第2章+光纤和光缆.ppt

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1、2.1 光纤结构和类型2.2 光纤传输原理2.3 光纤传输特性2.4 光缆2.5 光纤特性测量方法第 2 章 光纤和光缆返回主目录 2.1.1光纤结构 光 纤（Optical Fiber）是 由 中 心 的 纤 芯 和 外 围 的 包 层 同 轴组 成 的 圆 柱 形 细 丝。纤 芯 的 折 射 率 比 包 层 稍 高，损 耗 比 包 层更 低，光 能 量 主 要 在 纤 芯 内 传 输。包 层 为 光 的 传 输 提 供 反 射面 和 光 隔 离，并 起 一 定 的 机 械 保 护 作 用。设 纤 芯 和 包 层 的 折射 率 分 别 为n1和n2，光 能 量 在 光 纤 中 传 输 的 必

2、 要 条 件 是n1n2。纤 芯 和 包 层 的 相 对 折 射 率 差=（n1-n2）/n1的 典 型 值，一 般 单模 光 纤 为0.3%0.6%，多 模 光 纤 为1%2%。越 大，把 光 能 量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。2.1 光纤结构和类型图2.1 光纤的外形 2.1.2光纤类型 光 纤 种 类 很 多，这 里 只 讨 论 作 为 信 息 传 输 波 导 用 的 由 高 纯度 石 英（SiO2）制 成 的 光 纤。实 用 光 纤 主 要 有 三 种 基 本 类 型，图2.2示 出 其 横 截 面 的 结 构 和 折 射 率 分 布，光 线 在 纤 芯 传 播 的路

3、径，以 及 由 于 色 散 引 起 的 输 出 脉 冲 相 对 于 输 入 脉 冲 的 畸 变。这些光纤的主要特征如下。突 变 型 多 模 光 纤（Step Index Fiber,SIF）如 图2.2(a)，纤 芯 折 射 率 为n1保 持 不 变，到 包 层 突 然 变 为n2。这 种 光 纤 一 般纤 芯 直 径2a=5080 m，光 线 以 折 线 形 状 沿 纤 芯 中 心 轴 线 方 向传播，特点是信号畸变大。渐 变 型 多 模 光 纤（Graded Index Fiber,GIF）如 图2.2(b)，在 纤 芯 中 心 折 射 率 最 大 为n1，沿 径 向r 向 外 围 逐 渐

4、 变 小，直到 包 层 变 为n2。这 种 光 纤 一 般 纤 芯 直 径2a 为50m，光 线 以 正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。单 模 光 纤（Single Mode Fiber,SMF）如 图2.2(c)，折 射率 分 布 和 突 变 型 光 纤 相 似，纤 芯 直 径 只 有810 m，光 线 以 直线 形 状 沿 纤 芯 中 心 轴 线 方 向 传 播。因 为 这 种 光 纤 只 能 传 输 一个 模 式（两 个 偏 振 态 简 并），所 以 称 为 单 模 光 纤，其 信 号 畸变很小。相 对 于 单 模 光 纤 而 言，突 变 型 光 纤 和 渐 变 型 光

5、纤 的 纤 芯直 径 都 很 大，可 以 容 纳 数 百 个 模 式，所 以 称 为 多 模 光 纤。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125m。图 2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤 实 际 上，根 据 应 用 的 需 要，可 以 设 计 折 射 率 介 于SIF 和GIF 之 间 的 各 种 准 渐 变 型 光 纤。为 调 整 工 作 波 长 或 改 善 色 散 特性，可 以 在 图2.2(c)常 规 单 模 光 纤 的 基 础 上，设 计 许 多 结 构 复杂 的 特 种 单 模 光 纤。最 有 用 的 若 干 典 型 特 种 单

6、 模 光 纤 的 横 截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。双 包 层 光 纤 如 图2.3(a)所 示，折 射 率 分 布 像W 形，又 称 为W 型 光 纤。这 种 光 纤 有 两 个 包 层，内 包 层 外 直 径2a 与 纤 芯 直径2a 的 比 值a/a2。适 当 选 取 纤 芯、外 包 层 和 内 包 层 的 折 射 率n1、n2和n3，调 整a 值，可 以 得 到 在1.31.6m 之 间 色 散 变 化 很小 的 色 散 平 坦 光 纤（Dispersion Flattened Fiber,DFF），或把 零 色 散 波 长 移 到 1.55 m 的 色 散 移

