第2章光纤和光缆

1、2.1 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性2.4 2.4 光缆光缆2.5 2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法第第 2 2 章章 光纤和光缆光纤和光缆返回主目录预备知识预备知识1 1、均匀平面波在两理想介质交界面的反射和折射、均匀平面波在两理想介质交界面的反射和折射介质介质n2光疏光疏介质介质n1光密光密n法线方向法线方向折射率折射率n1n21 13 32 2（1）反射定律）反射定律1 1 = = 3 3 入射角等于反射角入射角等于反射角（2）折射定律）折射定律2211sinsinnn（3）全反射全反射 90

2、2当时当时c1如果再增大入射角，便只有反射光线，如果再增大入射角，便只有反射光线，没有折射光线，称为全反射现象。没有折射光线，称为全反射现象。2 2、dBdB与与dBmdBm的定义的定义（1 1）dBdB（分贝）（分贝）描述功率的相对值描述功率的相对值在设计和铺设光纤线路时，为了把信号功率与某个功率绝在设计和铺设光纤线路时，为了把信号功率与某个功率绝对值或某个噪声进行比较，定义了对值或某个噪声进行比较，定义了dB。dBPP12lg10功率功率比值10N10210.50.110-NdB10N1030-3-10-10N（2 2）dBmdBm描述功率的绝对值描述功率的绝对值光纤通信中描述功率绝对值的

3、最常用单位是光纤通信中描述功率绝对值的最常用单位是dBm,以以1 mv为基准，定义为：为基准，定义为：dBmmvP1lg10功率功率(mv)10010210.50.10.01dBm201030-3-10-20第第 2 2 章章 光光 纤纤 和和 光光 缆缆2.12.1光纤结构和类型光纤结构和类型2.1.12.1.1光纤结构光纤结构 光纤（光纤（Optical FiberOptical Fiber）：）： 纤芯：光能量传输的通道。纤芯：光能量传输的通道。 包层：为光的传输提供反射面和光隔离以及机械保护作用。包层：为光的传输提供反射面和光隔离以及机械保护作用。 设折射率，纤芯为设折射率，纤芯为n

4、n1 1；包层为；包层为n n2 2, ,则光能量在光纤中传输则光能量在光纤中传输的必要条件是的必要条件是n n1 1nn2 2。图2.1 光纤的外型包层n2纤芯n1n1n22.1.22.1.2光纤类型光纤类型按折射率分布可以分为以下三种：按折射率分布可以分为以下三种：（1 1）突变型多模光纤）突变型多模光纤（StepStepIndex Fiber, SIFIndex Fiber, SIF） 纤芯折射率为纤芯折射率为n n1 1保持不变，到包层突然变为保持不变，到包层突然变为n n2 2。这种光纤。这种光纤一般纤芯直径一般纤芯直径2a=5080 m2a=5080 m，光线以折线形状沿纤芯中心轴

5、线，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。带宽只方向传播，特点是信号畸变大。带宽只有有1020 MHz1020 MHzkmkm，一般一般用于小容量（用于小容量（8 Mb/s8 Mb/s以下）短距离（几以下）短距离（几kmkm以内）系统。以内）系统。 横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot输入脉冲光线传播路径输出脉冲（2 2） 渐变型多模光纤（渐变型多模光纤（GradedGradedIndex Fiber, GIFIndex Fiber, GIF） 在纤芯中心折射率最大为在纤芯中心折射率最大为n n1 1，沿径向，沿径向r r向外围逐渐向外围逐渐变小，直到包层变为变小

6、，直到包层变为n n2 2。这种光纤一般纤芯直径。这种光纤一般纤芯直径2a2a为为50m50m，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特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。点是信号畸变小。渐变型多模光纤的带宽可达渐变型多模光纤的带宽可达12 12 GHzGHzkmkm，适用于中等容量（，适用于中等容量（34140 Mb/s34140 Mb/s）中等距离）中等距离（1020 km1020 km）系统。）系统。横截面折射率分布输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 mm125mmrnAitAot（3 3）单模光纤（）单模光纤（SingleSingleMode Fiber, SMFMo

7、de Fiber, SMF） 折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有810 810 mm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这，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。大容量（单模光纤，其信号畸变很小。大容量（565 Mb/s2.5 565 Mb/s2.5 Gb/sGb/s）长距离）长距离(30 km(30 km以上以上) )系统要用单模光纤。系统要用单模光纤。横截面折射率分布输入脉冲光线传播路径输出脉冲10 mm1

