2016综合布线基础知识讲义26

10.1光纤结构和类型10.2光纤传输原理10.3光纤传输特性10.4光缆10.5光纤特性测量方法第十

章光纤和光缆返回主目录第十

章光纤和光缆10.1光纤结构和类型

10.1.1光纤结构光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。

返回n1n2n2n1n2纤芯包层涂覆层护套结构—两个同轴区，内区称为纤芯，外区称为包层。通常，在包层外面还有一层起支撑保护作用的套层。图10.1光纤的外形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要条件是n1>n2。纤芯和包层的相对折射率差

Δ=（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%。Δ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。

10.1.2光纤类型

实用光纤主要有三种基本类型突变型多模光纤（StepIndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（GradedIndexFiber,GIF）单模光纤（SingleModeFiber,SMF）图2.2三种基本类型型的光纤(a)突变型多模光光纤；(b)渐变型多模光光纤；（（c）单模光纤纤n2n1多模阶跃光纤nr多模梯度光纤n2n1单模梯度光纤单模光纤和多多模光纤图2.3典型特种单模模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯渐变型多模光光纤的带宽可可达1~2GHz·km，适用于中等等容量（34~140Mb/s）中等距离（（10~20km）系统。大容量（565Mb/s～2.5Gb/s）长距离(30km以上)系统要用单模模光纤。特种单模光纤纤大幅度提高高光纤通信系系统的水平。。10.2光纤传输原理理在极限介质空空间尺寸>>波长λ条件下，可以以用几何光学学的射线方程程作近似分析析。几何光学的方方法比较直观观，容易理理解，但并并不十分严格格。10.2.1几何光学方法法1.突变型多模光光纤（SIF）图2.4突变型多模光光纤的光线传传播原理以突变型多模模光纤的交轴轴(子午)光线为例，进进一步讨论光光纤的传输条条件。设纤芯芯和包层折射射率分别为n1和n2，空气的折射射率n0=1，纤芯中心心轴线与z轴一致，如如图2.4。光线在光纤纤端面以小角角度θ从空气入射到到纤芯(n0<n1)，折射角为θ1，折射后的光光线在纤芯直直线传播，并并在纤芯与与包层交界面面以角度ψ1入射到包层(n1>n2)。改变角度θ，不同θ相应的光线将将在纤芯与包包层交界面发发生反射或折折射。根据全反射原理，存在一个个临界角θc，当θ<θc时，相应的光光线将在交界界面发生全反反射而返回纤纤芯，并以以折线的形状状向前传播，，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)当θ=θc时，相应的光光线将以ψc入射到交界面面，并沿交界界面向前传播播(折射角为90°)，如光线2，当θ>θc时，相应的光光线将在交界界面折射进入入包层并逐渐渐消失，如光光线3。由此可见，，只有在半锥锥角为θ≤θc的圆锥内入射射的光束才能能在光纤中传传播。定义临界角θc的正弦为数值值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和和斯奈尔定律律式中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层层相对折射率率差。设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。NA表示光纤接收收和传输光的的能力，NA(或θc)越大，光纤接接收光的能力力越强，从光光源到光纤的的耦合效率越越高。对于无无损耗光纤，，在θc内的入射光都都能在光纤中中传输。NA越大，纤芯芯对光能量的的束缚越强，，光纤抗弯曲曲性能越好。。