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1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业传输工程设计基础光纤及光缆浅释江西华钦通信技术有限公司2009年7月02日目录 TOC o 2-3 h z t 标题 1,1,项目符号1,1 光纤光纤的构造光纤呈园柱形，它由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成，如图1.1.1所示。图1.1.1 光纤的构造纤芯纤芯位于光纤的中心部位（直径d1约9 50 m），其成份是高纯度的二氧化硅，此外还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗、五氧化二磷等。掺有少量掺杂剂的作用是适当提高纤芯对光的折射率 (n1)，以利于降低光纤的衰耗 。包层包层位于

2、纤芯的周围（其直径d2约125 m），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对光的折射率 (n2)，使之略低于纤芯的折射率(n1)，以利于降低光纤的衰耗。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。一般涂敷后的光纤外径约1.5 cm。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。此外还可按光纤的组成成分分类，即除了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，不过目前它们尚未应用于通信之中。按折

3、射率分布分类 阶跃光纤与渐变光纤（1）.阶跃光纤SI(Setup Index)所谓阶跃光纤是指：在纤芯与包层区域内，折射率的分布分别是均匀的，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示意图如图1.2.1所示。n2d1d2图1.2.1: 阶跃光纤的折射率分布ra1 a2n(r)n1其折射率分布的表达式为： n1 r a1时 n(r)= （1.2.1） n2 a1 r a2 时式中： n1 为光纤纤芯区的折射率； n2 为包层区的折射率； a1 为纤芯半径； a2 为包层半径。阶跃光纤是早期光纤的结构方式，后来在多模光纤中被渐变光纤所取代（因渐变光

4、纤能大大降低多模光纤的模式色散），但用它来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。而现在当单模光纤已经取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时，阶跃光纤结构又作为单模光纤的一种结构形式。（2）.渐变光纤GI(Gradual Index)所谓渐变光纤是指：光纤轴心处的折射率最大（n1），但随横截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 。a1 a2n(r)n2n1d1d2r图1.2.2: 阶跃光纤的折射率分布渐变光纤的折射率分布示意图如图1.2.2所示。 其折射率分布的表达式为：

5、r a1时n(r)= （1.2.2） a 1 r a2 时式中： n1 为光纤轴心处的折射率； n2 为包层区的折射率； a1 为纤芯半径； a2 为包层半径； =（n1 - n2）/ n1 ，称之为相对折射率差。至于渐变光纤的横截面折射率为何做如此分布，主要原因是为了降低多模光纤的模式色散，增加光纤的传输容量，详见本章3.3部分。按传播模式分类 多模光纤与单模光纤（1）.传播模式概念光是一种频率极高（31014赫兹）的电磁波，当它在波导 光纤中传播时，需要用麦克斯韦方程组来解决其传播方面的问题。假设在发送端发送单频光波（相当于一种频率的电磁波），通过繁琐地求解麦克斯韦方程组之后就会发现，光在

6、光纤中的传播与电磁波在真空中的传播相类似，可能会出现几十种乃至几百种传播模式，如TMmn模与TEmn模，而且还有混合模HEmn模与EHmn模等 ，其中m代表传播模的阶数，n代表沿径向的波节数，其取值为：m,n = 0、1、2、3、。习惯上称HE11模为基模，或称为简并模LP01，其余的模皆称为高次模。（2）.多模光纤MF(Multimode Fiber)通过求解麦氏方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是纤芯直径d1）远大于光波波长时（约1 m），光在光纤中传播时会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会具有不同的传播速度与传播路径，因此经过长距离的传输之后在接收端会产生时延，从而导致接收

7、端的光脉冲变宽或发生畸变。这种现象叫做光纤的模式色散，或称模间色散。模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低了其传输容量，因此多模纤光仅适用于较小容量的光纤通信。多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布即渐变折射率分布。其纤芯直径d1，大约在50 m左右。（3）.单模光纤SF(Singlemode Fiber)求解麦氏方程组还发现，当光纤的几何尺寸(主要是芯径d1)可以与光波长相比拟时，如芯径d1在5 9 m范围，则光纤只允许一种模式 基模(简并模LP01)在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别