8、25mmrnAitAot根据常规单模光纤设计的特种单模光纤：根据常规单模光纤设计的特种单模光纤： （1 1）W W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a2a与与纤芯直径纤芯直径2a2a的比值的比值a/a2a/a2。适当选取纤芯、外包层和内包。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率层的折射率n n1 1、n n2 2和和n n3 3，调整，调整a a值，可以得到在值，可以得到在1.31.6m1.31.6m之之间色散变化很小的色散光纤（间色散变化很小的色散光纤（DispersionDispersionFlattened Fiber, Flattened

9、Fiber, DFFDFF），或把零色散波长移到），或把零色散波长移到1.55 m1.55 m的色散移位光纤的色散移位光纤（DispersionDispersionShifted Fiber, DSFShifted Fiber, DSF）。）。色散平坦光纤适用色散平坦光纤适用于波分复用系统。于波分复用系统。2a 2an1n2n3（2 2）三角芯光纤）三角芯光纤 纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在散移位光纤。这种光纤在1.55 m1.55 m有微量色散，有有微量色散，有效面积较大，效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长适合

10、于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用距离系统使用，是一种非零色散光纤。，是一种非零色散光纤。 n2n3n(r)（3 3）椭圆芯光纤）椭圆芯光纤 纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折纤芯折射率分布呈椭圆形。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。双折射光纤或偏振保持光纤。适用于外差接收方式适用于外差接收方式的相干光系统的相干光系统n1n2按光纤的材料分：按光纤的材料分： （1 1）石英系光纤）石英系光纤 （2 2

11、）石英芯，塑料包层光纤）石英芯，塑料包层光纤 （3 3）多成分玻璃纤维）多成分玻璃纤维 （4 4）塑料光纤）塑料光纤公司名称1998年1999年2000年2001年1998年2001年中国光纤生产企业生产概况（单位为万公里）武汉长飞90180200410制棒能力于制棒能力于20012001年底达到千万年底达到千万公里，是国内仅有这一家可以公里，是国内仅有这一家可以生产生产G.655G.655光纤的厂家，具有大光纤的厂家，具有大规模生产多模和单模光纤的能规模生产多模和单模光纤的能力。力。上海朗讯120170200240进口预制棒生产单模光纤华新藤仓104580120进口预制棒生产单模光纤特发信息

12、6253540进口预制棒生产单模光纤富通昭和0155080进口预制棒生产单模光纤成都中住 4103070进口预制棒生产单模光纤南京特恩驰53020进口预制棒生产单模光纤西古3435少量制棒生产单模光纤其他2020-合计2334536031005自行研制预制棒拉丝能力约为46%2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理描述光纤传输原理有两种方法：描述光纤传输原理有两种方法：（1 1）几何光学射线法几何光学射线法 几何光学的方法比较直观，几何光学的方法比较直观， 容易理解，容易理解， 但不十分严格。但不十分严格。（2 2）解波动方程法解波动方程法 比较抽象，数学推导和演算复杂。比较抽象，数学推导和演

13、算复杂。 2.2.12.2.1几何光学方法几何光学方法 分析光束在光纤中传播的分析光束在光纤中传播的空间分布空间分布和和时间分布时间分布，并由此，并由此得到得到数值孔径数值孔径和和时间延迟时间延迟的概念。的概念。 1. 1. 突变型多模光纤突变型多模光纤( (全反射导光全反射导光) ) (1)(1)相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n n1 1和和n n2 2） 定义：定义：2122212nnn2121212)(nnnnn所以有：所以有：121/ )(nnn 弱导波光纤中弱导波光纤中n n1 1和和n n2 2相差很少，则相差很少，则 n n1 1

14、+ +n n2 2 2 2 n n1 1（2 2）数值孔径）数值孔径 为简便起见，以突变型多模光纤的交轴为简便起见，以突变型多模光纤的交轴( (子午子午) )光线光线为例，进为例，进一步讨论光纤的传输条件。一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射设纤芯和包层折射率分别为率分别为n n1 1和和n n2 2，空气的折射率，空气的折射率n n0 0=1=1， 纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z z轴一致，轴一致， 如图如图2.42.4。oz图图 2.4 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理突变型多模光纤的光线传播原理纤芯纤芯n1包层包层n233ylLx11y122ycC定义临界角定义临界角cc的正弦为