但NA越大经光纤纤传输后产生生的信号畸变变越大，因而而限制了信息息传输容量。。所以要根据据实际使用场场合，选择适适当的NA。现在我们来观观察光线在光光纤中的传播播时间。入射射角为θ的光线在长度度为L(ox)的光纤中传输输，所经历的的路程为l(oy)，在θ不大的条件下下，其传播时时间即时间延延迟为式中c为真空中的光光速。由式(2.4)得到最大入射射角(θ=θc)和最小入射角角(θ=0)的光线之间时时间延迟差近近似为注意：n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1这种时间延迟迟差在时域产产生脉冲展宽宽，或称为信信号畸变。设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，计算得到脉冲冲展宽Δτ=44ns，相当于10MHz··km左右的带宽。。2.渐变型多模光光纤渐变型多模光光纤具有能减减小脉冲展宽宽、增加带宽宽的优点。渐渐变型光纤纤折射率分布布的普遍公式式为n1［1-Δ］=n2r≥a0≤r≤an(r)=式中，n1和n2分别为纤芯中中心和包层的的折射率，r和a分别为径向坐坐标和纤芯半半径，Δ=(n1-n2)/n1为相对折射率率差，g为折射率分布布指数。在g→∞，(r/a)→→0的极限条件下下，表示突变变型多模光纤纤的折射率分分布。g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常常规渐变型多多模光纤的折折射率分布。。具有这种分布布的光纤，不不同入射角的的光线会聚在在中心轴线的的一点上，因因而脉冲展宽宽减小。nr多模梯度光纤由于渐变型多多模光纤折射射率分布是径径向坐标r的函数，纤芯芯各点数值孔孔径不同，所所以要定义局局部数值孔径径NA(r)和最大数值孔孔径NAmax图2.5渐变型多模光光纤的光线传传播原理选用圆柱坐标标(r,φ，z)，渐变型多模模光纤的子午午面(r-z)渐变型多模光光纤的光线轨轨迹是传输距距离z的正弦函数，，对于确定的的光纤，其幅幅度的大小取取决于入射角角θ0，其周期Λ=2πa/，取决于光纤的的结构参数(a,Δ)，而与入射射角θ0无关。这说明不同入入射角相应的的光线，虽虽然经历的路路程不同，但但是最终都会会聚在P点上上，，这这种种现现象象称称为为自聚聚焦焦(SelfFocusing)效应应。渐变变型型多多模模光光纤纤具具有有自自聚聚焦焦效效应应，，不不仅仅不不同同入入射射角角相相应应的的光光线线会会聚聚在在同同一一点点上上，，而而且且这这些些光光线线的的时时间间延延迟迟也也近近似似相相等等。。nr多模梯度光纤10.2光纤纤传传输输原原理理要详详细细描描述述光光纤纤传传输输原原理理，，需需要要求求解解由由麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组导导出出的的波波动动方方程程。。但但在在极极限限(波数数k=2ππ/λλ非常常大大，，波波长长λ→→0)条件件下下，，可可以以用用几几何何光光学学的的射射线线方方程程作作近近似似分分析析。。几几何何光光学学的的方方法法比比较较直直观观，，容容易易理理解解，，但但并并不不十十分分严严格格。。不不管管是是射射线线方方程程还还是是波波动动方方程程，，数数学学推推演演都都比比较较复复杂杂，，我我们们只只选选取取其其中中主主要要部部分分和和有有用用的的结结果果。。10.2.2光纤纤传传输输的的波波动动理理论论虽然然几几何何光光学学的的方方法法对对光光线线在在光光纤纤中中的的传传播播可可以以提提供供直直观观的的图图像像，，但但对对光光纤纤的的传传输输特特性性只只能能提提供供近近似似的的结结果果。。光光波波是是电电磁磁波波，，只只有有通通过过求求解解由由麦克克斯斯韦韦方方程程组组导出出的的波波动动方方程程分分析析电电磁磁场场的的分分布布(传输输模模式式)的性性质质，，才才能能更更准准确确地地获获得得光光纤纤的的传传输输特特性性。。1.