8、适用于大容量的光纤通信。理论分析表明，要实现光纤的单模传输，必须使光纤的归一化频率V满足下式：V 2.4048 （1.2.3）光纤的归一化频率为：V C= （1.2.4）所以可以求得光纤的纤芯直径应满足下式才能实现单模传输： （1.2.5）式中： 为光波波长（m）； NA为光纤的数值孔径（无量纲）。例如对于NA = 0.12的光纤，要在波长 =1.55 m上实现单模传输，光纤纤芯的直径应为： m由于单模光纤的纤芯直径非常细小，所以对其制造工艺提出了更苛刻的要求。目前使用的光纤绝大部分是单模光纤。注意，要想实现真正的单模传输必须满足二个条件，一是光纤纤芯直径应远小于光波的波长，二是光纤中传输的光

9、波必须是单频光波，即光波只具有对应于某一种电磁波的单一光波长。实际上第一个条件比较容易满足，但第二个条件却很难达到。因为以目前技术水平，光源器件尚不能发射单频光波，即由它所发出的光波都具有一定的谱线宽度，或者说光波中会包含有多种波长（频率成分）；多种波长的光在光纤中传输时必然会产生多种传播模式，因此理想的单模传输是无法实现的。但伴随技术的不断发展，光源器件的谱线宽度可以非常窄（如0.2nm），而且还可以作到使其中的主（模）波长光功率占总功率的90%以上，所以可实现近似的单模传输。按工作波长分类 短波长光纤与长波长光纤（重点）（1）.短波长光纤在光纤通信初期，人们使用的光波之波长在600 900

10、 nm范围内（典型值为 850 nm），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，因为其率耗与色散都比较大。（2）.长波长光纤伴随研究工作的不断深入，人们发现在波长1310 nm和1550 nm区域，石英光纤的衰耗呈现更低数值，如图1.2.4所示；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1000 2000 nm范围的光纤称为长波长光纤。长波长光纤因具有低衰耗、宽带宽等优点，适用于长距离、大容量的光纤通信。 目前使用的光纤全部是长波长光纤。1

11、310nm1550nm衰耗波长图1.2.3 ：石英光纤的衰耗谱曲线按套塑类型分类 紧套光纤与松套光纤（1）.紧套光纤所谓紧套光纤是指二次、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。未经二次、三次涂敷的光纤，其衰耗 温度特性本是十分优良的，但经过二次、三次涂敷之后其温度特性下降。这是因为涂敷材料的膨胀系数比石英高得多，在低温时收缩比较厉害，压迫光纤发生微弯曲，增加了光纤的衰耗。但对光纤进行二次、三次涂敷可以大大增加光纤的机械强度。（2）.松套光纤所谓松套光纤是指，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。松套光纤的制艺造工简单，其

12、衰耗 温度特性也比紧套光纤好，因此越来越受到人们的重视。目前流行的光纤种类目前，国际上流行四种用于SDH系统的光纤，即G.652光纤、G.653光纤、G.654光纤和G.655光纤。（1）.G.652光纤G.652光纤即1310nm波长性能最佳光纤，又称色散未移位光纤。G.652光纤可以应用在1310nm和1550nm二个波长区域，但在1310nm波长区域的性能最佳。在1310nm波长区域，因为在光纤制造时未对光纤的零色散点进行移位设计，所以零色散点仍然在1310nm波长处。它在该波长区域的色散系数最小，低达3.5ps/nm.km以下。其衰减系数也呈现出较小的数值，其规范值为0.30.4dB/

13、km（但实际光纤的衰减系数低于该规范值）。故称其为1310nm波长性能最佳光纤。在1550nm波长区域，G.652光纤呈现出极低的衰减，其衰减系数规范值为0.150.25dB/km。但在该波长区的色散系数较大，一般为1722ps/nmkm。虽然G.652光纤在1310nm波长区域的性能最佳，但由于在1310nm波长区域目前还没有商用化的光放大器，解决不了超长距离传输的问题，所以G.652光纤虽然称为1310nm波长性能最佳光纤，但仍然大部分用于1550nm波长区域。在1550nm波长区域，G.652光纤用来传输TDM方式的2.5Gb/sSDH系统或以2.5Gb/s为基群的WDM系统是没有问题的

14、，因为后者对光纤的色散要求仍相当于单波长2.5Gb/s系统的要求。但用来传输10Gb/s的SDH系统或以10Gb/s为基群的WDM系统则会遇到相当大的麻烦。这是因为一方面G.652光纤在该波长区的色散系数较大，会出现色散受限的难题；另一方面还出现了偏振模色散（PMD）受限的问题。截止到目前为止，我国舖设的光纤百分之九十九以上是G.652光纤，它非常适合于传输以2.5Gb/s为基群的WDM系统，而且也不会象G.653光纤那样存在四波混频效应。（2）.G.653光纤G.653光纤即1550nm波长性能最佳光纤，又称色散移位光纤。它主要应用于1550nm波长区域。且在1550nm波长区域的性能最佳。

