色散光纤(NZ-DSF)。第74页，本讲稿共96页G.654衰减最小光纤衰减最小光纤为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学家们开发了一种应用于家们开发了一种应用于1.55 m波长的纯石波长的纯石英芯单模光纤。英芯单模光纤。在在1.55 m波长附近衰减最小，仅为波长附近衰减最小，仅为0.185dB/km。在在1.3 m波长区域色散为零，但在波长区域色散为零，但在1.55 m波长区域色散较大，约为波长区域色散较大，约为1720ps/(nm km)。ITU把这种光纤规范为把这种光纤规范为G.654光纤。光纤。第75页，本讲稿共96页G.655非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤实质上是一种改进的色散非零色散光纤实质上是一种改进的色散移位光纤。移位光纤。其零色散波长不在其零色散波长不在1.55 m，而是在，而是在1.525 m或或1.585 m处。处。在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到道数据速率达到10Gb/s，而不需要色散，而不需要色散补偿。补偿。第76页，本讲稿共96页G.655非零色散光纤非零色散光纤消除了色散效应和四波混频效应；消除了色散效应和四波混频效应；而标准光纤和色散移位光纤都只能克服而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种；这两种缺陷中的一种；所以非零色散光纤综合了标准光纤和色所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度级改造，它特别适合于高密度WDM系统系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。纤通信系统的最佳传输介质。第77页，本讲稿共96页非零色散光纤举例非零色散光纤举例AT&T研制的真波光纤研制的真波光纤(TrueWaveTM)美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤(LeafFiber)阿尔卡特的特锐光纤阿尔卡特的特锐光纤(TeraLightTM)国内长飞公司的大保实光纤等国内长飞公司的大保实光纤等第78页，本讲稿共96页全波光纤全波光纤第79页，本讲稿共96页全波光纤全波光纤为为了了将将DWDM系系统统应应用用于于城城域域网网，仅仅使使用用现现有有的的波波段段还还是是不不够够的的，为为此此光光纤纤制制造造商商在在1380nm波波长长附附近近，把把OH离离子子浓浓度度降降到到了了10-8以以下下，消消除除了了（13601460）nm波波段段的的损损耗耗峰峰，使使该该波波段段的的损损耗耗也也降降低低到到0.3dB/km左左右右，可可应应用用于于光光纤纤通通信信，而而且且色色散散值值也也小小，所所以以在在相相同同比比特特率率下下传传输输的的距距离离更更长长。该该波波段段就就是是E波波段段(Extendedwavelengthband)，它位于，它位于O波段和波段和S波段之间。波段之间。全全波波光光纤纤，顾顾名名思思义义，就就是是在在光光纤纤的的整整个个波波段段，从从1280nm开开始始到到1675nm终终止止，都都可可以以用用来来通通信信，与与常常规规光光纤纤相相比比，全全波波光光纤纤应应用用于于DWDM，可可使使信信道道数数增增加加50%，这这就就为为DWDM系系统统应应用用于城域网创造了条件。于城域网创造了条件。第80页，本讲稿共96页色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF,DispersionCompensatingFiber)是具有大的负是具有大的负色散光纤。色散光纤。它是针对现已敷设的它是针对现已敷设的1.3 m标准单模光纤而设计的一种单模标准单模光纤而设计的一种单模光纤。光纤。为了使现已敷设的为了使现已敷设的1.3 m光纤系统采用光纤系统采用WDM/EDFA技术，技术，就必须将光纤的工作波长从就必须将光纤的工作波长从1.3 m改为改为1.55 m。而标准光纤在而标准光纤在1.55 m波长的色散不是零，而是正的波长的色散不是零，而是正的1720ps/(nm km),并且具有正的色散斜率，所以必须在这些光纤中加并且具有正的色散斜率，所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速率、大容量、长距离的通线路的总色散近似为零，从而实现高速率、大容量、长距离的通信。信。第81页，本讲稿共96页光纤的选择光纤的选择对光纤的基本要求是：对光纤的基本要求是：从发射光源耦合进光纤的光功率最大；从发射光源耦合进光纤的光功率最大；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体的设计要根据使用条件进行折衷。具体的设计要根据使用条件进行折衷。第82页，本讲稿共96页衰衰减减在选定的波长在选定的波长,衰减要足够小，以使在满衰减要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离尽可能大。中继距离尽可能大。设计系统时，要考虑连接器、接头和耦设计系统时，要考虑连接器、接头和耦合器的损耗和系统工作所需的余量。合器的损耗和系统工作所需的余量。为此，要正确选择工作波长和光纤类型为此，要正确选择工作波长和光纤类型。第83页，本讲稿共96页耦合损耗耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗;纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；但要增加检测器耦合损耗但要增加检测器耦合损耗;为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器上。上。为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检测器面积小，所以不能采用增大检测器光敏面的测器面积小，所以不能采用增大检测器光敏面的办法来减小耦合损耗。办法来减小耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，适合于采用发光管适合于采用发光管(LED)的系统。的系统。第84页，本讲稿共96页连接器损耗连接器损耗包括连接器和接头的损耗。包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层同心度误差要尽可能小，以得到最小连同心度误差要尽可能小，以得到最小连接损耗。接损耗。提高光纤的几何精度，要增加制造成本；提高光纤的几何精度，要增加制造成本；增大纤芯尺寸和数值孔径，可以减小几增大纤芯尺寸和数值孔径，可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但与增何公差对连接损耗的不利影响，但与增大带宽相矛盾。大带宽相矛盾。第85页，本讲稿共96页色散和带宽色散和带宽为使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色为使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色散要