光纤通信技术与设备PPT讲稿.ppt

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1、光纤通信技术与设备第1页，共86页，编辑于2022年，星期五第第2章章 光纤与光缆光纤与光缆2.1 光纤2.2 光纤的特性2.3 单模光纤与多模光纤2.4 光缆第2页，共86页，编辑于2022年，星期五2.1 光纤目标目标了解光纤的结构与分类掌握光纤的导光机理掌握光纤的标准与应用掌握光纤的损耗特性、色散特性掌握光缆的结构与种类掌握光缆的型号、色谱与端别第3页，共86页，编辑于2022年，星期五光纤光纤在光通信中，长距离传输光信号所需要的光波导是一种叫做光导纤维（简称光纤）的圆柱体介质波导。所谓“光纤”就是工作在光频下的一种介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。第4页，共86页，编辑于202

2、2年，星期五2.1.1 光纤的结构与分类光纤的结构与分类光纤（Optical Fiber，OF）就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般光纤的结构如图2-1所示，可以分为三层：折射率较大的为纤芯、折射率较低的为包层和外涂覆层，纤芯和包层的结构满足导光要求，控制光波沿纤芯传播；涂覆层主要起保护作用（因不作导光用，故可染成各种颜色）。1.光纤的结构第5页，共86页，编辑于2022年，星期五图2-1 一般光纤的结构 第6页，共86页，编辑于2022年，星期五光纤的组成部分（1）纤芯 纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约580m），其成份是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少

3、量的掺杂剂如二氧化锗，五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率（n1）。通信用的光纤，其纤芯的直径为510m（单模光纤）或5080m（多模光纤）。（2）包层 包层位于纤芯的周围（其直径d2约125m），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率。为满足不同导光的要求，包层可做成单层，也可做成多层。（3）涂敷层 光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与可弯曲性。涂覆层一般分为一次涂覆和二次涂覆层。二次涂覆层是在一次涂覆层的外面再涂上一层热塑材料，故又

4、称为套塑。一般涂敷后的光纤外径约1.5cm。第7页，共86页，编辑于2022年，星期五2.光纤的分类目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射率分布分类、按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光纤与塑料光纤等。（1）按光纤剖面折射率分布分类阶跃型光纤与渐变型光纤第8页，共86页，编辑于2022年，星期五1）阶跃型光纤阶跃型光纤：是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别为n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的。阶跃光纤的折射率分布如图2-2所示。第9页，共86

5、页，编辑于2022年，星期五2）渐变型光纤渐变型光纤：是指光纤轴心处的折射率最大（n1），而沿剖面径向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2。渐变光纤的折射率分布如图2-3所示。第10页，共86页，编辑于2022年，星期五2.光纤的分类（2）按传播模式分类多模光纤与单模光纤在工作波长一定的情况下，光纤中存在有多个传输模式，这种光纤就称为多模光纤。多模光纤的横截面折射率分布有均匀的和非均匀两种。前者也叫阶跃型多模光纤，后者称为渐变型多模光纤。多模光纤的传输特性较差，带宽较窄，传

6、输容量较小。在工作波长一定的情况下，光纤中只有一种传输模式的光纤，这种光纤就称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间的传输时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高速传输是非常重要的。第11页，共86页，编辑于2022年，星期五2.光纤的分类（3）按工作波长分类短波长光纤与长波长光纤短波长光纤：在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在0.60.9m范围内（典型值为0.85m），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。短波长光纤属早期产品，目前很少采用。长波长光纤：后来随着研究工作的不断深入，人们发现在波长1.31m和1.55m附近，石英光纤的衰耗急剧下降。

7、不仅如此，而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此，人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在1.02.0m波长范围的光纤称之为长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。第12页，共86页，编辑于2022年，星期五2.光纤的分类（4）按套塑类型分类紧套光纤与松套光纤 1）紧套光纤：是指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯，包层等紧密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多。2）松套光纤：是指经过予涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再进行二次、三次涂敷。第13页，共86页，编辑于2022年，星

8、期五2.1.2 光纤的导光机理光纤的导光机理光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论，甚至量子场论方面的知识。为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。第14页，共86页，编辑于2022年，星期五1.全反射原理当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象。光的反射与折射如图2