15、在1550 nm波长区域，因为在光纤制造时已对光纤的零色散点进行了移位设计，即通过改变光纤内折射率分布的办法把光纤的零色散点从1310nm波长移位到1550 nm波长处，所以它在1550 nm波长区域的色散系数最小，低达3.5ps/nm.km以下。而且其衰减系数在该波长区也呈现出极小的数值，其规范值为0.190.25dB/km。故称其为1550nm波长性能最佳光纤。在1550nm波长区域，因为G.653光纤的色散系数极小，所以特别适合传输单波长、大容量的SDH系统。如用它来传输TDM方式的10Gb/s SDH系统是没有问题的，但是用它来传输WDM系统则会迂到麻烦即出现四波混频效应（FWM）。所

16、谓四波混频效应就是当工作在波分复用方式时，会出现混频现象。考虑到今后网络将向超大容量波分复用系统方向发展，今后网上不宜使用G.653光纤。（3）.G.654光纤G.654光纤又称1550nm波长衰减最小光纤，它以努力降低光纤的衰减为主要目的，而零色散点仍然在1310nm波长处。G.654光纤在1550 nm波长区域的衰减系数低达0.150.19dB/km，它主要应用于需要中继距离很长的海底光纤通信，但其传输容量却不能太大。（4）.G.655光纤G.655光纤是近期涌现的新型光纤，主要是为了解决G.653光纤在传输WDM系统时会出现四波混频效应的难题而设计。它为零色散未位移单模光纤，主要应用于1

17、550nm波长区域。因此，G.655光纤可以用来传输以2.5Gb/s或10Gb/s为基群的大容量和超大容量WDM系统，其波分复用的波长数量可超过32个以上。光纤的导光原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。但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤的传输理论进行深入探讨与学习。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

18、理问题的基本出发点。全反射原理我们知道，当光线在均匀媒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，如图3.1.1所示。反射光入射光211纤芯 n1包层 n2折射光图3.1.1：光的反射与折射根据光的反射定律：反射角等于入射角。根据光的折射定律： n1 sin1 = n2 sin2 (1.3.1)其中： n1为纤芯的折射率； n2为包层的折射率； 1为入射角； 2为折射角。显然，若n1n2，则会有2 1。可以推知，如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射角2 90，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

19、纤芯中进行传播（2 90时）。这种现象叫做光的全反射现象，如图3.1.2所示。入射光2 = 90 纤芯 n1包层 n2全反射光图3.1.2：光的全反射现象 k人们把对应于折射角2等于90的入射角叫做临界角k，很容易可以得到临界角的表达式：k = sin-1 (1.3.2)不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。光在阶跃光纤中的传播（1）.传播轨迹了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图3.2.1所示。

20、13Cn1n2图3.2.1：光在阶跃光纤中的传播轨迹 （2）.数值孔径NA通常人们希望用入射光与光纤顶端面光轴之夹角C 接收角来衡量光纤接收光的能力，于是产生了光纤数值孔径NA的概念。因为光在空气的折射率n0 = 1，于是应用光的折射定律可得：n0 sinC = n1 sin3 = n1 sin(90-1)为保证光在光纤中的全反射，必须使在包层与纤芯分界面上的光线的入射角等于临界角，即1 =k 。 结合(1.2.7)式，于是有： sinC = n1 sin(90-k) = n1 cosk = = = NA (1.3.3) 其中，相对折射率差： = (1.3.4) 因此，阶跃光纤数值孔径NA的物

21、理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角c之正弦值。需要注意的是，光纤的NA并非越大越好。NA越大，虽然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大，则其相对折射率差也就越大。以后就会知道，值越大，光纤的模式色散也越大，从而使光纤的传输容量变小。因此NA取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。ITU-T建议光纤的NA=0.180.23。光在渐变光纤中的传播（1）.定性解释由图1.2.3和（1.2.2）式知道，渐变光纤的折射率分布是在光纤的轴心处最大，而随剖面径向的增加而折射率逐渐变小。采用这种分布规律是有其理论根据的。假设光纤是由许多同轴的均匀层组成，且其折射率