7、 位 光 纤（Dispersion Shifted Fiber,DSF）。图 2.3 典型特种单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯 三 角 芯 光 纤 如 图2.3(b)所 示，纤 芯 折 射 率 分 布 呈 三 角 形，这 是 一 种 改 进 的 色 散 移 位 光 纤。这 种 光 纤 在1.55 m 有 微 量 色散，有 效 面 积 较 大，适 合 于 密 集 波 分 复 用 和 孤 子 传 输 的 长 距离 系 统 使 用，康 宁 公 司 称 它 为 长 距 离 系 统 光 纤，这 是 一 种 非零色散光纤。椭 圆 芯 光 纤 如 图2.3(c)所 示，纤 芯 折 射 率 分

8、 布 呈 椭 圆 形。这 种 光 纤 具 有 双 折 射 特 性，即 两 个 正 交 偏 振 模 的 传 输 常 数 不同。强 双 折 射 特 性 能 使 传 输 光 保 持 其 偏 振 状 态，因 而 又 称 为双折射光纤或偏振保持光纤。以 上 各 种 特 征 不 同 的 光 纤，其 用 途 也 不 同。突 变 型 多 模光 纤 信 号 畸 变 大，相 应 的 带 宽 只 有1020 MHzkm，只 能 用 于小容量（8 Mb/s 以下）短距离（几km 以内）系统。渐 变 型 多 模 光 纤 的 带 宽 可 达12 GHzkm，适 用 于 中 等 容量（34140 Mb/s）中 等 距 离（

9、1020 km）系 统。大 容 量（565 Mb/s2.5 Gb/s）长 距 离(30 km 以 上)系 统 要 用 单 模 光 纤。特 种 单 模 光 纤 大 幅 度 提 高 光 纤 通 信 系 统 的 水 平。1.55m 色 散移 位 光 纤 实 现 了10 Gb/s 容 量 的100 km 的 超 大 容 量 超 长 距 离 系统。色 散 平 坦 光 纤 适 用 于 波 分 复 用 系 统，这 种 系 统 可 以 把 传输 容 量 提 高 几 倍 到 几 十 倍。三 角 芯 光 纤 有 效 面 积 较 大，有 利于 提 高 输 入 光 纤 的 光 功 率，增 加 传 输 距 离。外 差

10、接 收 方 式 的相 干 光 系 统 要 用 偏 振 保 持 光 纤，这 种 系 统 最 大 优 点 是 提 高 接收灵敏度，增加传输距离。2.2 光纤传输原理 要 详 细 描 述 光 纤 传 输 原 理，需 要 求 解 由 麦 克 斯 韦 方 程 组导 出 的 波 动 方 程。但 在 极 限(波 数k=2/非 常 大，波 长0)条件 下，可 以 用 几 何 光 学 的 射 线 方 程 作 近 似 分 析。几 何 光 学 的方 法 比 较 直 观，容 易 理 解，但 并 不 十 分 严 格。不 管 是 射 线 方程 还 是 波 动 方 程，数 学 推 演 都 比 较 复 杂，我 们 只 选 取

11、 其 中 主要部分和有用的结果。2.2.1几何光学方法 用 几 何 光 学 方 法 分 析 光 纤 传 输 原 理，我 们 关 注 的 问 题 主要 是 光 束 在 光 纤 中 传 播 的 空 间 分 布 和 时 间 分 布，并 由 此 得 到数值孔径和时间延迟的概念。1.突变型多模光纤 数 值 孔 径 为 简 便 起 见，以 突 变 型 多 模 光 纤 的 交 轴(子 午)光 线 为 例，进 一 步 讨 论 光 纤 的 传 输 条 件。设 纤 芯 和 包 层 折 射率 分 别 为 n1和 n2，空 气 的 折 射 率 n0=1，纤 芯 中 心 轴 线 与z 轴 一致，如 图2.4。光 线 在

12、 光 纤 端 面 以 小 角 度 从 空 气 入 射 到 纤 芯(n 0 n2)。图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理 改 变 角 度，不 同 相 应 的 光 线 将 在 纤 芯 与 包 层 交 界 面 发生 反 射 或 折 射。根 据 全 反 射 原 理，存 在 一 个 临 界 角c，当c 时，相 应 的 光 线 将在 交 界 面 折 射 进 入 包 层 并 逐 渐 消 失，如 光 线3。由 此 可 见，只有在半锥角为c 的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根 据 这 个 传 播 条 件，定 义 临 界 角c 的 正 弦 为 数 值 孔 径(Numerical Aperture,NA)。

13、根据定义和斯奈尔定律 式 中=(n1-n2)/n1为 纤 芯 与 包 层 相 对 折 射 率 差。设=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21 或c=12.2。NA 表 示 光 纤 接 收 和 传 输 光 的 能 力，NA(或c)越 大，光纤 接 收 光 的 能 力 越 强，从 光 源 到 光 纤 的 耦 合 效 率 越 高。对 于无 损 耗 光 纤，在c 内 的 入 射 光 都 能 在 光 纤 中 传 输。NA 越 大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA 越 大 经 光 纤 传 输 后 产 生 的 信 号 畸 变 越 大，因 而 限 制了 信 息 传 输 容 量。所 以 要