15、数值孔径的正弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律根据定义和斯奈尔定律设设=0.01=0.01，n n1 1=1.5=1.5，得到，得到N NA=0.21A=0.21或或c=12.2c=12.2。 NANA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。1 1）NANA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。2 2）NANA越大越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大经光纤传输后产生的信号畸变越大2sin12221nnnNAC（3 3）时间

16、延迟）时间延迟 现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图2.42.4，入射角为入射角为的光线在长度为的光线在长度为L(ox)L(ox)的光纤中传输，所经历的路的光纤中传输，所经历的路程为程为l(oyl(oy) )， 在在不大的条件下，其传播时间即时间延迟为不大的条件下，其传播时间即时间延迟为)21 (sec211111cLncLncln 式中式中c c为真空中的光速。由式为真空中的光速。由式(2.4)(2.4)得到最大入射角得到最大入射角(=c)(=c)和最小入射角和最小入射角(=0(=0) )的光线之间时间延迟差近似为的光线之间时间延迟差近似为

17、 cLnNAcnLcnLc12121)(222. 2. 渐变型多模光纤渐变型多模光纤( (自聚焦导光）自聚焦导光） 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。 渐变型光纤折射率分布的普遍公式为渐变型光纤折射率分布的普遍公式为 式中，式中，n n1 1和和n n2 2分别为纤芯中心和包层的折射率，分别为纤芯中心和包层的折射率，r r和和a a分别分别为径向坐标和纤芯半径，为径向坐标和纤芯半径，=(n=(n1 1-n-n2 2)/n)/n1 1为相对折射率差，为相对折射率差，g g为折为折射率分布指数。射率分布指数。 在在gg，(r/a)0

18、(r/a)0的极限条件下，上式表示的极限条件下，上式表示突变型多模光纤的折射率分布。突变型多模光纤的折射率分布。g=2g=2，n(r)n(r)按平方律按平方律( (抛物线抛物线) )变变化化，表示常规渐变型多模光纤折射率分布。，表示常规渐变型多模光纤折射率分布。具有这种分布的光具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小宽减小。 )(1 )(21 1211ggarnarnn11-=n2 ra 0ran(r)= （2.6）（1 1）局部数值孔径）局部数值孔径由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标由于渐变型多模光

19、纤折射率分布是径向坐标r r的函数，纤芯各的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径义局部数值孔径NA(r)NA(r)和最大数值和最大数值孔径孔径NAmaxNAmax 222)()(nrnrNA2221maxnnNA（2 2）射线方程的解）射线方程的解 用几何光学方法分析渐变型多模光纤要求解射线方程，用几何光学方法分析渐变型多模光纤要求解射线方程，射线方程一般形式为：射线方程一般形式为：ndsdndsd)( 式中，为特定光线的位置矢量， s为从某一固定参考点起的光线长度。选用圆柱坐标(r, ，z)，把渐变型多模光纤的子午面(r - z)示于图2.5。 图 2.

20、5 渐变型多模光纤的光线传播原理 oidzrirmp纤芯n(r)r*zr0dr 如式如式(2.6)(2.6)所示，一般光纤相对折射率差都很小，光线和所示，一般光纤相对折射率差都很小，光线和中心轴线中心轴线z z的夹角也很小，即的夹角也很小，即sinsin。由于折射率分布具。由于折射率分布具有圆对称性和沿轴线的均匀性，有圆对称性和沿轴线的均匀性，n n与与和和z z无关。在这些条件无关。在这些条件下，下， 式式(2.7)(2.7)可简化为可简化为drdndzrdndzdrndzd22)(22222)(1 22ararardzrd 解这个二阶微分方程，解这个二阶微分方程， 得到光线的轨迹为：得到光

21、线的轨迹为：把式把式(2.6)(2.6)和和g=2g=2代入式代入式(2.8)(2.8)得到：得到： r * =cos(Az) -An(0) sin(Az) cos(Az) )sin()0(1AZAnr10（2.13）（3 3）自聚焦效应）自聚焦效应为观察方便，把光线入射点移到中心轴线为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0, r(z=0, ri i=0)=0)，由，由式式(2.12)(2.12)和式和式(2.13)(2.13)得到得到)sin()0(AzAnr *=0cos(Az) 由此可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离由此可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z z的正弦的正弦