9、-4所示。根据光的反射定律，反射角等于入射角。根据光的折射定律：n1sin1=n2sin2。其中，n1为纤芯的折射率；n2为包层的折射率。第15页，共86页，编辑于2022年，星期五全反射现象显然，若n1n2，则会有21。如果n1与n2的比值增大到一定程度，就会使折射角290，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过（2=90时），或者重返回到纤芯中进行传播（290时）。这种现象叫做光的全反射现象，如图2-5所示。第16页，共86页，编辑于2022年，星期五2.光在阶跃光纤中的传播（1）光纤中光射线的传播 图2-6 光纤中的射线 第17页，共86页，编辑于2022年，星期五（

10、2）子午线在阶跃型光纤中的传播 图2-7 光纤中的子午线传播 第18页，共86页，编辑于2022年，星期五（3）数值孔径 由于n1与n2差别较小，所以sin00，定义sin0为光纤的数值孔径NA：光纤产生全反射时光纤端面最大入射角的正弦值sin0称为光纤的数值孔径。一般用NA（Numerical Aperture）表示，此式表示了光纤收集光的能力。凡是入射光线的入射角小于圆锥角0以内的光线都可以满足全反射条件，将被束缚在纤芯中沿轴向传播。可见，光纤的数值孔径与相对折射率差的平方根成正比，也就是说光纤纤芯与包层的折射率相差越大，则光纤的数值孔径越大，其集光能力越强。第19页，共86页，编辑于20

11、22年，星期五3.光在渐变光纤中的传播渐变型光纤纤芯的折射率不是常数，它随光纤半径的增加而逐渐减小到等于包层的折射率，如图2-8所示。第20页，共86页，编辑于2022年，星期五2.2 单模光纤与多模光纤2.2.1 单模光纤单模光纤只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），它不只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几十要的。单模光纤的带宽一般都在几十GHzk

12、m以上。以上。阶跃型单模光纤的结构如图阶跃型单模光纤的结构如图2-9所示。所示。图图2-9 阶跃型单模光纤的结构阶跃型单模光纤的结构第21页，共86页，编辑于2022年，星期五表2-1 B1.1类单模光纤的结构尺寸参数 光 纤 类 别B1.11310模场直径/m包层直径/m1310nm芯同心度误差/m包层不圆度/涂覆层直径（未着色）/m涂覆层直径（着色）/m包层/涂覆层同心度误差/m（8.69.5）0.712510.82245102501512.5第22页，共86页，编辑于2022年，星期五表2-2 B4类单模光纤的结构尺寸参数 光 纤 类 别B41550nm模场直径/m包层直径/m1550n

13、m芯同心度误差/m包层不圆度/涂覆层直径（未着色）/m涂覆层直径（着色）/m包层/涂覆层同心度误差/m（8.011.0）0.712510.82245102501512.5第23页，共86页，编辑于2022年，星期五2.2.2 单模光纤的标准与应用单模光纤的标准与应用单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点，作为一种理想的光通信传输媒介，在全世界得到极为广泛的应用。按照零色散波长和截止波长位移与否可将单模光纤分为五种，国际电信联盟电信标准化部门ITU-T在2000年10月对其中四种单模光纤已给出建议：G.652、G.653、G.654和G.655光纤。单模光纤的分类、名称，IE

14、C和ITU-T命名对应关系如图2-10所示。第24页，共86页，编辑于2022年，星期五图2-10 各单模光纤对应关系 第25页，共86页，编辑于2022年，星期五1.G.652非色散位移单模光纤（1）常规单模光纤 常规单模光纤的性能特点是：n在1310nm波长处的色散为零。n在波长为1550nm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1550nm附近其具有最大色散系数，为17ps/（nmkm）。n这种光纤工作波长即可选在1310nm波长区域，又可选在1550nm波长区域，它的最佳工作波长在1310nm区域。这种光纤常称为“常规”或“标准”单模光纤。常规单模光纤（G.652A和G.652