14、 根 据 实 际 使 用 场 合，选 择 适 当 的NA。时 间 延 迟 现 在 我 们 来 观 察 光 线 在 光 纤 中 的 传 播 时 间。根据 图2.4，入 射 角 为 的 光 线 在 长 度 为L(ox)的 光 纤 中 传 输，所经 历 的 路 程 为l(oy)，在 不 大 的 条 件 下，其 传 播 时 间 即 时 间 延迟为 式 中c 为 真 空 中 的 光 速。由 式(2.4)得 到 最 大 入 射 角(=c)和 最 小 入 射 角(=0)的 光 线 之 间 时 间 延 迟 差 近 似为 这 种 时 间 延 迟 差 在 时 域 产 生 脉 冲 展 宽，或 称 为 信 号 畸 变

15、。由 此 可 见，突 变 型 多 模 光 纤 的 信 号 畸 变 是 由 于 不 同 入 射 角 的光 线 经 光 纤 传 输 后，其 时 间 延 迟 不 同 而 产 生 的。设 光 纤NA=0.20，n1=1.5，L=1 km，根 据 式(2.5)得 到 脉 冲 展 宽=44ns，相当于10MHzkm 左右的带宽。2.单模光纤的模式特性 单 模 条 件 和 截 止 波 长 从 图2.8和 表2.2可 以 看 到，传 输 模 式数 目 随V 值 的 增 加 而 增 多。当V 值 减 小 时，不 断 发 生 模 式 截 止，模 式 数 目 逐 渐 减 少。特 别 值 得 注 意 的 是 当V2.

16、405 时，只 有HE11(LP01)一 个 模 式 存 在，其 余 模 式 全 部 截 止。HE11称 为 基 模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为 V=(2.36)由 式(2.36)可 以 看 到，对 于 给 定 的 光 纤(n1、n2和a 确 定)，存 在 一 个 临 界 波 长c，当c 时，是单模传输，这个临界波长c 称为截止波长。由此得到 V=2.405 或c=光 强 分 布 和 模 场 半 径 通 常 认 为 单 模 光 纤 基 模 HE11的 电磁场分布近似为高斯分布(r)=A exp 式 中，A 为 场 的 幅 度，r 为 径 向 坐 标，w0 为 高 斯 分 布1

17、/e点 的 半 宽 度，称 为 模 场 半 径。实 际 单 模 光 纤 的 模 场 半 径w0是 用 测 量 确 定 的，常 规 单 模 光 纤 用 纤 芯 半 径a 归 一 化 的 模 场半径的经验公式为 0.65+1.619V-1.5+2.879V-6=0.65+0.434+0.0149 w0/a 与V(或/c)的 关 系 示 于 图2.10。图 中 是 基 模HE11 的注 入 效 率。由 图 可 见，在3V1.4(0.8/c96%。双 折 射 和 偏 振 保 持 光 纤 前 面 的 讨 论 都 假 设 了 光 纤 具 有 完 美的 圆 形 横 截 面 和 理 想 的 圆 对 称 折 射

18、 率 分 布，而 且 沿 光 纤 轴 向 不发 生 变 化。因 此，HE11（LP01）模 的x 偏 振 模HEx11(Ey=0)和y 偏振 模HEy11(E x=0)具 有 相 同 的 传 输 常 数(x=y)，两 个 偏振 模 完 全 简 并。但 是 实 际 光 纤 难 以 避 免 的 形 状 不 完 善 或 应 力 不均 匀，必 定 造 成 折 射 率 分 布 各 向 异 性，使 两 个 偏 振 模 具 有 不 同的 传 输 常 数(xy)。因 此，在 传 输 过 程 要 引 起 偏 振 态 的 变化，我 们 把 两 个 偏 振 模 传 输 常 数 的 差(x-y)定 义 为 双 折 射

19、，通常用归一化双折射B 来表示，图 2.10 用 对LP01 模 给 出 最 佳 注 入 效 率 的 高 斯 场 分 布 时，归 一 化 模 场半径w0/a 和注入效率 与归一化波长/c 或归一化频率V 的函数关系 式 中，=(x+y)/2 为 两 个 传 输 常 数 的 平 均 值。把两个正交偏振模的相位差达到2 的光纤长度定义为拍长Lb Lb=(2.40)存 在 双 折 射，要 产 生 偏 振 色 散，因 而 限 制 系 统 的 传 输 容 量。许 多 单 模 光 纤 传 输 系 统 都 要 求 尽 可 能 减 小 或 消 除 双 折 射。一 般单 模 光 纤B 值 虽 然 不 大，但 是