22、函数，对于确定的光纤，函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角其幅度的大小取决于入射角0 0， 其周期其周期=2/A=2a/ =2/A=2a/ ， 取决于光纤的结构参数取决于光纤的结构参数(a, (a, )， 而与入射角而与入射角0 0无关无关。这说明不同入射角相应的光线，。这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P P点上，这种现象点上，这种现象称为自聚焦称为自聚焦(Self(SelfFocusing)Focusing)效应。效应。 2 渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射

23、角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。等。这是因为这是因为(1)(1)光线传播速度光线传播速度v(r)=c/n(r)(cv(r)=c/n(r)(c为光速为光速) )，入射角大的光线经，入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)n(r)较小，传较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。播速度较快，补偿了较长的路程。(2)(2)入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。 所以这些光线的时间延迟近似相等。所以这

24、些光线的时间延迟近似相等。 2.2.22.2.2光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论 虽然几何光学的方法对光线在光纤中的传播可以提供直观虽然几何光学的方法对光线在光纤中的传播可以提供直观的图像，但对光纤的传输特性只能提供近似的结果。光波是电的图像，但对光纤的传输特性只能提供近似的结果。光波是电磁波，只有通过求解由磁波，只有通过求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程分析电麦克斯韦方程组导出的波动方程分析电磁场的分布磁场的分布( (传输模式传输模式) )的性质的性质，才能更准确地获得光纤的传输，才能更准确地获得光纤的传输特性。特性。 参考书：参考书：光纤通信原理光纤通信原理 顾畹仪顾畹仪 李国瑞李国瑞

25、 北邮出版社北邮出版社 光纤通信光纤通信 Gerd keiser Gerd keiser 电子工业出版社电子工业出版社3. 3. 多模渐变型光纤的模式特性多模渐变型光纤的模式特性 传输模数传输模数2)2()2(2122vggnkaggM对于突变型光纤，对于突变型光纤，g，M=V2/2； 对于平方律渐变型光对于平方律渐变型光纤，纤，g=2，M=V2/4。 4. 4. 单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性 单模条件和截止波长单模条件和截止波长从图从图2.82.8和表和表2.22.2可以看到，传输可以看到，传输模式数目随模式数目随V V值的增加而增多。当值的增加而增多。当V V值减小时，不断发生模式

26、截值减小时，不断发生模式截止，止， 模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405V2.405时，只时，只有有HEHE1111(LP(LP0101) )一个模式存在，其余模式全部截止。一个模式存在，其余模式全部截止。HEHE1111称为基模，称为基模，由两个偏振态简并而成。由两个偏振态简并而成。 由此得到由此得到单模传输条件单模传输条件为为 V= (2.36) 由式由式(2.36)可以看到，可以看到，对于给定的光纤对于给定的光纤(n1、n2和和a确定确定)，存在，存在一个临界波长一个临界波长c，当，当c时，是单模时，是单模传输传输，这个临界波长，这个临界波

27、长c称为截止波长。由此得到称为截止波长。由此得到405. 222221nna2.405V405. 2cCV或405. 222221 nnaC图 2.8 若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线 01234560b1n1n2 / kHE11TE01HE31HM01HE21EH11EH12HE41EH21TM02TE02HE22V 光强分布和模场半径光强分布和模场半径通常认为单模光纤基模通常认为单模光纤基模HEHE1111的电的电磁场分布近似为高斯分布磁场分布近似为高斯分布 (r)=A exp )(20wr 式中，式中，A A为场的幅度，为场的幅度，r r为径向坐标，为径向坐标，w w0

28、0为高斯分布为高斯分布1/e1/e点的半宽度，称为模场半径。实际单模光纤的模场半径点的半宽度，称为模场半径。实际单模光纤的模场半径w w0 0是是用测量确定的，常规单模光纤的归一化的模场半径的经验公用测量确定的，常规单模光纤的归一化的模场半径的经验公式为：式为：aw0 0.65+1.619V-1.5+2.879V-6=0.65+0.434 +0.01495 . 1)(c6)(c11/e20w0rP2.32.3光纤传输特性光纤传输特性 光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变( (失真失真) )，因而输出，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且

29、信号和输入信号不同。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。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和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的。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。和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据。 2.3.12.3.1光纤色散光纤色散1. 1. 色散、色散、 带宽和脉冲展宽带宽和脉冲展宽 色散色散(Dispersion)(Disp

30、ersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式的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。色散、材料色散和波导色散。 模式色散模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的，是由于不同模式的时间延迟不同而产生的， 它取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。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不同波长成分