22、由轴心向外逐渐变小，即：n11 n12 n13 n14 n2 ，如图3.3.1所示。由折射定律知，若n1 n2，则有2 1。这样光在每二层的分界面皆会发生折射现象。由于外层总比内层的折射率要小一些，所以每经过一个分界面，光线向轴线方向的靠近就厉害一些，就这样一直到了纤芯与包层的分界面。而在分界面又产生全反射现象，全反射的光沿纤芯与包层的分界面向前传播，而反射光则又逐层逐层地折射回光纤纤芯。就这样完成了一个传输全过程，使光线基本上局限在纤芯内进行传播，其传播轨迹类似于由许多许多线段组成的正弦波。（2）.传播轨迹再进一步设想，如果光纤不是由一些离散的均匀层组成，而是由无穷多个同轴均匀层组成。换句话

23、讲，光纤剖面的折射率随径向增加而连续变化，且遵从抛物线变化规律，那么光在纤芯的传播轨迹就不会呈折线状，而是呈连续变化形状。理论证明，若渐变光纤的折射率分布遵从（1.2.2）式，则光在其中的传播轨迹为： r(z) = A sin(z +) (1.3.5)其中： A为正弦曲线振幅； 为相对折射率差； 为初始相位。于是以不同角度入射的光线族皆以正弦曲线轨迹在光纤中传播，且近似成聚焦状，如图3.3.2所示。n1n2图3.3.2：光在渐变光纤中的传播轨迹光在单模光纤中的传播光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播，如图3.4.1所示。n1n2图3.4.1：光在单模光纤中的

24、传播轨迹这是因为在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部截止，不存在模式色散。平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模。光纤的衰耗光纤衰耗是影响系统传输距离的最重要因素，因此努力把光纤的衰耗降到最低，是长期以来人们一直努力奋斗的目标。使光纤产生衰耗的原因很多，但可归纳如下。吸收衰耗所谓吸收衰耗，是指组成光纤的材料及其中的杂质对光的吸收作用而产生的衰耗。它们吸收光之后大都以热的 形式散发出去。吸收衰耗可分为二部分，即本征吸收与杂质吸收。 本征吸收 吸收衰耗 杂质吸收 线性散射 衰耗 散射衰耗 非线性散射 结构不完善散射 其它衰耗（微弯曲衰耗等） （1）. 本征吸收本征吸收是指构成光

25、纤的材料本身所固有的吸收作用。纯二氧化硅对光的吸收作用所引起的光纤衰耗是比较小的。在600900nm波长范围稍大，但小于1dB/km；而在10001800nm波长范围，几乎为零。（2）. 杂质吸收光纤中的杂质对光的吸收作用，是造成光纤衰耗的主要原因。光纤中的杂质大致可以分为二大类，即过渡金属离子与氢氧根离子。过渡金属离子包括铜、铁、铬、钴、锰、镍离子等，这些离子在光的作用下会发生震动而吸收光能量；每种离子都有自己的吸收峰波长，上述过渡金属离子的吸收峰波长都落在6001800nm波长范围。氢氧根离子对光的吸收峰波长落在10001800nm波长范围；因此在此波长范围氢氧根离子的含量多少对光纤的衰耗

26、具有重大影响。散射衰耗所谓散射衰耗是指光在光纤中发生散射时所引起的衰耗。光的散射现象可分为线性散射与非线性散射。（1）.线性散射衰耗 瑞利散射所谓线性散射，是指光波的某种模式的功率线性地（与其功率成正比）转换成另一种模式的功率，但光的波长不变。线性散射会把光功率辐射到光纤外部而引起衰耗。瑞利散射是典型的线性散射，它与波长的4次方成反比，即光波长越长，瑞利散射衰耗越小。光纤材料不均匀，会造成其折射率分布不均匀，易产生瑞利散射。（2）.非线性散射衰耗所谓非线性散射，是指某光波长模式的部分功率非线性地转换到其它的波长中。布里渊散射与拉曼散射是典型的非线性散射。如果光纤中的光功率过大，就会出现非线性散