20、 通 过 光 纤 制 造 技 术 来 消 除 它 却 十分 困 难。合 理 的 解 决 办 法 是 通 过 光 纤 设 计，人 为 地 引 入 强 双 折射，把B 值 增 加 到 足 以 使 偏 振 态 保 持 不 变，或 只 保 存 一 个 偏 振模 式，实 现 单 模 单 偏 振 传 输。强 双 折 射 光 纤 和 单 模 单 偏 振 光 纤为 偏 振 保 持 光 纤。获 得 偏 振 保 持 光 纤 的 方 法 很 多，例 如 引 入 形状各向异性的椭圆芯光纤。2.3 光纤传输特性 光 信 号 经 光 纤 传 输 后 要 产 生 损 耗 和 畸 变(失 真)，因 而 输出 信 号 和 输

21、入 信 号 不 同。对 于 脉 冲 信 号，不 仅 幅 度 要 减 小，而 且 波 形 要 展 宽。产 生 信 号 畸 变 的 主 要 原 因 是 光 纤 中 存 在 色散。损 耗 和 色 散 是 光 纤 最 重 要 的 传 输 特 性。损 耗 限 制 系 统 的传 输 距 离，色 散 则 限 制 系 统 的 传 输 容 量。本 节 讨 论 光 纤 的 色散 和 损 耗 的 机 理 和 特 性，为 光 纤 通 信 系 统 的 设 计 提 供 依 据。2.3.1光纤色散 1.色散、带宽和脉冲展宽 色 散(Dispersion)是 在 光 纤 中 传 输 的 光 信 号，由 于 不同 成 分 的

22、光 的 时 间 延 迟 不 同 而 产 生 的 一 种 物 理 效 应。色 散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模 式 色 散 是 由 于 不 同 模 式 的 时 间 延 迟 不 同 而 产 生 的，它 取 决 于 光 纤 的 折 射 率 分 布，并 和 光 纤 材 料 折 射 率 的 波 长特 性 有 关.材 料 色 散 是 由 于 光 纤 的 折 射 率 随 波 长 而 改 变，以及 模 式 内 部 不 同 波 长 成 分 的 光(实 际 光 源 不 是 纯 单 色 光)，其 时 间 延 迟 不 同 而 产 生 的。这 种 色 散 取 决 于 光 纤 材 料 折 射率 的 波 长 特

23、性 和 光 源 的 谱 线 宽 度。波 导 色 散 是 由 于 波 导结 构 参 数 与 波 长 有 关 而 产 生 的，它 取 决 于 波 导 尺 寸 和 纤 芯与包层的相对折射率差。色 散 对 光 纤 传 输 系 统 的 影 响，在 时 域 和 频 域 的 表 示 方 法不 同。如 果 信 号 是 模 拟 调 制 的，色 散 限 制 带 宽(Bandwith)；如 果 信 号 是 数 字 脉 冲，色 散 产 生 脉 冲 展 宽(Pulse broadening)。所以，色散通常用3 dB 光带宽f3dB 或脉冲展宽 表示。用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成=(2n+2m+2w)1/2 式

24、中n、m、w分 别 为 模 式 色 散、材 料 色 散 和 波 导 色 散 所引起的脉冲展宽的均方根值。图 2.11 光纤带宽和脉冲展宽的定义 2.多模光纤的色散 多 模 光 纤 折 射 率 分 布 的 普 遍 公 式 用 式(2.6)n(r)表 示，第q阶 模 式 群 的 传 输 常 数 用 式(2.34)的q 表 示。单 位 长 度 光 纤 第q阶模式群产生的时间延迟 q=式 中，c 为 光 速，k=2/，为 光 波 长。设 光 源 的 功 率 谱 很 陡 峭，其rms谱 线 宽 度 为，每 个 传 输 模 式 具 有 相 同 的 功 率，经 复 杂的计算，得到长度为L 的多模光纤rms脉

25、冲展宽为 模 间为 模 式 色 散 产 生 的rms脉 冲 展 宽。当g 时，相 应 于突变型光纤，由式(2.50a)简化得到 模间(g)当g=2+时，相 应 于rms脉 冲 展 宽 达 到 最 小 值 的 渐 变 型 光纤，由式(2.50a)简化得到 模间(g=2+)由 此 可 见，渐 变 型 光 纤 的rms脉 冲 展 宽 比 突 变 型 光 纤 减 小/2 倍。模 内为 模 内 色 散 产 生 的rms脉 冲 展 宽，其 中 第 一 项 为 材 料色 散，第 三 项 为 波 导 色 散，第 二 项 包 含 材 料 色 散 和 波 导 色 散的 影 响。对 于 一 般 多 模 光 纤，第