波动动方方程程和和电电磁磁场场表表达达式式设光光纤纤没没有有损损耗耗，，折折射射率率n变化化很很小小，，在在光光纤纤中中传传播播的的是是角角频频率率为为ω的单单色色光光，，电电磁磁场场与与时时间间t的关关系系为为exp(jωωt)，则则标量量波波动动方方程程为式中中，，E和H分别别为为电电场场和和磁磁场场在在直直角角坐坐标标中中的的任任一一分分量量，，c为光光速速。。选选用用圆圆柱柱坐坐标标(r,φφ，z)，使使z轴与与光光纤纤中中心心轴轴线线一一致致，，将将式式(2.18)在圆圆柱柱坐坐标标中中展开开，，得得到到电电场场的的z分量量Ez的波波动动方方程程为为(磁场场分分量量Hz方程程的的形形式式完完全全相相同同)：(2.18)(2.19)把Ez(r,φφ,z)分解解为为Ez(r)、Ez(φφ)和Ez(z)。设光光沿沿光光纤纤轴轴向向(z轴)传输输，，其其传输输常常数数为为β，则则Ez(z)应为为exp(-jββz)。由于于光光纤纤的的圆圆对对称称性性，，Ez(φφ)应为方位位角φ的周期函函数，设设为exp(jvφφ)，v为整数。。现在Ez(r)为未知函函数，利利用这些些表达式式，电电场z分量可以以写成Ez(r,φ,z)=Ez(r)exp[j(vφ-βz)](2.20)把式(2.20)代入式(2.19)得到式中，k=2ππ/λ=2πf/c=ω/c，λ和f为光的波波长和频频率。这这样就就把分析析光纤中中的电磁磁场分布布，归结结为求解贝塞塞尔(Bessel)方程(2.21)。设纤芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1，包层(r≥a)折射率n(r)=n2，实际上上突变型型多模光光纤和常常规单模模光纤都都满足这这个条件件。为为求解方方程(2.21)，引入无无量纲参参数u,w和V。(2.21)w2=a2(β2-n22k2)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)利用这些些参数，，把式式(2.21)分解为两两个贝塞塞尔微分分方程：：(0≤r≤a)(2.23a)(r≥a)(2.23b)因为光能能量要在在纤芯(0≤r≤a)中传输，，在r=0处，电磁磁场应为为有限实实数；在在包层(r≥a)，光能量量沿径向向r迅速衰减减，当r→∞时，电电磁场应应消逝为为零。根据这些些特点，，式(2.23a)的解应取取v阶贝塞尔尔函数Jv(ur/a)，而式(2.23b)的解则应应取v阶修正的的贝塞尔尔函数Kv(wr/a)。因此，，在纤芯芯和包层层的电场场Ez(r,φφ,z)和磁场Hz(r,φφ,z)表达式为为Ez1(r,φφ,z)Hz1(r,φφ,z)=Ez2(r,φφ,z)Hz2(r,φφ,z)图2.7（a)贝赛尔函函数；（（b)修正的贝贝赛尔函函数Jv(u)类似振幅幅衰减的的正弦曲曲线，Kv(w)类似衰减减的指数数曲线。。（a)（b)2.特征方程程和传输输模式光纤传输输模式的的电磁场场分布和和性质取取决于特特征参数数u、w和β的值。u和w决定纤芯芯和包层层横向(r)电磁场的的分布，，称为横向传输输常数；β决定纵向向(z)电磁场分分布和传传输性质质，所以以称为(纵向)传输常数数。因为电磁磁场强度度的切向向分量在在纤芯包包层交界界面连续续，在在r=a处应该有有Ez1=Ez2Hz1=Hz2Eφ1=Eφ2Hφ1=Hφ2由Eφ和Hφ的边界条条件导出出β满足的特特征方程程为(2.26)这是一个个超越方方程，由由这个方方程和下下式定义义的特征征参数V联立，就就可求得得β值。w2=a2(β2-n22k2)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)但数值计计算十分分复杂，，其结果果示于图图2.8。图中中纵坐标标的传输输常数β取值范围围为n2k≤β≤≤n1k相当于归归一化传传输常数数b的取值范范围为0≤b≤≤1，图2.8若干低阶阶模式归归一化传传输常数数随归一一化频率率变化的的曲线坐标的V称为归一一化频率率，根根据式(2.22)(2.29)图中每一一条曲线线表示一一个传输输模式的的β随V的变化，，所以以方程(2.26)又称为色色散方程程。对于光纤纤传输模模式，有有两种情情况非常常重要，，一种是是模式截截止，另另一种是是模式远远离截止止。