27、射现象。因此防止发生非线性散射的根本方法，就是不要使光纤中的光功率信号过大，如不超过+25dBm。其它衰耗其它衰耗包括微弯曲衰耗与连接衰耗等；它们占的比例很小。总之，在影响光纤衰耗的诸多因素中，最主要的是杂质吸收所引起的衰耗。光纤材料中的杂质如氢氧根离子与过渡金属离子对光的吸收能力极强，它们是产生光纤衰耗的主要因素。因此要想获得低衰耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行非常严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个ppm以下。 光纤的色散色散的概念色散分为色度色散与偏振模色散二大类。所谓色度色散，通俗地讲就是由光纤传输引起的光脉冲展宽与畸变效应。如果我们在发送端向光纤输入一个波形整齐的光脉

28、冲，经过一段长度的光纤传输之后，就会发现光脉冲不仅被展宽而且形状也发生了明显的失真。这说明光纤传输对光脉冲有展宽与畸变作用，即光纤具有色度色散效应(色散是沿用了光学中的名词)。光脉冲的展宽与畸变会导致光传输质量的劣化，会产生码间干扰、发生误码等；从而限制光纤的传输容量。色度色散光纤的色度色散可以包括三部分，即模式色散、材色散料与波导色散。（1）.模式色散所谓模式色散，是指光在多模光纤中传输时会存在着许多种传播模式，因为每种传播模式在传输过程中都具有不同的传播速度，因此虽然在输入端同时发送光脉冲信号，但到达到接收端的时间却不同，于是产生了时延，使光脉冲发生展宽与畸变。模式色散仅对多模光纤有效，而

29、单模光纤则不存在模式色散。模式色散在光纤的色度色散中占有极大比重，比材料色散与波导色散之和还要高出几十倍。可以证明，单位长度阶跃光纤的模式色散所引起的脉冲展宽为： m = (ps/km) (1.5.1)式中： n1为纤芯的折射率； 为相对折射率差，且 = ； c 为光在真空中的传播速度，且c 3108 m/s 。 而单位长度渐变光纤模式色散引起的延时为： m = (ps/km) (1.5.2)例如，某长度为1km的阶跃光纤，n1=1.5，= 0.01，则由（1.5.1）式可求得：m= 50 ns/km。再如，某长度为1km的渐变光纤，n1=1.5，= 0.01，则由（1.5.2）式可求得：m=

30、 0.25 ns/km。可见渐变光纤模式色散引起的脉冲展宽要比阶跃光纤小得多；这就是为什么多模光纤的绝大部分采用渐变折射率分布的原因。（2）.材料色散所谓材料色散，是指构成光纤的材料对不同波长的光具有不同的色散作用。因为以目前的技术水平而言，光源尚不能达到单频发射的程度，所以无论谱线宽度多么狭窄的光源器件，它所发出的光也会包含有多根谱线（多种频率成分），只不过光波长的数量以及各光波长的功率所占的比例不同而已。每根谱线都会各自受光纤色度色散的作用，而接收端不可能对每根谱线受光纤色散作用所造成的畸变皆进行理想均衡，故会产生脉冲展宽现象。这就是所谓材料色散。（3）.波导色散所谓波导色散，是指因光纤的

31、波导结构对不同波长的光产生的色散作用。波导结构是指光纤的芯径与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。总之，产生模式色散的原因是因为光在光纤中（多模光纤）传输时存在多种传播模式；而产生材料色散与波导色散的原因是由于光源所发射的光波中包含有多种波长的光波（频率成分）。模式色散仅对多模光纤有效，它比材料色散与波导色散之和还要高出几十倍，所以其材料色散与波导色散可以忽略不计。单模光纤因基本上不存在模式色散，故其色度色散主要由材料色散、波导色散组成，而且其数值远远小于模式色散。这就是单模光纤能够进行大容量传输的原因。随着技术的不断发展，人们可以巧妙地设计光纤的波导结构，使光纤的波导色散与材料色散

32、在人们所希望的波长处相互抵消，使光纤的总色度色散呈现极小的数值甚至为为零，即所谓色散移位光纤。如把零色散点从1310nm波长区移到1550nm区。 偏振模色散（PMD）偏振模色散指光纤中偏振色散，简称PMD(Polarization Mode Dispersion)，起因于实际的光纤中基模含有两个相互垂直的偏振模，沿光纤传播过程中，由于光纤难免受到外部的作用，如温度和压力等因素变化或扰动，使得两模式发生耦合，并且它们的传播速度也不尽相同，从而导致光脉冲展宽，展宽量也不确定，便相当于随机的色散，引起信号失真。随着传输速率的提高，该色散对通信系统的影响愈来愈明，而且越来越不可低估。PMD单位为ps