15、B）的色散如图2-11所示。常规单模光纤的传输性能及其应用场所见表2-3。第26页，共86页，编辑于2022年，星期五图2-11 G652A/B光纤的色散第27页，共86页，编辑于2022年，星期五表2-3 常规单模光纤的传输性能及其应用场所 性能模场直径/m截止波长cc/m零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dBkm-1最大色散系数/psnm-1km-1要求值1310nm（8.69.5）0.7cc127013101310或15501310nm0.401550nm0.251310nm:01550nm:17应用场合最广泛用于数据通信和模拟图像传输媒介，其缺点是工作波长为1550nm时色散

16、系数高达17psnm-1km-1阻碍了高速率、远距离通信的发展。第28页，共86页，编辑于2022年，星期五（2）低水峰单模光纤 低水峰单模光纤的优点：1）波段宽。由于降低了水峰使光纤可在12801625nm全波段进行传输，即全部可用波段比常规单模光纤G.652增加约一半，同时可复用波长数也大大增多，故IEC又将低水峰光纤命名B1.3光纤，即波长段扩展的非色散位移单模光纤。2）色散小。在12801625nm全波长区，光纤的色散仅为1550nm波长区的一半，这样就易实现高速率、远距离传输。例如，在140nm波长附近，10Gbit/s速率的信号可以传输200km，而无需色散补偿。3）改进网管。可以

17、分配不同的业务给最适合这种业务的波长传输，改进网络管理。例如，在1310nm波长区传输模拟图像业务，在13501450nm波长区传输高速数据（10Gbit/s）业务，在1450nm以上波长区传输其它业务。4）系统成本低。光纤可用波长区拓宽后，允许使用波长间隔宽、波长精度和稳定度要求低的光源、合（分）波器和其它元件，网络中使用有源、无源器件成本降低，进而降低了系统的成本。全波单模光纤的性能及应用场合见表2-4。第29页，共86页，编辑于2022年，星期五表2-4 全波单模光纤的性能及应用场合 性能模场直径/m截止波长/nm零色散波长o/nm工作波长/nm最大衰减系数/dBkm-1要求值1310n

18、m9.30.51550nm10.51.0cc1270c1250cj125013001322128016251310nm:0.351385nm:0.311550nm:0.210.25应用场合这种光纤的优点是工作波长范围宽，即12801625nm，故其主要用于密集波分复用的城域网的传输系统，它可提供120个或更多的可用信道。第30页，共86页，编辑于2022年，星期五2.G.653色散位移单模光纤 色散位移单模光纤是通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将最小零色散点从1310nm位移到1550nm，实现1550nm处最低衰减和零色散波长一致，并且在掺铒光纤放大器15301

19、565nm工作波长区域内。色散位移光纤的富有生命力的应用场所为单信道数千里的信号传输的海底光纤通信系统。另外，陆地长途干线通信网也已敷设一定数量的色散位移光纤。色散位移单模光纤的性能及应用场合见表2-5。第31页，共86页，编辑于2022年，星期五表2-5 色散位移单模光纤的性能及应用场合 性能模场直径/m截止波长/nm零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dBkm-1色散系数/psnm-1km-1要求值1310nm:8.3cc1270c1250cj1270155015501550nm0.2515251575nm:3.5应用场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长衰减系数和色散系数均很

20、小。它最适用于单信道几千公里海底系统和长距离陆地通信干线。第32页，共86页，编辑于2022年，星期五3.G.654截止波长位移单模光纤 1550nm截止波长位移单模光纤是非色散位移光纤（ITU-T G.654光纤），其零色散波长在1310nm附近，截止波长移到了较长波长，在1550nm波长区域衰减极小，最佳工作波长范围为15001600nm。获得低衰减光纤的方法是：n使用纯石英玻璃作为纤芯和掺氟的凹陷包层。n以长截止波长来减小光纤对弯曲附加损耗的敏感。1550nm截止波长位移单模光纤的性能及应用场合见表2-6。第33页，共86页，编辑于2022年，星期五表2-6 1550nm截止波长位移单模

21、光纤的性能及应用场合 性能模场直径/m截止波长/nm零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dBkm-1最大色散系数/psnm-1km-1要求值1550nm:10.5cc15301350c1600131015501550nm0.201550nm:20应用场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长衰减系数极小，其抗弯曲性能好。它主要用于远距离无需插入有源器件的无中继海底光纤通信系统，其缺点是制造困难，价格昂贵。第34页，共86页，编辑于2022年，星期五4.G.655非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤 非零色散位移单模光纤是在1994年美国朗讯和康宁专门为新一代带有光纤放大器的波分复用

