光纤的分类及比较(包括各种单模光纤的色散及衰减特性)

1、 G654光纤特性（色散、衰减）光纤特性（色散、衰减） 问题讲述流程问题讲述流程 1 光纤的分类及应用场合光纤的分类及应用场合 2 光纤的色散特性光纤的色散特性 3 光纤的衰减特性光纤的衰减特性 4 对各种单模光纤特性的比较（给出对各种单模光纤特性的比较（给出G654光纤的特性）光纤的特性） 1 1 光纤的分类及应用场合光纤的分类及应用场合 单模光纤的分类单模光纤的分类 目前，光纤主要分为两大类，单模光纤和多模光纤。 按照ITU的规范，单模光纤的分类如下： 多模光纤的分类：多模光纤的分类： 从性能上讲从性能上讲A1A1类光纤比类光纤比A2A2，A3A3，A4A4光纤特性好的多。多模光纤主要用于

2、光纤特性好的多。多模光纤主要用于 短距离的局域网、数据链路及传感等方面。短距离的局域网、数据链路及传感等方面。 多模光纤的分类多模光纤的分类 光纤纤芯包层模型 Fibre coreFibre core SiOSiO2 2+ GeO+ GeO2 2 10 10 m n n1 1 1.443 1.443 SiOSiO2 2 Cladding Cladding 125 125 m2 2 m m n n2 2 1.44 1.44 n1n2 单模：8 10m 多模：50m 125m 纤芯 包层 涂覆层 护套层 传感器光纤传感器光纤 保偏光纤保偏光纤 熊猫熊猫 领结领结 椭圆椭圆 光敏光敏光纤光纤 Pho

3、tosensitive Fiber for Fiber Gratings 1 光纤的分类及应用场合光纤的分类及应用场合 中继光缆中继光缆 低损耗，宽带宽；市内，城市间，长途 海底光缆海底光缆 低损耗，宽带宽，高机械性能，高可靠性；海底 用户光缆用户光缆 高密度，宽带宽，中低损耗；计算机网，光纤到户 局内光缆局内光缆 体积小，重量轻，柔软；局域网 无金属光缆无金属光缆 低损耗，抗电磁干扰；电力，石化，交通 复合光缆复合光缆 低损耗；电力 . 应应 用用 场场 合合 2 光纤的损耗（光纤的损耗（衰减）衰减）特性特性 光纤的损耗光纤的损耗（衰减）衰减）特性特性 光波在光纤中传输时随着传输距离的增加而

4、光功光波在光纤中传输时随着传输距离的增加而光功 率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗（也可叫传率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗（也可叫传 输衰减）。输衰减）。 形成光纤损耗的原因有很多，有来自形成光纤损耗的原因有很多，有来自光纤本身的光纤本身的 损耗损耗（吸收损耗、散射损耗），也有光纤与光源（吸收损耗、散射损耗），也有光纤与光源 的的耦合损耗耦合损耗以及光纤之间的以及光纤之间的连接损耗连接损耗，还有光纤，还有光纤 弯曲损耗弯曲损耗以及以及纤芯与包层中的损耗纤芯与包层中的损耗。 光纤本身损耗的分类光纤本身损耗的分类 吸收损耗吸收损耗 散射损耗散射损耗 本征吸收损耗：本征吸收损耗：光波通过光纤材料时的

5、损耗光波通过光纤材料时的损耗 杂质吸收损耗：杂质吸收损耗：材料的不纯净以及工艺的不材料的不纯净以及工艺的不 完善造成的附加吸收损耗（过渡金属离子吸完善造成的附加吸收损耗（过渡金属离子吸 收以及水的氢氧根离子的吸收）收以及水的氢氧根离子的吸收） 线性散射损耗线性散射损耗 非线性散射损耗非线性散射损耗（与石英光纤的振动激发态（与石英光纤的振动激发态 有关）有关） 瑞利散射：瑞利散射：光纤材料折射率光纤材料折射率 随机性变化引起随机性变化引起 材料不均匀引起的散射材料不均匀引起的散射 光纤损耗光纤损耗（衰减）衰减）的定义的定义 光纤衰减是对光信号在光纤中传输时能量损失的光纤衰减是对光信号在光纤中传输