33、Km。两个正交的主偏振态之间群时延的时间差DGD的单位为ps，Km为中继段的长度。PMD的典型值为0.30.5ps/km1/2影响PMD的主要因素有两个。（1）.双折射由于光纤在制造过程中存在着芯不圆度、应力分布不均匀、承受侧压、光纤的弯曲和钮转、光纤中的搀杂物浓度不对称等，这些因素将造成光纤的双折射。光在单模光纤中传输，两个相互正交的线性偏振模式之间会形成传输群速度差，产生偏振模色散。双折射差异越大，PMD值也将越大，它随光纤的长度变化。（2）.模式耦合同时，由于光纤中的两个主偏振模之间要发生能量交换，即产生模式耦合。模间耦合越紧密，PMD值越小。在光纤较长时，由于偏振模式耦合对温度、环境条

34、件、光源波长的轻微波动、施工中光纤的接续等都很敏感，故模式耦合具有一定随机性，这决定了PMD是个统计量。但PMD的统计测量的分布表明，其均值与光纤的双折射有关，降低光纤的PMD极其对环境的敏感性，关键在于降低光纤的双折射。所以，PMD值其实是个统计数据。在实际的PMD测试仪表中，都包含一个平均程序以获得正确的PMD值。光纤的特性参数单模光纤的特性参数（1）.衰耗系数 f衰耗系数是单模光纤最重要的特性参数之一(另一个是色散系数)。因为从衰耗的角度看，在很大程度上它决定了系统的传输距离。衰耗系数的定义为：每公里光纤对光功率信号的衰减值。其表达式为： f = (dB/km) (1.6.1)式中： L

35、为光纤长度（km）； Pi为输入光功率值（W）； P0为输出光功率值（W）。如某光纤的衰耗系数为 f = 0.3dB/km，光纤长度L = 10km，则： = 100.3 = 2这就意味着，经过10km的光纤传输之后，其光功率信号减少了一半。长度为L公里的光纤的衰耗值为：A = f L 。也就是说，光纤的衰耗与光纤的长度成正比关系。（2）.色度色散系数D（）我们讨论过，光纤的色度色散分为三部分即模式色散、材料色散与波导色散。对于单模光纤而言，由于实现了单模传输所以不存在模式色散的问题，故其色散主要表现为材料色散与波导色散，它们统称模内色散。综合考虑单模光纤的材料色散与波导色散，用一个名为色度色

36、散系数的参数来描述其色散特性（简称色散系数）。色散系数可以这样理解：1km长的光纤传输单位谱宽时所产生的脉冲展宽值。因此，L公里光纤由色散引起的相对脉冲展宽值为（相对于码元周期）： BD（）L10 -6 （1.6.2）其中： 为光源的谱宽(nm)； B为传输速率（Mb/s）； D（）为光纤的色散系数(ps/ kmnm)； L为光纤长度 (km)。色散系数越小越好。光纤的色散系数越小，就意味着它对光脉冲的展宽越小即光纤的传输容量越大。（3）单模光纤的偏振模色散我们知道光在单模光纤中只有基模HE11传输，由于HE11模由相互垂直的两个极化模HE11x和HE11y简并构成，在传输过程中极化模的轴向传

37、播常数x和y往往不等，从而造成光脉冲在输出端展宽现象。如下图所示：图6.1.1 PMD极化模传输图因此两极化模经过光纤传输后到达时间就会不一致，这个时间差称为偏振模色散PMD（Polarization Mode Dispersion）。PMD的度量单位为匹秒（ps）。光纤的PMD系数单位为。造成单模光纤中光的偏振态不稳定的原因，有光纤本身的内部因素，也有光纤的外部因素。内部因素引起单模光纤中光的偏振态不稳定的内部因素，用内部双折射Bi表示。内部因素通常包含两方面的内容：一是光纤横截面的几何畸变引起的波导形状双折射BG;另一个是光纤内部的应力引起的应力双折射BS。因此光纤的内部双折射为： （1.