分析析这两种种情况的的u、w和β，对了了解模式式特性很很有意义义。模式截止止由修正的的贝塞尔尔函数的的性质可可知，当当→∞时，，→→，，要要求在在包层电电磁场消消逝为零零，即即→→0，必要要条件是是w>0。如果w<0，电磁磁场将在在包层振振荡，传传输模模式将转转换为辐辐射模式式，使能能量从包包层辐射射出去。。w=0(β=n2k)介于传输输模式和和辐射模模式的临临界状态态，这这个状态态称为模模式截止止。其u、w和β值记为uc、wc和βc，此时V=Vc=uc。对于每个个确定的的v值，可以以从特征征方程(2.26)求出一系系列uc值，每个个uc值对应一一定的模模式，决决定其β值和电磁磁场分布布。当v=0时，电磁磁场可分分为两类类。一类只有有Ez、Er和Hφ分量，Hz=Hr=0，Eφ=0，这类类在传输输方向无无磁场的的模式称为横磁磁模(波)，记为TM0μ。另一类只只有Hz、Hr和Eφ分量，Ez=Er=0，Hφ=0，这类在在传输方方向无电电场的模模式称为为横电模(波)，记为TE0μ。在微波技技术中，，金属波波导传输输电磁场场的模式式只有TM波和TE波。当v≠0时，电磁磁场六个个分量都都存在，，这些模模式称为混合合模(波)。混合模也也有两类类，一一类Ez<Hz，记为HEvμμ，另一类类Hz<Ez，记为EHvμμ。模式远离截截止当V→∞时，w增加很快，，当w→∞时，u只能增加到到一个有限限值，这个个状态称为模式远远离截止，，其u值记为u∞。LPvμ——线性偏振(LinearlyPolarized)模，图2.9四个低阶模模式的电磁磁场矢量结结构图基础知识：：电磁波的产产生和传播播按照麦克斯斯韦电磁场场理论，变变化的电场场在其周围围空间要产产生变化磁磁场，而变变化的磁场场又要产生生新的变化化电场。这这样，变化化电场和变变化磁场之之间相互依依赖，相互互激发，交交替产生，，并以一定定速度由近近及远地在在空间传播出去。。例如：振荡荡电偶极子子辐射。..qq+..qq+..q+q.q+qHExyzpSEEHHS....aabb电场磁场P振荡电偶极极子电磁场场分布电磁波不同同于机械波波，它的传传播不需依依赖任何弹弹性介质，，它只靠“变变化电场产产生变化磁磁场，变化化磁场产生生变化电场场”的机理理来传播，因此，电磁波在真真空中也同同样可以传传播。麦克斯韦由由电磁理论论预见了电电磁波的存存在是在1865年，二十余余年之后，，赫兹于1887年用类似上上述电偶极极子产生了了电磁波，，他的实验验在历史上上第一次直直接验证了了电磁波的的存在，并并且还证明明了这种电电磁波就是是光波，即即光波本质上上也是电磁磁波。3、E和H同相位，且且E2=H24、电磁波的的传播速度度：u=1/()1/2在真空中电电磁波的速速度为：c=1/(oo)1/2=3.0×108m/s与真空中的的光速相等等。kEH电磁波的性性质（在均匀无无限大介质质中）1、电磁波是是横波：E⊥k，H⊥kk表示电磁波波传播方向向的单位矢矢量。2、E与H相互垂直，，且与k组成右手螺螺旋系，即即：电磁波波沿着E×H的方向传播播。纤芯对包层层的相对折折射率差纤芯对包层层的数值孔孔径归一化频率率单模光纤：：V<2.405普通单模光光纤：~310-3a=2~4m多模光纤：：a=25~60mb125m光纤的最基基本参数10.3光纤传输特特性光信号经光光纤传输后后要产生损耗和畸变(失真)，因而输出出信号和输输入信号不不同。对于于脉冲信号，不仅幅度度要减小，，而且波形形要展宽。。产生信号畸畸变的主要要原因是光光纤中存在在色散。损耗和和色散是光光纤最重要要的传输特特性。损耗耗限制系统统的传输距距离，色散散则限制系系统的传输输容量。10.3.1光纤色散1.色散、带带宽和脉冲冲展宽色散(Dispersion)是在光纤中中传输的光光信号，由由于不同成成分的光的的时间延迟迟不同而产产生的一种种物理效应应。色散一一般包括模式色散、材料色散和波导色散。模式色散是由于不同同模式的时时间延迟不不同而产生生的，它它取决于光光纤的折射射率分布，，并和光纤纤材料折射射率的波长长特性有关关。材料色散是由于光纤纤的折射率率随波长而而改变，以以及模式内内部不同波波长成分的的光(实际光源不不是纯单色色光)，其时间延延迟不同而而产生的。。