26、一 项 是 主 要 的，其 他 两 项 可以忽略，由式(2.50b)简化得到模间 图2.12示 出 三 种 不 同 光 源 对 应 的rms脉 冲 展 宽 和 折 射 率 分布 指 数g的 关 系。由 图 可 见，rms脉 冲 展 宽 随 光 源 谱 线 宽 度增 大 而 增 大，并 在 很 大 程 度 上 取 决 于 折 射 率 分 布 指 数g。当g=g0 时，达 到 最 小 值。g的 最 佳 值g0=2+，取 决 于 光 纤 结 构参 数 和 材 料 的 波 长 特 性。当 用 分 布 反 馈 激 光 器 时，最 小 约 为0.018 ns，相应的带宽达到10 GHzkm。3.单模光纤的

27、色散 色 度 色 散 理 想 单 模 光 纤 没 有 模 式 色 散，只 有 材 料 色 散 和波 导 色 散。材 料 色 散 和 CM)波 导 色 散 总 称 为 色 度 色 散(Chromatic Dispersion)，常 简 称 为 色 散，它 是 时 间 延迟随波长变化产生的结果。偏 振 模 色 散：在 理 想 完 善 的 单 模 光 纤 中，HE11模 由 两 个 具有 相 同 传 输 常 数 相 互 垂 直 的 偏 振 模 简 并 组 成。但 实 际 光 纤 不 可避 免 地 存 在 一 定 缺 陷，如 纤 芯 椭 圆 度 和 内 部 残 余 应 力，使 两 个偏 振 模 的 传

28、 输 常 数 不 同，这 样 产 生 的 时 间 延 迟 差 称 为 偏 振 模 色散或双折射色散。偏 振 模 色 散 取 决 于 光 纤 的 双 折 射，由=x-ynxk-nyk得到，=(2.58)式 中，nx 和ny分 别 为x-和y-方 向 的 等 效 折 射 率。偏 振 模 色散 本 质 上 是 模 式 色 散，由 于 模 式 耦 合 是 随 机 的，因 而 它 是 一 个统 计 量。目 前 虽 没 有 统 一 的 技 术 标 准，但 一 般 要 求 偏 振 模 色 散小 于0.5ps/km。由 于 存 在 偏 振 模 色 散，即 使 在 色 度 色 散C()=0的波长，带宽也不是无限

29、大，见图2.14。2.3.2光纤损耗 由 于 损 耗 的 存 在，在 光 纤 中 传 输 的 光 信 号，不 管 是 模 拟信 号 还 是 数 字 脉 冲，其 幅 度 都 要 减 小。光 纤 的 损 耗 在 很 大 程度上决定了系统的传输距离。在 最 一 般 的 条 件 下，在 光 纤 内 传 输 的 光 功 率P 随 距 离z 的变化，可以用下式表示(2.59)式 中，是 损 耗 系 数。设 长 度 为L(km)的 光 纤，输 入 光 功率为Pi，根据式(2.59)，输出光功率应为 Po=Piexp(-L)习惯上 的单位用dB/km，由式(2.60)得到损耗系数=1.损耗的机理 图2.15是

30、 单 模 光 纤 的 损 耗 谱，图 中 示 出 各 种 机 理 产 生 的 损耗 与 波 长 的 关 系，这 些 机 理 包 括 吸 收 损 耗 和 散 射 损 耗 两 部 分。吸 收 损 耗 是 由SiO2 材 料 引 起 的 固 有 吸 收 和 由 杂 质 引 起 的 吸收 产 生 的。由 材 料 电 子 跃 迁 引 起 的 吸 收 带 发 生 在 紫 外(UV)区(7m)，由 于SiO2 是 非 晶 状 材 料，两 种 吸 收 带 从 不 同 方 向伸展到可见光区。图 2.15 单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理 由 此 而 产 生 的 固 有 吸 收 很 小，在0.81.6m 波 段，

31、小 于0.1dB/km，在1.31.6m 波 段，小 于0.03dB/km。光 纤 中 的 杂 质主 要 有 过 渡 金 属(例 如Fe2+、Co2+、Cu2+)和 氢 氧 根(OH-)离 子，这 些 杂 质 是 早 期 实 现 低 损 耗 光 纤 的 障 碍。由 于 技 术 的 进 步，目 前 过 渡 金 属 离 子 含 量 已 经 降 低 到 其 影 响 可 以 忽 略 的 程 度。由 氢 氧 根 离 子(OH-)产 生 的 吸 收 峰 出 现 在0.95m、1.24 m 和1.39 m 波 长，其 中 以1.39 m 的 吸 收 峰 影 响 最 为 严 重。目 前OH-的 含 量 已 经