38、6.3）这里BG和BS可能是同号，也有可能是异号。a. 波导形状双折射在光纤拉丝过程中，由于种种原因不可能拉制出圆形的纤芯光纤，光纤纤芯的椭圆度使其产生波导形状的双折射。若光纤工作在近截止状态（V2.4），且当时，波导形状双折射为 当时，则有 （1.6.4）式中，a和b是纤芯椭圆的长短轴半径，n=n1-n2是芯与包层折射率差，K0=2f/是自由空间的波数。应力双折射光纤是由芯、包层和涂履层数层结构组成的，它们各自的组成材料不一样，热膨胀系数不一样。因此，在横截面上即使有很小的热应力不对称，也会产生很大的应力不平衡，结果导致纤芯材料各向异性，从而引起双折射。它的大小可按下式 （1.6.5）进行计

39、算。式中，Cp材料的相对光弹系数，x和y分别是x、y轴方向的内应力。 外部因素单模光纤受外界因素影响引起光的偏振态不稳定，是用外部双折射表示的。由于外部因素很多，外部双折射的表达式也不能完全统一。外部因素引起光纤双折射特性变化的原因，在于外部因素造成光纤新的各向异性。例如光纤在成缆或施工的过程中可能受到弯曲、扭绞、振动和受压等机械力作用，这些外力的随机性可能使光纤产生随机双折射。另外，光纤有可能在强电场和强磁场以及温度变化的环境下工作。光纤在外部机械力作用下，会产生光弹性效应；在外磁场的作用下，会产生法拉第效应；在外电场的作用下，会产生克尔效应。所有这些效应的总结果，都会使光纤产生新的各向异性

40、，导致外部双折射的产生。对于如上两种因素都可能使单模光纤产生双折射现象，但由于外部因素的随机性和不可避免性，所以在实际应用中人们非常重视对内部因素的控制尽量减小光纤双折现象。（4）.模场直径d模场直径表征单模光纤集中光能量的程度。 单模光纤的纤芯直径为59 m，它与光工作波长1.31.8 m处于同一个数量级；但由于光的衍射效应而无法测量出纤芯直径的精确值。此外，由于单模光纤只传输一种模式即基模LP01模，但LP01模的场强分布并不局限在纤芯之中，会有一少部分在包层中传输，所以单模光纤纤芯直径的概念在物理上已没有什么意义，故引入新的特性参数模场直径d。可以极其粗略地认为，模场直径d和单模光纤的纤

41、芯直径相近。如G.652光纤的模场直径d为5 9 m，这说明在传输过程中有百分之九十五以上的光能量，集中在直径为59 m的光纤内部的圆柱体内传送。（5）.截止波长 C截止波长的定义是，光纤中的各阶高次模的光功率总和与基模光功率之比下降到0.1时的工作波长。它是系统的最小各种波长。ITU -T定义了二种截止波长：.2米长一次涂覆光纤的截止波长 C ；.22米成缆光纤的截止波长 CC ；一般来讲， C CC ，所以为避免出现模式色散即保证实现单模传输，系统的工作波长下限应该 S CC。二种指标不必同时满足，只选其一即可，一般首选22米成缆光纤的截止波长CC。零色散波长0当光纤的材料色散和波导色散在

42、某个波长互相抵消，使光纤总的色度色散为零，该波长即为零色散波长。一般来讲，光纤的零色散波长位于1310nm波长区内（1280 nm处），但正如前所述，人们可以通过巧妙的波导结构设计使光纤的零色散波长移到我们所希望的波长区内 色散移位光纤。零色散斜率S 0在零色散波长附近，光纤的色度色散系数随波长而变化的曲线斜率称之为零色散斜率。其值越小，说明光纤的色散系数随波长的变化越缓慢，因此越容易一次性地对其区域内的所有光波长进行色散补偿，这一点对于WDM系统尤其重要，因为WDM系统是工作在某个波长区而不是某个单波长。多模光纤的特性参数（1）.衰耗系数 f其规定与物理含义与单模光纤完全相同，在此不再赘述。

43、（2）.带宽系数BC多模光纤因具有很大的模式色散，所以通常用带宽系数来描述其色散特性。.多模光纤带宽的概念通过实验发现，如果保证多模光纤的输入光功率信号大小不变，随着调制光功率信号的调制频率的增加，光纤的输出光功率信号也会逐渐下降。这说明光纤也存在着象电缆一样的带宽系数，即对调制光功率信号的调制频率具有一定的响应特性。带宽系数的定义为：1km长的光纤，其输出光功率信号下降到其最大值(直流光输入时的输出光功率值)的一半时，此时光功率信号的调制频率就叫做光纤的带宽系数；其单位为：MHzkm。如图1.2.11所示。需要注意的是，因为光信号是以功率来度量的，所以其带宽又称为3dB光带宽；即光功率信号衰