6、时能量损失的 一种度量，单位为一种度量，单位为dB，在工作波长为，在工作波长为时的衰减时的衰减 A定义为：定义为： p1、p2分别为光纤注入端和输出端的光功率。分别为光纤注入端和输出端的光功率。 （ dB与与dBm） )(lg10)( 2 1 dB p p A= =l l 若光纤是均匀的，则还可以用单位长若光纤是均匀的，则还可以用单位长 度的衰减即衰减系数度的衰减即衰减系数来表示：来表示： )/(lg10 1 )( 1 )( 2 1 kmdB p p L A L = = =l ll la a 光纤损耗光纤损耗（衰减）衰减）的定义的定义 3 光纤的色散光纤的色散特性特性 光纤中的色散光纤中的色散

7、 光脉冲注入光纤后，长距离传输后脉光脉冲注入光纤后，长距离传输后脉冲的宽冲的宽 度被展宽度被展宽 z模间色散模间色散 z材料色散材料色散 z波导色散波导色散(waveguide dispersion)(waveguide dispersion) z偏振模色散偏振模色散 光纤色散的分类光纤色散的分类: 模间色散 在多模多模光纤中，各个模式走不同的路径， 高阶模走的路程长，低阶模走的路程短， 因此到达光纤终端的时间先后不同，造成 脉冲展宽，如下图所示。这种由于传输模由于传输模 式引起的色散叫做模间色散式引起的色散叫做模间色散。（即使谱线 很窄，模间色散也很大。） 模间色散图 单模光纤中的色散 在单

8、模光纤单模光纤中不存在多种模式，也就没有模间色 散，但脉冲展宽现象依然存在，这是由于光脉冲由于光脉冲 信号有一定的频谱宽度（光脉冲有不同的频率成信号有一定的频谱宽度（光脉冲有不同的频率成 分），不同工作波长的光信号在光纤中将有不同分），不同工作波长的光信号在光纤中将有不同 的传播群速度，造成光脉冲的展宽。这种的传播群速度，造成光脉冲的展宽。这种现象叫 群速度色散群速度色散，它一般小于模间色散。其主要由材材 料色散和波导色散料色散和波导色散所决定。 单模光纤色散对信号的影响 n材料色散由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率， 严格来说，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。

9、而光纤通信实际上用的光源发出的光，并不是 只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。 n当光在折射率n的为介质中传播时，其速度v与空气中的光速 C之间的关系为： n v=C/n n 光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。 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。 n由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生 全反射时，就可能有一部分光进入包层之内传输，另一部分 在纤芯中传输。进入包层内的光在传输一定距离后，又可能 回到纤芯中继续传输。由于纤芯和包层的折射率不同造成

10、脉 冲展宽的现象称为波导色散。 n光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同， 所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来 说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这 部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引 起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。 波导色散 d 虚反射面 反射面 穿透深度Z 侧向位移 n2 n1n2 n1 偏振模色散偏振模色散PMD 单模光纤只能传输一种基模的光。基模实际上是由 两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组 成。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等， HE11x和HE11y存在相位差，则合成光场是一个方

11、向和瞬时幅度随时间变化的非线性偏振，就会产生 双折射现象，即x和y方向的折射率不同。因传播速 度不等，模场的偏振方向将沿光纤的传播方向随机 变化，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。通常 小于0.5 ps/ km1/2 色散补偿技术色散补偿技术 当前，发展比较成熟的、主流的色散补偿技术主要当前，发展比较成熟的、主流的色散补偿技术主要 是采用是采用色散补偿光纤（色散补偿光纤（DCF）来进行来进行色散补偿色散补偿。其主要。其主要 技术是在每个（或几个）光纤段的输入或输出端通过放技术是在每个（或几个）光纤段的输入或输出端通过放 置置DCF色散补偿模块（色散补偿模块（DCM），周期性地使光纤链路），周期

12、性地使光纤链路 上累积的色散接近零，从而可以使单信道上累积的色散接近零，从而可以使单信道1550nm外调外调 制光纤干线的色散得到较好的补偿。制光纤干线的色散得到较好的补偿。 因此，对于超长距离的光纤传输，现有的色散补偿因此，对于超长距离的光纤传输，现有的色散补偿 技术可以相对较好的解决色散问题，对于超远距离的传技术可以相对较好的解决色散问题，对于超远距离的传 输，其首要考虑的因素是光纤的衰减特性。输，其首要考虑的因素是光纤的衰减特性。 4 4 对各种单模光纤特性的比较对各种单模光纤特性的比较 1 ）G652光纤又被称为光纤又被称为标准单模光纤标准单模光纤，这种光纤是目前应用在，这种光纤是目前