22、传输系统设计和制造的新型光纤（ITU-T G.655光纤）。这种光纤是在色散位移单模光纤的基础上通过改变折射剖面结构的方法来使得光纤在1550nm波长色散不为零，故其被称为“非零色散位移”单模光纤。低色散斜率非零色散位移单模光纤、大有效面积非零色散位移单模光纤和色散平坦光纤。第35页，共86页，编辑于2022年，星期五（1）非零色散位移单模光纤 三种G.655光纤的色散斜率的比较如图2-13所示。图2-13 三种G.655光纤的色散斜率的比较 第36页，共86页，编辑于2022年，星期五（2）低色散斜率非零色散位移单模光纤 所谓色散斜率指光纤的色散随波长而变化的速率，又称高阶色散。在长途WDM

23、传输系统中，由于色散的积累，各通路的色散都随传输距离的延长而增大。然而，由于色散斜率的作用，各通路的色散积累量是不同的，位于两侧的边缘通路间的色散积累量差别最大。当传输距离超过一定值后，会使具有较大色散积累量的通路的色散值超标，从而限制了整个WDM系统的传输距离。为此，1998年美国朗讯科技公司研发出一种低色散斜率G.655光纤（真波RS光纤）。光纤色散斜率已从0.07ps/（nm2km）降至0.05ps/（nm2km）以下。低色散斜率非零色散位移单模光纤的色散一致性在整个第三和第四波段应用窗口上提供了数值有限的色散，消除了四波混频的非线性效应。非色散位移单模光纤是专门为1310nm系统而设计

24、的，可降低损耗，获得最大带宽。当光纤用于高容量放大系统中时，光纤在1550nm波长处的高色散（大约为17ps/（nmkm）可能会需要增加色散补偿或传输设备的成本。与非色散位移单模光纤和其它G.655光纤相比，低色散斜率非零色散位移单模光纤的色散补偿成本最低。第37页，共86页，编辑于2022年，星期五（3）大有效面积非零色散位移单模光纤 大有效面积非零色散位移单模光纤提供更大光功率承受能力，改善了光信噪比，延长了光放大器距离，增加了密集波分复用信道数等。大有效面积光纤的关键性能优点是降低了各种非线性效应（见图2-14）。因为非线性效应是当今DWDM系统最大的性能约束条件。图2-14 大有效面积

25、光纤增大了纤芯的导光面积 第38页，共86页，编辑于2022年，星期五表2-7 非零色散位移单模光纤的性能及应用场合 性能模场直径/m截止波长/nm非零色散区/nm工作波长/nm衰减系数/dBkm-1非零色散区色散系数/psnm-1km-1要求值1550nm：8110.7cc1480c1470cj148015301565153015651550nm:0.251625nm:0.30应用场合这种光纤的优点是在1550nm处有一低的色散，保证抑制FWM等非线性效应，使得其能用在EDFA和波分复用结合的传输速率在10Gbit/s以上的WDM和DWDM的高速传输系统中。第39页，共86页，编辑于2022

26、年，星期五5.色散平坦单模光纤色散平坦单模光纤 色散平坦单模光纤的性能和应用场合见表2-8。表2-8 色散平坦单模光纤的性能和应用场合 性能模场直径/m截止波长/nm零色散波长/nm工作波长/nm最大衰减系数/dBkm-1最大色散系数/psnm-1km-1要求值1310nm:81550nm:1112701310和1550131015501310nm:0.251550nm:0.301310nm:01550nm:0应用场合这种光纤的优点是在13101550nm工作波长范围内低色散。第40页，共86页，编辑于2022年，星期五6.色散补偿单模光纤色散补偿单模光纤 色散补偿单模光纤是一种在1550nm

27、波长处有很大的负色散的单模光纤，当前实验色散补偿单模光纤的色散系数为50-548ps/（nmkm），衰减一般为0.51.0dB/km。色散补偿单模光纤的性能及应用场合见表2-9。表2-9 色散补偿单模光纤的性能及应用场合 性能模场直径/m截止波长/nm零色散波长/nm工作波长/nm衰减系数/dBkm-1色散系数/psnm-1km-1要求值1550nm:61260155015501550nm:1.001550nm:-80-150应用场合这种光纤的优点是在1550nm工作波长范围内有很大的负色散，其主要用作G.652光纤工作波长由1310nm扩容升级至1550nm的进行色散补偿。第41页，共86页