31、的光( (实际光源不是纯单色光实际光源不是纯单色光) )，其时间延迟不同而，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性和光源的谱产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。线宽度。 波导色散波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，是由于波导结构参数与波长有关而产生的， 它取它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。 13-光纤材料色散.swf 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不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同。如果信号是模拟调制的: :色散限制带宽

32、色散限制带宽(Bandwith(Bandwith) )； 如如果信号是数字脉冲果信号是数字脉冲: :色散产生脉冲展宽色散产生脉冲展宽(Pulse broadening)(Pulse broadening)。 所以，所以， 色散通常用色散通常用3 dB3 dB光带宽光带宽f f3 3dBdB或或脉冲展宽脉冲展宽表示。表示。 （1 1）用脉冲展宽表示时，）用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成光纤色散可以写成 =(=(2 2n n+ +2 2m m+ +2 2w w) )1/21/2 式中式中n n、m m、w w分别为模式色散、材料色散和波导分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均方

33、根值。色散所引起的脉冲展宽的均方根值。 （2 2）用）用3 dB3 dB光带宽光带宽f f3 3dBdB表示色散表示色散光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论。如果光纤光纤带宽的概念来源于线性非时变系统的一般理论。如果光纤可以按线性系统可以按线性系统处理，其输入光脉冲功率处理，其输入光脉冲功率P Pi i(t)(t)和输出光脉冲和输出光脉冲功率功率P Po o(t)(t)的一般关系为的一般关系为 Po(t)=dttptthi)()(1/21/ e输入脉冲光 纤1tPi(t)(t)H1(f)1ff3dB0310lgH( f )/dBPo(t) h(t)H2( f ) H( f )t2输出脉

34、冲图图 2.11 光纤带宽和脉冲展宽的定义光纤带宽和脉冲展宽的定义 1 1） 当输入光脉冲当输入光脉冲P Pi i(t)=(t)(t)=(t)时时输出光脉冲输出光脉冲P Po o(t)=h(t)(t)=h(t)，式中，式中(t)(t)为为函数，函数，h(t)h(t)称为光纤称为光纤冲击响应。冲击响应。 冲击响应冲击响应h(t)h(t)的傅里叶的傅里叶(Fourier)(Fourier)变换为变换为 H(fH(f)= (2.43)= (2.43) dtjftth)2exp()( 一般，频率响应一般，频率响应|H(f)|H(f)|随频率的增加而下降，这表明输入信随频率的增加而下降，这表明输入信号的

35、高频成分被光纤衰减了。受这种影响，光纤起了低通滤号的高频成分被光纤衰减了。受这种影响，光纤起了低通滤波器的作用。波器的作用。 将归一化频率响应将归一化频率响应|H(f)/H(0)|H(f)/H(0)|下降一半或减下降一半或减小小3dB3dB的频率定义为光纤的频率定义为光纤3dB3dB光带宽光带宽f f3 3 dBdB，由此得到由此得到 |H(f|H(f3 3dB)/H(0)|=1/2 (2.44a)dB)/H(0)|=1/2 (2.44a)或或 T(fT(f)=10lg|H(f)=10lg|H(f3 3dBdB)/H(0)|=-3 (2.44b)/H(0)|=-3 (2.44b) 一般，一般，

36、 光纤不能按线性系统处理，光纤不能按线性系统处理， 但如果系统光源的频但如果系统光源的频谱宽度谱宽度比信号的频谱宽度比信号的频谱宽度ss大得多大得多，光纤就可以近，光纤就可以近似为线性系统。光纤传输系统通常满足这个条件。光纤实际测似为线性系统。光纤传输系统通常满足这个条件。光纤实际测试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设试表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设Po(t)=h(t)=exp )2(22t 式中，式中，为均方根为均方根(rms(rms) )脉冲宽度。对式脉冲宽度。对式(2.45)(2.45)进行傅里叶进行傅里叶变换，代入式变换，代入式(2.44a)(2.44a)得到得到expexp（-2

37、-22 22 2f f2 23 3dBdB）= (2.46)= (2.46)由式由式(2.46)(2.46)得到得到3dB3dB光带宽为光带宽为21f3 dB= )(187122ln2ZMH用高斯脉冲半极大全宽度用高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)= =2.355(FWHM)= =2.355，代入式，代入式(2.47a)(2.47a)得到得到f3 dB=)(440ZMH2ln2(2.45)2 2） 输入脉冲不是输入脉冲不是函数。函数。设输入脉冲和输出脉冲为式设输入脉冲和输出脉冲为式(2.45)(2.45)表示的高斯函数，其表示的高斯函数，其rmsrms脉冲脉冲宽度分别为宽度分别为1 1和和2 2