44、减3dB时意味着输出光功率信号减少一半。而一般的电缆之带宽称为6dB电带宽，因为输出电信号是以电压或电流来度量的，输出电信号衰减6dB时意味着输出电压或电流减少一半。引起光纤带宽变窄的主要原因是光纤存在着色散。因为对于多模光纤而言，其模式色散占统治地位（材料色散与波导色散的大小可以忽略不计），所以其带宽又称模式色散带宽，或称模畸变带宽。调制频率fBC0.51.0光功率P图6.1.2：光纤的带宽系数BC带宽距离指数 r实验证明，长度为L公里的光纤之模畸变带宽为： (MHz) (1.6.6）其中：r叫做光纤的带宽距离指数；且r =0 .5 0 .9。显然，与光纤的衰耗不同，光纤的带宽和其长度呈非线

45、性关系。当不同带宽系数的光纤互相连接在一起，其总的宽可用下式求得： (1.6.7）例如，有两段光纤分别为：L1=2km，BC1=800 MHzkm；L2=3km，BC2 =500MHzkm。则其连接后的总带宽为： = 257 MHz.根均方带宽 f带宽系数BC是在频域范围内描述光纤传输特性的重要参数，实际上它演用了模拟通信的概念。在时域范围内，人们经常使用根均方带宽 f来描述光纤的传输特性。一方面在实际工作中人们在时域内进行测量比在频域内测量更加方便可行，即测量光纤的根均方带宽 f比测量带宽系数BC更方便；另一方面光纤的根均方带宽 f与数字光纤通信理论有着更密切的关系，因为它能直接和其传输的光

46、脉冲的根均方脉宽发生联系。而光脉冲的根均方脉宽不仅能确切地描述光脉冲的特性，而且还与光纤通信系统的中继距离密切相关，在光纤通信的理论中经常用到它。在时域范围内，光纤的冲击响应h(t)是一个高斯波形，如图6.1.3所示。t f0.6071.0冲击响应h(t)图6.1.3：光纤的根均方带宽 f 光纤的根均方带宽的物理含义是：对应于光纤高斯形冲击响应最大值的0 .607倍时，变量时间t的数值。它与光纤模畸变带宽的关系为： (1.6.8)（3）.数值孔径NA我们已经对光纤的数值孔径进行了讨论，并推导出其表达式。数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤顶端面接收光的能力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能

47、力和对模式色散的影响。ITU-T建议多模光纤的数值孔径取值范围为0.180.23，其对应的光纤顶端面接收角c=1013。此外，（1.3.3）式的数值孔径表达式是在阶跃光纤的条件下推导出来的，即认为纤芯区域的折射率是均匀的。但多模光纤大多数为渐变光纤，其纤芯区域中的折射率是渐变的。所以对应于（1.3.3）式的数值孔径叫做最大理论数值孔径NA t ，而在实际中却最常使用强度有效数值孔径NA e，它们两者的关系为： NAt =1.05 NAe (1.6.9）（4）.归一化频率V归一化频率是多模光纤最重要的结构参数，它能表征光纤中传播模式的数量。其表达式为： V = = (1.6.10)式中： 为光波

48、的波长(m)； n1为纤芯区域中最大折射率，对阶跃光纤而言它为常数，对渐变光纤而言它为轴心处的折射率； a1为纤芯的半径(m)； 为光纤的相对折射率差；实际上V是一个无量纲的参数。其值的大小能决定光纤中传播模式的数量。理论上可以证明，对于阶跃光纤而言其传播模式的数量为：N=0.5 V2 ；对于渐变光纤而言则为：N=0.25 V2。此外，由归一化频率V值的大小还可以初步确定是否能实现单模传输。若V值小于归一化截止频率VC（2 .4048），则可以实现单模传输，即N1。 光缆简介光缆设计的任务是为光纤提供可靠的机械保护，使之适应外部使用环境，并确保在敷设与使用过程中光缆中的光纤具有稳定可靠的传输性能。光缆的制造技术与电缆是不一样的。光纤虽有一定的强度和抗张能力，但经不起过大的侧压力与拉伸力；光纤在期短内接水触是没有问题的，但若长期处在多水的环境下会使光纤内的氢氧根离子增多，增加了光纤的衰耗。因此制造光缆不仅要保证光纤在长期使用过程中机械物理性能，而且还要注意其防水防潮性能。光缆可以适用于各种不同的使用环境，如架空光缆、直埋式光缆、管道光缆、海底光缆等等。光缆的