32、 降 低 到10-9以 下，1.39m 吸 收 峰 损 耗 也 减 小 到0.5 dB/km 以下。散 射 损 耗 主 要 由 材 料 微 观 密 度 不 均 匀 引 起 的 瑞 利(Rayleigh)散 射 和 由 光 纤 结 构 缺 陷(如 气 泡)引 起 的 散 射 产生的。结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。瑞 利 散 射 损 耗R 与 波 长 四 次 方 成 反 比，可 用 经 验 公 式 表示 为R=A/4，瑞 利 散 射 系 数A 取 决 于 纤 芯 与 包 层 折 射 率 差。当 分 别 为0.2%和0.5%时，A 分 别 为0.86和1.02。瑞 利 散 射 损耗 是 光 纤

33、的 固 有 损 耗，它 决 定 着 光 纤 损 耗 的 最 低 理 论 极 限。如 果=0.2%，在 1.55m 波 长，光 纤 最 低 理 论 极 限 为 0.149 dB/km。2.实用光纤的损耗谱 根 据 以 上 分 析 和 经 验，光 纤 总 损 耗 与 波 长 的 关 系 可 以表示为=4+B+CW()+IR()+UV()式 中，A 为 瑞 利 散 射 系 数，B 为 结 构 缺 陷 散 射 产 生 的 损 耗，CW()、IR()和UV()分 别 为 杂 质 吸 收、红 外 吸 收 和 紫 外吸收产生的损耗。由 图2.16看 到：从 多 模 突 变 型(SIF)、渐 变 型(GIF)

34、光 纤 到单 模(SMF)光 纤，损 耗 依 次 减 小。在0.81.55 m 波 段 内，除 吸收 峰 外，光 纤 损 耗 随 波 长 增 加 而 迅 速 减 小。在 1.39m OH-吸 收 峰 两 侧1.31 m 和1.55 m 存 在 两 个 损 耗 极 小 的 波长“窗 口”。另 一 方 面，从 色 散 的 讨 论 中 看 到：从 多 模SIF、GIF 光 纤 到SMF 光 纤，色 散 依 次 减 小(带 宽 依 次 增 大)。石 英 单模 光 纤 的 零 色 散 波 长 在1.31 m，还 可 以 把 零 色 散 波 长 从1.31 m 移 到1.55m，实 现 带 宽 最 大 损

35、 耗 最 小 的 传 输。正 因 为 这 些特 性，使 光 纤 通 信 从SIF、GIF 光 纤 发 展 到SMF 光 纤，从 短 波长(0.85 m)“窗 口”发 展 到 长 波 长(1.31 m 和1.55 m)“窗 口”，使系统技术水平不断提高。图 2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤 2.3.3光纤标准和应用 制 订 光 纤 标 准 的 国 际 组 织 主 要 有ITU-T(国 际 电 信 联 盟 电信 标 准 化 机 构)，即 原CCITT(国 际 电 报 电 话 咨 询 委 员 会)和IEC(国 际 电 工 委 员 会)。表2.3列 出ITU-T 已 公 布 的

36、 光 纤 特 性 的标准。G.651 多 模 渐 变 型(GIF)光 纤，这 种 光 纤 在 光 纤 通 信 发 展初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652 常 规 单 模 光 纤，是 第 一 代 单 模 光 纤，其 特 点 是 在波 长1.31 m 色 散 为 零，系 统 的 传 输 距 离 只 受 损 耗 的 限 制。目前世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。这 种 光 纤 的 缺 点 是，在 零 色 散 波 长 1.31m 损 耗(0.4 dB/km)不 是 最 小 值。在1.31 m 光 纤 放 大 器 投 入 使 用 之 前，要实 现 长 距 离 通 信 系 统，只

37、 能 采 用 电/光 和 光/电 的 中 继 方 式。G.653 色 散 移 位 光 纤，是 第 二 代 单 模 光 纤，其 特 点 是 在波 长1.55 m 色 散 为 零，损 耗 又 最 小。这 种 光 纤 适 用 于 大 容 量长 距 离 通 信 系 统，特 别 是20世 纪80年 代 末 期1.55 m 分 布 反 馈激 光 器(DFB-LD)研 制 成 功，90年 代 初 期1.55 m 掺 铒 光 纤 放大 器(EDFA)投 入 应 用，突 破 通 信 距 离 受 损 耗 的 限 制，进 一 步提高了大容量长距离通信系统的水平。G.654 1.55 m 损 耗 最 小 的 单 模

38、光 纤，其 特 点 是 在 波 长1.31 m 色 散 为 零，在1.55 m 色 散 为1720 ps/(nmkm)，和 常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km 以下。这种光纤实际上是一种用于1.55 m 改进的常规单模光纤，目的是增加传输距离。此外还有色散补偿光纤，其特点是在波长1.55 m 具有大的负色散。这种光纤是针对波长1.31 m 常规单模光纤通信系统的升级而设计的，因为当这种系统要使掺铒光纤放大器(EDFA)以增加传输距离时，必须把工作波长从1.31 m 移到1.55 m。用色散补偿光纤在波长1.55 m 的负色散和常规单模光纤在1.55 m 的正色散相互抵消，以