13、应用在 1310nm窗口的最广泛的零色散波长的单模光纤。窗口的最广泛的零色散波长的单模光纤。 2）其特点是当）其特点是当工作波长在工作波长在1310nm时，光纤的时，光纤的色散很小色散很小，约为，约为 3.5ps/nm*km,系统的传输距离基本上只受光纤衰减所限制；但系统的传输距离基本上只受光纤衰减所限制；但 在在1550nm波段色散较大，约为波段色散较大，约为20ps/nm*km。 3）这种光纤）这种光纤在在1310nm波段的损耗较大波段的损耗较大，约为，约为0.3-0.4db/km；在；在 1550nm波段的损耗较小，约为：波段的损耗较小，约为：0.2-0.25db/km。 基于以上特点，

14、这种光纤应用在基于以上特点，这种光纤应用在1550nm波段的波段的2.5Gbps的干线的干线 系统中，主要用于城域网。系统中，主要用于城域网。10Gbps系统色散受限距离为系统色散受限距离为34Km。 且且G652+DCF方案升级扩容成本高。方案升级扩容成本高。 波长 色散系数D 1310nm 1550nm 18 0 色散系数D的单位： ps/nm.km G652色散曲线图：色散曲线图： 1）针对标准单模光纤衰减和零色散在不同工作波长的特点，）针对标准单模光纤衰减和零色散在不同工作波长的特点， 后来开发了一种后来开发了一种将零色散波长从将零色散波长从1310nm移到移到1550nm的的色散色散

15、 位移光纤位移光纤，ITU将这种光纤定义为将这种光纤定义为G653。进行色散位移进行色散位移后，后， 这种光纤在这种光纤在1550nm波段的色散为波段的色散为0,此时此时零色散与低损耗工作零色散与低损耗工作 在同一波长上在同一波长上。 2）但是零色散不利于多信道）但是零色散不利于多信道WDM传输，因为当复用的信道传输，因为当复用的信道 数较多时，信道间距较小，这时就会产生一种称为数较多时，信道间距较小，这时就会产生一种称为四波混频四波混频 （FWM）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，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，导致信道间发生串波长混

16、合，产生新的、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，扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重。的干扰就会十分严重。 3）这种光纤适用）这种光纤适用10Gbps以上的单信道传输，但在波分复用以上的单信道传输，但在波分复用 后会发生严重的后会发生严重的4波混频现象，现已基本被淘汰。波混频现象，现已基本被淘汰。 1）G654光纤又称为光纤又称为衰减最小光纤衰减最小光纤，这是一种应用于，这是一种应用于1550nm 波段的波段的纯石英芯单模光纤纯石英芯单模光纤（普通的光纤纤芯要掺锗），这种，这种 光纤光纤在在1550nm波段衰减最小波段衰减最小，仅为仅为0.185dB

17、/km。 2）G654光纤在光纤在1310nm波段的色散为波段的色散为0，但在，但在1550nm处波段处波段 色散较大，约为色散较大，约为17-20ps/nm*km. 3)因因G654光纤光纤在在1550nm波段的衰减最小特性波段的衰减最小特性，结合较成熟的，结合较成熟的 色散补偿技术，该光纤原主要用于超长距离的的海底光缆。色散补偿技术，该光纤原主要用于超长距离的的海底光缆。 但在但在G655、G656成熟后，成熟后，G654光纤现也基本不用，属于淘光纤现也基本不用，属于淘 汰产品。汰产品。 1）G654光纤又称为光纤又称为非零色散光纤非零色散光纤，这是一种改进的色散位移，这是一种改进的色散位移 光纤，其光纤，其零色散波长不在零色散波长不在1550nm处，而在处，而在1525nm或或1585nm 处。处。 2）零色散光纤同时削减了色散效应和四波混频效应，所以非）零色散光纤同时削减了色散效应和四波混频效应，所以非 零色散光纤综合了标准单模光纤和色散位移光纤，有比较好零色散光纤综合了标准单模光纤