28、，编辑于2022年，星期五2.2.3 多模光纤多模光纤 多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模式。梯度型多模光纤结构和阶跃型多模光纤结构如图2-15、图2-16 所示。通常，光纤的纤芯用来导光，包层保证光全反射只发生在芯内，涂覆层则为保护光纤不受外界作用和吸收诱发微变的剪切应力。当今常用的AI类多模光纤的结构尺寸参数见表2-10。第42页，共86页，编辑于2022年，星期五图2-15 梯度型多模光纤结构 图2-16 阶跃型多模光纤结构第43页，共86页，编辑于2022年，星期五表2-10 Al类多模光纤的结构尺寸参数 光 纤 结 构AlaAlbAl

29、cAld纤芯直径/m包层直径/m芯/包同心度/m芯不圆度/包层不圆度/包层直径（未着色）/m包层直径（着色）/m5031252362245102501562.5312533622451025015853125366224510250151005140466425025第44页，共86页，编辑于2022年，星期五2.2.4 多模光纤的标准与应用多模光纤的标准与应用 1.梯度型多模光纤四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合见表2-11。表2-11 四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合 光纤类型芯/包直径/m工作波长/m带宽/MHz数值孔径衰减系数/dBkm-1应用场合AlaAlbAlcAld50

30、/12562.5/12585/125100/1250.85，1.300.85，1.300.85，1.300.85，1.302001500300100010010001005000.200.240.260.290.260.300.260.290.81.50.82.02.03.04.0数据链路、局域网数据链路、局域网局域网、传感等局域网、传感等第45页，共86页，编辑于2022年，星期五2.阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤 A2、A3和A4三类阶跃型多模光纤的传输性能和应用场合见表2-12。表2-12 三类阶跃型多模光纤的传输性能及应用场合 光 纤 类 型A2a A2b A2cA3a A3b A3cA

31、4a A4b A4c芯/包直径/m工作波长/m带宽/MHz数值孔径衰减系数/dB/km典型选用长度/m100/140200/240200/2800.85A2a10A2b=0.230.26 A2c10U12000200/300200/380200/2300.8550.40101000980/1000730/750480/5000.65100.5040dB/0.1km100应用场所短距离信息传输、楼内局部布线、传感器等第46页，共86页，编辑于2022年，星期五2.3 光纤的特性光纤的特性 2.3.1 光纤的损耗特性光纤的损耗特性光纤的损耗将导致传输信号的衰减，所以把光纤的损耗又称衰减。光信光纤的

32、损耗将导致传输信号的衰减，所以把光纤的损耗又称衰减。光信号在光纤中传输，随着距离延长光的强度随之减弱，其规律为号在光纤中传输，随着距离延长光的强度随之减弱，其规律为式中，式中，P（0）为输入光纤的光功率，即）为输入光纤的光功率，即z=0处注入光功率；处注入光功率；P（z）为传输）为传输距离距离z处的光功率；处的光功率；（）为波长）为波长处的光纤衰减系数，当处的光纤衰减系数，当z=L时，光纤衰时，光纤衰减系数定义为减系数定义为（）10/Llg（P（0）/P（L）（dB/km）。）。当工作波长为当工作波长为时，在光纤上两个相距时，在光纤上两个相距L km的总衰减的总衰减A（），用下式表示：），用下

33、式表示：A（）（）L（dB）光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平的不断提高，即光纤损耗的不断降低光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平的不断提高，即光纤损耗的不断降低而发展起来的。光纤损耗是决定光纤通信系统中继距离的主要因素之一。造而发展起来的。光纤损耗是决定光纤通信系统中继距离的主要因素之一。造成光纤损耗的原因很多，主要是吸收损耗、散射损耗和附加损耗。其损耗产成光纤损耗的原因很多，主要是吸收损耗、散射损耗和附加损耗。其损耗产生机理也非常复杂。以下以石英系光纤为例分别讨论各种原因所引起的损耗。生机理也非常复杂。以下以石英系光纤为例分别讨论各种原因所引起的损耗。第47页，共86页，编辑于2022年，星