39、获得线路总色散为零损耗又最小的效果。G.655 非 零 色 散 光 纤，是 一 种 改 进 的 色 散 移 位 光 纤。在密 集 波 分 复 用(WDM)系 统 中，当 使 用 波 长1.55 m 色 散 为 零 的 色散 移 位 光 纤 时，由 于 复 用 信 道 多，信 道 间 隔 小，出 现 了 一 种 称为四波混频的非线性效应。这 种 效 应 是 由 两 个 或 三 个 波 长 的 传 输 光 混 合 而 产 生 的 有 害的 频 率 分 量，它 使 信 道 间 相 互 干 扰。如 果 色 散 为 零，四 波 混 频的 干 扰 十 分 严 重，如 果 有 微 量 色 散，四 波 混 频

40、 反 而 减 小。为 消除 这 种 效 应，科 学 家 开 始 研 究 了 非 零 色 散 光 纤。这 种 光 纤 的 特点 是 有 效 面 积 较 大，零 色 散 波 长 不 在1.55 m，而 在1.525 m 或1.585 m。在1.55 m 有 适 中 的 微 量 色 散，其 值 大 到 足 以 抑 制 密 集 波分 复 用 系 统 的 四 波 混 频 效 应，小 到 允 许 信 道 传 输 速 率 达 到10 Gb/s 以 上。非 零 色 散 光 纤 具 有 常 规 单 模 光 纤 和 色 散 移 位 光 纤 的优 点，是 最 新 一 代 的 单 模 光 纤。这 种 光 纤 在 密

41、集 波 分 复 用 和 孤子 传 输 系 统 中 使 用，实 现 了 超 大 容 量 超 长 距 离 的 通 信。康 宁(Corning)公 司 开 发 的 这 种 新 型 光 纤 称 为 长 距 离 系 统 光 纤(Long Haul System Fiber)，其 结 构 见 图2.3(b)。AT&T(美 国 电 报 电 话)公司开发的这种光纤称为真波光纤(True Wave Fiber)。2.4 光缆 2.4.1光缆基本要求 保 护 光 纤 固 有 机 械 强 度 的 方 法，通 常 是 采 用 塑 料 被 覆 和应 力 筛 选。光 纤 从 高 温 拉 制 出 来 后，要 立 即 用 软

42、 塑 料(例 如 紫外 固 化 的 丙 烯 酸 树 脂)进 行 一 次 被 覆 和 应 力 筛 选，除 去 断 裂 光纤，并 对 成 品 光 纤 用 硬 塑 料(例 如 高 强 度 聚 酰 胺 塑 料)进 行 二次被覆。应 力 筛 选 条 件 直 接 影 响 光 纤 的 使 用 寿 命。设 对 光 纤 进 行拉 伸 应 力 筛 选 时，施 加 的 应 力 为p，作 用 时 间 为tp(设 为1s)；长 期 使 用 时，容 许 施 加 的 应 力 为r，作 用 时 间 为tr，断 裂 概 率为106km 一 个 断 裂 点。理 论 推 算 得 到 的 容 许 作 用 时 间(光 纤 使用寿命)t

43、r和应力比r/p的关系示于图2.17。即 使 进 行 应 力 筛 选，软 塑 料 一 次 被 覆 光 纤 的 机 械 强 度，对 于 成 缆 的 要 求 还 是 不 够 的。因 此 要 用 硬 塑 料 进 行 二 次 被 覆。二 次 被 覆 光 纤 有 紧 套、松 套、大 套 管 和 带 状 线 光 纤 四 种，见图2.18。把 一 次 被 覆 光 纤 装 入 硬 塑 料 套 管 内，使 光 纤 与 外 力隔 离 是 保 护 光 纤 的 有 效 方 法。在 工 程 应 用 中，光 缆 不 可 避 免要 遭 受 一 定 的 拉 力 而 伸 长，或 者 遭 遇 低 温 而 收 缩。因 此，松套 管

44、 内 的 光 纤 要 留 有 一 定 的 余 长，使 光 纤 受 拉 力 或 压 力 的 作用。图 2.18 二次被覆光纤(芯线)简图(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线 2.4.2光缆结构和类型 光 缆 一 般 由 缆 芯 和 护 套 两 部 分 组 成，有 时 在 护 套 外 面 加 有铠装。1.缆芯 缆 芯 通 常 包 括 被 覆 光 纤(或 称 芯 线)和 加 强 件 两 部 分。被 覆光 纤 是 光 缆 的 核 心，决 定 着 光 缆 的 传 输 特 性。加 强 件 起 着 承 受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。加 强 件 通 常 用 杨 氏 模 量