38、，频率响应分别为，频率响应分别为H H1 1(f)(f)和和H H2 2(f)(f)，根据傅里，根据傅里叶变换特性得到叶变换特性得到 H(fH(f)= (2.48)= (2.48) 由此得到，由此得到， 信号通过光纤后产生的脉冲展宽信号通过光纤后产生的脉冲展宽= = 或或= = ，1 1和和2 2分别为输入脉冲和输分别为输入脉冲和输出脉冲的出脉冲的FWHMFWHM。 21222122)()(12fHfH3. 3. 单模光纤的色散单模光纤的色散 色度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 波 导 色 散

39、总 称 为 色 度 色 散散 。 材 料 色 散 和 波 导 色 散 总 称 为 色 度 色 散 ( ( Chromatic DispersionChromatic Dispersion) )，常简称为色散，它是时间，常简称为色散，它是时间延迟随波长变化产生的结果。延迟随波长变化产生的结果。 经合理简化，单位长度的单模光纤色散系数为)1 ()()()(222dvbvdMddc1.1色散平坦色散移位常规1.21.31.41.51.61.7201001020波长 / mm色散 / (ps(nmkm)1) 2.3.2光纤损耗光纤损耗光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。光纤的损耗在很大程度上决

40、定了系统的传输距离。 在最一般的条件下，在最一般的条件下， 在光纤内传输的光功率在光纤内传输的光功率P随距离随距离z的的变化，可以用下式表示变化，可以用下式表示 (2.59)式中，式中，是损耗系数。设长度为是损耗系数。设长度为L(km)的光纤，的光纤， 输入光功率输入光功率为为Pi，根据式，根据式(2.59)，输出光功率应为，输出光功率应为apdzdp Po=Piexp (-L) (2.60)习惯上习惯上的单位用的单位用dB/km， 由式由式(2.60)得到损耗系数得到损耗系数 = )/(lg100kmdBppLi 1. 1. 损耗的机理损耗的机理 图图2.152.15是单模光纤的损耗谱，图中

41、示出各种机理产生是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗吸收损耗和和散射损耗散射损耗两部分。两部分。 （1 1）吸收损耗）吸收损耗 1 1）SiOSiO2 2引起的固有吸收（本征损耗）引起的固有吸收（本征损耗） 由电子跃迁引起的紫外吸收；由分子振动引起的红外吸收由电子跃迁引起的紫外吸收；由分子振动引起的红外吸收 2 2）杂质引起的吸收。）杂质引起的吸收。 过渡金属过渡金属( (例如例如FeFe2 2+ +、CoCo2 2+ +、CuCu2 2+)+)、氢氧根、氢氧根(OH-)(OH-)离子离子（2 2）散射损耗）散射损耗

42、1 1）瑞利）瑞利(Rayleigh)(Rayleigh)散射（本征损耗）散射（本征损耗）主要由材料微观密度不均匀引起，与波长主要由材料微观密度不均匀引起，与波长四次方成反比。四次方成反比。R R=A/=A/4 4，当当分别为分别为0.2%0.2%和和0.5%0.5%时，时，A A分别为分别为0.860.86和和1.021.02。如果如果=0.2%=0.2%，在，在1.55m1.55m波长，光纤最低理论极限为波长，光纤最低理论极限为0.149 0.149 dB/kmdB/km。 2 2）由光纤结构缺陷）由光纤结构缺陷( (如气泡如气泡) )引起的散射引起的散射图 2.15 单模光纤损耗谱， 示

43、出各种损耗机理 0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长 / mm损耗 / (dBkm1) 2. 2. 实用光纤的损耗谱实用光纤的损耗谱 根据以上分析和经验，光纤总损耗根据以上分析和经验，光纤总损耗与波长与波长的关系可的关系可以表示为以表示为= +B+CW()+IR()+UV() 4A 式中，式中，A A为瑞利散射系数，为瑞利散射系数，B B为结构缺陷散射产生的损耗，为结构缺陷散射产生的损耗，CW()CW()、IR()IR()和和UV()UV()分别为杂质吸收、红外吸收和紫外分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗

44、。吸收产生的损耗。 图 2.16光纤损耗谱(a) 三种实用光纤； (b) 优质单模光纤 波长 / mm损耗 /( dBkm1)0.802468100.61.01.21.41.6800损耗 / (dBkm1)波长 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600abcdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB / km(a)(b)1.8由图由图2.162.16看到：看到：（1 1）从多模突变型）从多模突变型(SIF)(SIF)、渐变型、渐变型(GIF)(GIF)光纤到单模光纤

45、到单模(SMF)(SMF)光光纤，损耗依次减小。纤，损耗依次减小。（2 2）在）在0.81.55 m0.81.55 m波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长增加而迅速减小。增加而迅速减小。（3 3）从多模）从多模SIFSIF、 GIFGIF光纤到光纤到SMFSMF光纤，色散依次减小光纤，色散依次减小( (带宽带宽依次增大依次增大) )。正因为这些特性，正因为这些特性， 使光纤通信从使光纤通信从SIFSIF、GIFGIF光纤发展到光纤发展到SMFSMF光光纤，从短波长纤，从短波长(0.85 m)“(0.85 m)“窗口窗口”发展到长波长发展到长波长(1.31 m(1

46、.31 m和和1.55 m)“1.55 m)“窗口窗口”，使系统技术水平不断提高。，使系统技术水平不断提高。 2.3.32.3.3光纤标准和应用光纤标准和应用 制订光纤标准的国际组织主要有制订光纤标准的国际组织主要有ITU - T(ITU - T(国际电信联盟国际电信联盟 电信标准化机构电信标准化机构) )，即原，即原CCITT(CCITT(国际电报电话咨询委员会国际电报电话咨询委员会) )和和IEC(IEC(国际电工委员会国际电工委员会) )。 G.651 G.651 多模渐变型多模渐变型(GIF)(GIF)光纤光纤(0.85um(0.85um） G.652 G.652 常规单模光纤（常规单

47、模光纤（1.31/1.55um1.31/1.55um） G.653 G.653 色散移位光纤色散移位光纤 （1.55um1.55um） G.654 1.55 mG.654 1.55 m损耗最小的单模光纤（损耗最小的单模光纤（1.55um1.55um）G.655G.655非零色散光纤（非零色散光纤（1.54-1.56um1.54-1.56um） 是一种改进的色散移位光纤。在密集波分复用是一种改进的色散移位光纤。在密集波分复用(WDM)(WDM)系统系统中，当使用波长中，当使用波长1.55 m1.55 m色散为零的色散移位光纤时，由于复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

48、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种称为四波混频的非线性效应。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，四波混频反而减小。为消的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。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，零色散波长不在点是有效面积较大，零色散波长不在1.55 m1.55 m，

49、而在，而在1.525 1.525 mm或或1.585 m1.585 m。 这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了这种光纤在密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。超大容量超长距离的通信。2.42.4光缆光缆2.4.12.4.1光缆基本要求光缆基本要求 保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆塑料被覆和和应力筛选应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料( (例如紫外固化的丙例如紫外固化的丙烯酸树脂烯酸树脂) )进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成进行一次被覆和应力筛选

50、，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料品光纤用硬塑料( (例如高强度聚酰胺塑料例如高强度聚酰胺塑料) )进行二次被覆。进行二次被覆。 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 紧套一次被覆光纤松套大套管一次被覆光纤带状线(a)(b)(c)(d)图 2.19 松套管光纤的无应力“窗口” 光纤应变/%1.00.50.51.00.50.51.0附加损耗/(dBkm1)1050.51.00.51.0低温收缩拉力伸长低温收缩拉力伸长光缆应变/%光缆应变/%(a)(b)0 2.4.22.4.2光缆结构和类型光缆结构和类型 光缆一般由缆芯和护套两部

51、分组成，光缆一般由缆芯和护套两部分组成， 有时在护套外面加有时在护套外面加有铠装。有铠装。 1. 1. 缆芯缆芯 缆芯通常包括：缆芯通常包括： 被覆光纤被覆光纤( (或称芯线或称芯线) ) 加强件加强件 通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳通常用杨氏模量大的钢丝或非金属材料例如芳纶纤维纶纤维(Kevlar)(Kevlar)做成。做成。 2. 2. 护套护套 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耐腐蚀的能力。 光缆类型多种多样，根据缆芯结构的特点，光缆可分光缆类型多种多样，根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本形式。为四种基本形式。（1 1）层绞式）