34、期五1吸收损耗吸收损耗吸收损耗主要包括：本征吸收、杂质吸收（OH基）和结构缺陷吸收。本征吸收有红外和紫外吸收。红外吸收是光通过由SiO2构成石英玻璃时分子共振引起的光能吸收现象。例如，Si-O的吸收峰分别为9.1m、12.5m、21.3m。如在9.1m的吸收损耗高达1010dB/km。紫外吸收是通过光波照射激励电子跃迁至高能级时吸收的能量。这种吸收发生在紫外波长区，故通常为紫外吸收。杂质吸收是玻璃材料中含有铁、铜等过渡金属离子和OH-离子，在光波激励下由离子振动产生的电子阶跃吸收光能而产生的损耗。例如，在1.39m处，OH-离子浓度含量lppm时产生的衰减为60dB/km。第48页，共86页，

35、编辑于2022年，星期五2散射损耗散射损耗散射损耗是以散射的形式将光能辐射出光纤外的损耗。其原因是由于光纤内部的密度不均匀引起的。光纤中产生的散射损耗主要有瑞利散射、米氏散射、受激布里渊散射、受激拉曼散射、附加结构缺陷和弯曲散射、泄露散射。光纤制造时，熔融态玻璃分子的热运动引起其结构内部的密度和折射率起伏致使引起对光的散射。比光波长小得多的粒子引起的散射称为瑞利散射。与光波同样大小的粒子引起的散射称为米氏散射。引起光纤损耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有与短波长的1/4成正比的性质，即aR=A/4。式中，比例系数A与玻璃结构、玻璃组成有关。一般，玻璃转变温度高、组成复杂的，具有瑞利散射损耗大

36、的趋势。瑞利散射受到照射光强作用。受激布里渊散射和受激拉曼散射，则存在于光能密度超过某一高值，光与媒介相互作用产生的。第49页，共86页，编辑于2022年，星期五3附加损耗附加损耗 光纤损耗原因归纳如图2-18所示。图2-18 光纤损耗原因归纳 第50页，共86页，编辑于2022年，星期五2.3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性 对于数字信号，经光纤传播一段距离后，色散会引起光脉冲展宽，严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰。因此，色散决定了光纤的传输带宽，限制了系统的传输速率或中继距离。色散和带宽是从不同的领域来描述光纤的同一特性的。根据色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式色散、材料色

37、散、波导色散和偏振模色散。第51页，共86页，编辑于2022年，星期五1模式色散模式色散 模式色散一般存在于多模光纤中。因为，在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向的群传播速度是不同的，它们到达终端时，必定会有先有后，出现时延差，形成模间色散，从而引起脉冲宽度展宽，模式色散的脉冲展宽如图2-19所示。图2-19 模式色散的脉冲展宽 第52页，共86页，编辑于2022年，星期五多模阶跃光纤的模式色散如图2-20所示。在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播的光线和以临界角c入射的光线。因此，在阶跃型多模光纤中最大色散是光线所用时间max和光线所用时间min到达终端的时

38、间差max：max=maxmin。图2-20 多模阶跃光纤的模式色散 第53页，共86页，编辑于2022年，星期五2.材料色散材料色散 由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度不同，引起传输时延差的现象，就称为材料色散。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的线谱宽度。在数字光纤通信系统中，实际使用的光源的输出光并不是单一波长，而是具有一定的谱线宽度。由于光纤材料的折射率是波长的函数，光在其中的传播速度V（）=C/n（）也随光波长而变。当具有一定谱线宽度的光源所发出的光脉冲入射到单模光纤内传输时，不同波长的光脉冲将有不同的传播速度，在到达输出端时将产生时延差，从