45、 大 的 钢 丝 或 非 金 属 材 料 例 如 芳 纶 纤维(Kevlar)做成。光 缆 类 型 多 种 多 样，图2.20给 出 若 干 典 型 实 例。根 据 缆 芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。图 2.20光 缆 类 型的典型实例(a)6芯 紧 套 层 绞式 光 缆(架 空、管道)；(b)12芯 松 套 层绞 式 光 缆(直 埋 防蚁)；(c)12芯 骨 架 式光缆(直埋)；(d)648 芯 束 管式 光 缆(直 埋)；(e)108芯 带 状 光缆；(f)LXE 束 管 式光 缆(架 空、管道、直埋)；(g)浅 海 光 缆；(h)架 空 地 线 复合光缆(OPGW)层 绞 式 把

46、 松 套 光 纤 绕 在 中 心 加 强 件 周 围 绞 合 而 构 成。这种 结 构 的 缆 芯 制 造 设 备 简 单，工 艺 相 当 成 熟，得 到 广 泛 应 用。采 用 松 套 光 纤 的 缆 芯 可 以 增 强 抗 拉 强 度，改 善 温 度 特 性。骨 架 式 把 紧 套 光 纤 或 一 次 被 覆 光 纤 放 入 中 心 加 强 件 周 围的 螺 旋 形 塑 料 骨 架 凹 槽 内 而 构 成。这 种 结 构 的 缆 芯 抗 侧 压 力性能好，有利于对光纤的保护。中 心 束 管 式 把 一 次 被 覆 光 纤 或 光 纤 束 放 入 大 套 管 中，加强 件 配 置 在 套 管

47、 周 围 而 构 成。这 种 结 构 的 加 强 件 同 时 起 着 护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。带 状 式 把 带 状 光 纤 单 元 放 入 大 套 管 内，形 成 中 心 束 管 式结 构，也 可 以 把 带 状 光 纤 单 元 放 入 骨 架 凹 槽 内 或 松 套 管 内，形 成 骨 架 式 或 层 绞 式 结 构。带 状 式 缆 芯 有 利 于 制 造 容 纳 几 百根光纤的高密度光缆，这种光缆已广泛应用于接入网。2.护套 护 套 起 着 对 缆 芯 的 机 械 保 护 和 环 境 保 护 作 用，要 求 具 有 良好 的 抗 侧 压 力 性 能 及 密 封 防 潮 和

48、耐 腐 蚀 的 能 力。护 套 通 常 由 聚乙 烯 或 聚 氯 乙 烯(PE或PVC)和 铝 带 或 钢 带 构 成。不 同 使 用 环 境和 敷 设 方 式 对 护 套 的 材 料 和 结 构 有 不 同 的 要 求。根 据 使 用 条 件，光缆又可以分为许多类型。一 般 光 缆 有 室 内 光 缆、架 空 光 缆、埋 地 光 缆 和 管 道 光缆等。特 种 光 缆 常 见 的 有：电 力 网 使 用 的 架 空 地 线 复 合 光 缆(OPGW)，跨 越 海 洋 的 海 底 光 缆，易 燃 易 爆 环 境 使 用 的 阻 燃 光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。2.4.3光缆特性 光

49、 缆 的 传 输 特 性 取 决 于 被 覆 光 纤。对 光 缆 机 械 特 性 和 环 境特 性 的 要 求 由 使 用 条 件 确 定。光 缆 生 产 出 来 后，对 这 些 特 性 的主 要 项 目，例 如 拉 力、压 力、扭 转、弯 曲、冲 击、振 动 和 温 度等，要 根 据 国 家 标 准 的 规 定 做 例 行 试 验。成 品 光 缆 一 般 要 求 给出 下 述 特 性，这 些 特 性 的 参 数 都 可 以 用 经 验 公 式 进 行 分 析 计 算，这里我们只作简要的定性说明。1.拉力特性 光 缆 能 承 受 的 最 大 拉 力 取 决 于 加 强 件 的 材 料 和 横

50、截 面 积，一般要求大于1 km 光缆的重量，多数光缆在100400 kg 范围。2.压力特性 光 缆 能 承 受 的 最 大 侧 压 力 取 决 于 护 套 的 材 料 和 结 构，多数光缆能承受的最大侧压力在100400 kg/10 cm。3.弯曲特性 弯 曲 特 性 主 要 取 决 于 纤 芯 与 包 层 的 相 对 折 射 率 差 以 及光 缆 的 材 料 和 结 构。实 用 光 纤 最 小 弯 曲 半 径 一 般 为2050 mm，光 缆 最 小 弯 曲 半 径 一 般 为200500 mm，等 于 或 大 于 光 纤最 小 弯 曲 半 径。在 以 上 条 件 下，光 辐 射 引 起