52、层绞式把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。 这种结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。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。采用松套光纤的缆芯可以增强抗拉强度，改善温度特性。填充绳(聚乙烯)第一单元松套管(6芯)第二单元松套管(6芯)包带皱纹钢带PE层尼龙12外护层中心加强件填充油膏（2）骨架式）骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围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。的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。这种结构的缆这种结构的缆芯

53、抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。芯抗侧压力性能好，有利于对光纤的保护。PE外护层皱纹钢带塑料骨架中心加强件紧套光纤（3）中心束管式）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，加强件配置在套管周围而构成。配置在套管周围而构成。这种结构的加强件同时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。起着护套的部分作用，有利于减轻光缆的重量。PE外护层铝纵包钢丝(分散加强)高强度塑料光纤束管648 芯光纤（4）带状式）带状式把带状光纤单元放入大套管内，把带状光纤单元放入大套管内， 形成中心束管式形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨

54、架凹槽内或结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，松套管内， 形成骨架式或层绞式结构。形成骨架式或层绞式结构。带状式缆带状式缆芯有芯有利于制造容纳几百根光纤的高密度光缆，这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。种光缆已广泛应用于接入网。外护层金属加强件塑料绕包带带状光纤单元带状线光纤塑料一般光缆有: 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。 2.4.32.4.3光缆特性光缆特性 光缆的传输特性取决于被覆光

55、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. 1. 拉力特性拉力特性 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. 2. 压力特性压力特性 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. 3. 弯曲特性弯曲特性 弯

56、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，光辐射引起的光纤附加损耗可以忽略，若小于最小弯曲半径，附加损耗则急剧增加。4. 4. 温度特性温度特性 光纤本身具有良好的温度特性。 光缆温度特性主要取决于光缆材料的选择及结构的设计采用松套管二次被覆光纤的光缆温度特性较好。温度变化时， 光纤损耗增加，主要是由于光缆材料(塑料)的热膨胀系数比光纤材料(石英)大23个数量级，在冷缩或热胀过程中，光纤受到应力作用而产生的。在我国，对光缆使用温度的要求，一般在低温

57、地区为-40 +40 ， 在高温地区为-5 +60 。 2.52.5光纤特性测量方法光纤特性测量方法 光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。和传输特性三类。1.1.几何特性：纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；几何特性：纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；2.2.光学特性：折射率分布、数值孔径、模场直光学特性：折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；径和截止波长；3.3.传输特性：损耗、带宽和色散。传输特性：损耗、带宽和色散。每个特性参数有多种不同的每个特性参数有多种不同的测量方法测量方法基准法：严格按照定义进行测量的

58、方法。基准法：严格按照定义进行测量的方法。替代法：在某种意义上与定义相一致的测量方法。替代法：在某种意义上与定义相一致的测量方法。当两者有争议时，应以基准法为准。当两者有争议时，应以基准法为准。 测量思路测量思路：本节介绍光纤损耗、带宽：本节介绍光纤损耗、带宽( (色散色散) )和和截止波长的测量原理和测量方法。这些特性参数的截止波长的测量原理和测量方法。这些特性参数的测量的共同的特点是用特定波长的光通过光纤，然测量的共同的特点是用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理而实现的。等物理

59、量的变化，再经过相应的数据处理而实现的。2.5.12.5.1损耗测量损耗测量 光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。 1. 1. 剪断法（基准法）剪断法（基准法） 光纤损耗系数由式(2.61a)确定， 即)/(lg1021KmdBppLa 式中，L为被测光纤长度(km)，P1和P2分别为输入光功率和输出光功率(mW或W)。 由于高阶模式的损耗比低阶模式的更大，在光纤中传输的由于高阶模式的损耗比低阶模式的更大，在光纤中传输的( (对对数数) )光功率光功率lgPlgP与光纤长度与光纤长度L L的关系不是线性关

60、系。如图的关系不是线性关系。如图2.212.21所所示，测得的示，测得的值与注入条件和光纤长度有关，但不能惟一代值与注入条件和光纤长度有关，但不能惟一代表光纤的本征特性。由图可见：表光纤的本征特性。由图可见：（1 1）只有在稳态模式分布）只有在稳态模式分布( (注入注入光束数值孔径光束数值孔径NANAb b和被测光纤数值和被测光纤数值孔径孔径NANAf f相匹配相匹配) )的注入条件下，的注入条件下，lgPlgP与与L L才是线性关系。才是线性关系。（2 2）满注入）满注入(NA(NAb bNANAf f) )或欠注入或欠注入(NA(NAb bNANAf f) )的条件下，被测短光的条件下，被