39、而使脉冲展宽。这就是材料色散的产生机理。第54页，共86页，编辑于2022年，星期五3.波导色散波导色散 波导色散是针对光纤中某个导模而言的，在不同的波长下，其相位常数不同，从而群速度不同，引起色散。波导色散还与光纤的结构参数、纤芯与包层的相对折射率差等多方面的原因有关，故也称为结构色散。不过波导色散很小，用色散系数Dw表示：（ps/(nmkm)）式中，为相对折射率差；n1为纤芯折射率；V为归一化频率；b=W2/V2归一化相位常数；W为归一化衰减常数。同理可得，光纤的波导色散可用下式计算：=DwL。第55页，共86页，编辑于2022年，星期五4偏振模色散偏振模色散 偏振模色散是单模光纤特有的一

40、种色散。由于单模光纤中实际上传输的是两个相互正交的偏振模，它们的电场各沿x、y方向偏振，分别记作LPx01和LPy01，其相位常数x，y不同，相应的群速度不同，从而引起偏振模色散：式中，=x-y；为光的角频率。综上所述，在多模光纤中存在着模式色散、材料色散和波导色散三种色散，而且在这三种色散之中：模式色散材料色散波导色散。在单模光纤中，模式色散为零，其色散主要是材料色散、波导色散和偏振模色散，而且材料色散占主导，波导色散较小，偏振模色散一般可以忽略。因此光纤色散可表示为多模光纤色散：=M2+m2+w21/2单模光纤色散：=m2+w2+021/2不过单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材料色

41、散和波导色散的共同影响。第56页，共86页，编辑于2022年，星期五5.光纤的带宽光纤的带宽 光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。事实上，色散描述的是光脉冲经过传输后在时间座标轴上展宽的程度，是光纤特性在时域的描述。而带宽是这一特性在频域中的描述。ITU-T建议规定光纤的带宽是每公里带宽，为 L公里的光纤带宽：第57页，共86页，编辑于2022年，星期五2.3.3 光纤的光学特性和几何特性光纤的光学特性和几何特性 1几何特性几何特性 几何特性有芯径、包层的尺寸和对芯/包层同心度、不圆度等。（1）芯直径 芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定多模光纤的芯直径为（503）m。（2）外径

42、光纤的外径是指裸纤的直径。无论多模光纤、单模光纤，ITU规定通信用光纤的外径，均为（1253）m。（3）芯/包层同心度和不圆度 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=（DmaxDmin）/Dco式中，Dmax和Dmin是芯（包层）的最大和最小直径；Dco是芯（包层）的标准直径。第58页，共86页，编辑于2022年，星期五2光学特性光学特性（1）折射率分布 多模光纤的折射分布，决定光纤带宽和连接损耗。单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择。光纤折射率的通式：n（r）=n（0）1-2（r/a）g1/2（2）最大理论数值孔径 光纤的

43、数值孔径（NA）对光源耦合效率、光纤损耗时微弯的敏感性和带宽有着密切的关系，数值孔径大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。最大理论数值孔径的定义为：第59页，共86页，编辑于2022年，星期五（3）模场直径 模场直径的定义，可以根据基模场E01传输函数来表示，即在基模场E01（r）传输函数与横轴径向r的关系曲线上两个1/e点之间的宽度就是模场直径。模场直径估算：2S0=2/（n1）（4）截止波长（单模传输条件）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，在于它不是恒定，而是随着长度不同而改变。要求单模光纤的截止波长一定

44、要小于光通信系统的工作波长。目前光纤的截止波长为1.101.28m。相对折射率差及剖面形状决定。第60页，共86页，编辑于2022年，星期五2.3.5 光纤的非线性效应光纤的非线性效应 1非线性效应的产生非线性效应的产生 当今在带有掺铒放大器密集波分复用大容量、高速度的光纤通信系统中，光纤中传输的工作波长多、功率大，大的光功率可能引起信号与光纤的相互作用而产生各种非线性效应，如果不予以适当抑制，这些非线性效应会严重的影响系统的性能和限制再生中继距离。线性或非线性指的是光在传输媒质的性质，而非光本身性质。但光场的存在使得媒质的性质特性发生了变化。当媒质受强光场的作用，组成媒质的原子或分子内的电子

45、发生位移或振动，使媒质产生极化，极化后的媒质内出现偶极子，这些偶极子辐射出相同频率的电磁波叠加到原入射场上，成为媒质内的总光场。这说明媒质特性变化又反过来影响光场。光纤的非线性可分为两类：非线性受激散射和折射率扰动。第61页，共86页，编辑于2022年，星期五2受激散射受激散射 受激散射是指光场把部分能量转移给非线性介质。非线性受激散射发生在当光信号与光纤中的声波或系统振动的相互作用的调制系统中。受激拉曼散射和受激布里渊散射就属于此类。1）受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）是介质中的分子振动对入射光（称为泵浦光）的调制（相互作用），从而对入射光产生散

46、射作用。设入射光频率为p，介质分子振动频率为v，则散射光频率为S=p-v和aS=p+v，这种现象叫受激拉曼散射。2）受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）是一种由光纤中的光信号和声波（机械振动技术上称为声波）之间的相互作用所引起的非线性现象。第62页，共86页，编辑于2022年，星期五3折射率扰动折射率扰动 折射率扰动引起的三种非线性效应为：自相位调制、交叉相位调制和四波混频。1）自相位调制（Self Phase Modulation，SPM）是指传输过程中光脉冲对自身相位变化，导致脉冲频谱展宽的现象。自相位调制与“自聚焦”有密切联系，如果十分

47、严重，那么在密集波分复用系统中，光谱展宽会重叠进入邻近的信道。2）交叉相位调制（Cross Phase Modulation，CPM）是一个脉冲对其它信道脉冲相位的作用。当两个或多个不同波长的光波在光纤的非线性相互作用.其产生方式与SPM相同。CPM与SPM所不同的是SPM发生在单信道和多信道系统中，而CPM则仅出现在多信道系统中。3）四波混频（Four Wave Mixing，FWM）是指由两个或三个波长的光波混合后产生的新光波，其产生原理如图2-24所示。在系统中，某一波长的入射光会改变光纤的折射率，从而在不同频率处发生相位调制，产生新的波长。第63页，共86页，编辑于2022年，星期五图

48、2-24 四波混频产生原理 第64页，共86页，编辑于2022年，星期五2.3.4 光纤的机械特性与温度特性光纤的机械特性与温度特性 1光纤强度光纤强度实用化光纤的抗张强度，要求240g拉力。目前商品化光纤的强度已达到0.5应变即432g拉力，国内用于工程的光纤，一般都大于400g拉力；国外较好的光纤在700g拉力以上，用于海底光缆的光纤强度还要高一些。这些对光纤强度的要求，是在光纤生产过程中用筛选方法达到的。2光纤的温度特性光纤的温度特性光纤的温度特性是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大。在高低温条件下光纤损耗都增大，这是由于光纤涂覆层、套塑层所用的材料为有机树脂和塑料比石英

49、的收缩和膨胀系数大得多，因而在低温时光纤受到轴向压缩力而产生微弯，在高温时光纤又受到轴向伸长力而产生应力导致损耗增大。光纤温特性：当随着温度的不断降低，光纤损耗就不断增大，当降至-55左右时，损耗急剧增加，显然这样的系统是无法正常运行的。目前光纤的低温特性已普遍达到较好水平，一般在-20时，损耗增加在0.ldB/km以下，优质光纤在0.05dB/km以下。第65页，共86页，编辑于2022年，星期五2.4 光缆光缆 通信光缆的结构是依据其传输用途、运行环境、敷设方式等诸多因素决定的。从大的方面讲，常用通信光缆分为室内光缆和室外光缆两大类，这里主要为大家介绍室外光缆。室外光缆的基本结构有如下几种

50、：层绞式、中心管式、骨架式。每种基本结构中既可放置分离光纤，亦可放置带状光纤。第66页，共86页，编辑于2022年，星期五1层绞式光缆层绞式光缆 层绞式光缆端面如图2-26和图2-27所示。层绞式光缆结构是由多根二次被覆光纤松套管（或部分填充绳）绕中心金属加强件绞合成圆形的缆芯，缆芯外先纵包复合铝带并挤上聚乙烯内护套，再纵包阻水带和双面覆膜皱纹钢（铝）带再加上一层聚乙烯外护层组成。层绞式光缆的结构特点是：光缆中容纳的光纤数量多，光缆中光纤余长易控制，光缆的机械、环境性能好，它适宜于直埋、管道敷设，也可用于架空敷设。第67页，共86页，编辑于2022年，星期五图2-26 层绞式光缆端面 第68页