这种色散散取决于光光纤材料折折射率的波波长特性和和光源的谱谱线宽度。。波导色散是由于波导导结构参数数与波长有有关而产生生的，它它取决于波波导尺寸和和纤芯与包包层的相对对折射率差差。色散对光纤纤传输系统统的影响，，在时域和和频域的表表示方法不不同。如果果信号是模模拟调制的的，色散限制带带宽(Bandwidth)；如果信信号是数字字脉冲，色散产生脉脉冲展宽(Pulsebroadening)。所以，，色散通通常用3dB光带宽f3dB或脉冲展宽宽Δτ表示。用脉冲展宽宽表示时，，光纤色色散可以写写成Δτ=(ΔΔτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2式中Δτn、Δτm、Δτw分别为模式式色散、材材料色散和和波导色散散所引起的的脉冲展宽宽的均方根根值。对色散有4种表示方法法：1．单位长度度上的群延延时差，即即在单位长长度上模式式最先到达达终点和最最后到达终终点的时间间差。2.用输出与输输入脉冲宽宽度均方根根之比表示示。3．用光纤的的冲激响应应经傅氏变变换得到的的频率响应应的3dB带宽表示。。4．用单位长长度的单位位波长间隔隔内的平均均群延时差差来表示。。光纤带宽的的概念来源源于线性非非时变系统统的一般理理论。如果果光纤可以以按线性系系统处理，，其输入光光脉冲功率率Pi(t)和输出光脉脉冲功率Po(t)的一般关系系为Po(t)=当输入光脉脉冲Pi(t)=δ(t)时，输出光光脉冲Po(t)=h(t)，式中δ(t)为δ函数，h(t)称为光纤冲冲击响应。。冲击响应h(t)的傅里叶(Fourier)变换为H(f)=(2.43)将归一化频频率响应|H(f)/H(0)|下降一半或或减小3dB的频率定义义为光纤3dB光带宽f3dB，由此得到到|H(f3dB)/H(0)|=1/2(2.44a)或T(f)=10lg|H(f3dB)/H(0)|=-3(2.44b)图2.11光纤带宽和和脉冲展宽宽的定义f3dB=用高斯脉冲冲半极大全全宽度(FWHM)Δτ==2.355σ，代入式式(2.47a)得到f3dB=式(2.47)脉冲宽度σ和Δτ是信号通过过光纤产生生的脉冲展展宽，单位位为ns。(2.47a)(2.47b)2.多模光光纤的的色散散对于多多模光光纤，，模间间色散散通常常占主主导地地位。。如果果把模模间色色散平平衡掉掉，则则剩下下的是是材料料色散散和波波导色色散。。此时时，情情况与与单模模传输输类似似，不不同的的是这这里的的波导导色散散是多多模波波导色色散。。在多多模光光纤中中，波波导色色散与与材料料色散散相比比，常常常可可以忽忽略。。σ模间为模式式色散散产生生的脉脉冲展展宽。。突变型型光纤纤σ模间(g→→∞)≈σ模间(g=2+εε)≈≈由此可可见，，渐变变型光光纤的的rms脉冲展展宽比比突变变型光光纤减减小Δ/2倍。σ模内为模内内色散散产生生的脉脉冲展展宽σ模内≈渐变型型光纤纤3.单模光光纤的的色散散色度色色散理理想单单模光光纤没没有模模式色色散，，只有有材料料色散散和波波导色色散。。材料料色散散和波波导色色散总总称为为色度度色散散(ChromaticDispersion)，常简简称为为色散散，它它是时时间延延迟随随波长长变化化产生生的结结果。。由于单单模光光纤只只传输输一种种模式式，因因而它它不存存在模模间色色散，，只有有模内内色散散，即即材料料色散散和波波导色色散。。它们们分别别用色色散系系数σc和σω表示。。总色色散σ=σc+σω。通常，，材料料色散散比波波导色色散大大两个个量级级。但但是，，在零零色散散区，，材料料色散散与波波导色色散值值大致致相当当，只只是两两者符符号相相反。。图2.13不同结结构单单模光光纤的的色散散特性性图2.14常规单单模光光纤带带宽和和波长长的关关系作业P121．P441、3纤芯对对包层层的相相对折折射率率差纤芯对对包层层的数数值孔孔径归一化化频率率单模光光纤：：V<2.405普通单单模光光纤：：~310-3a=2~4m多模光光纤：：a=25~60mb125m光纤的的最基基本参参数10.3.2光纤损损耗由于损损耗的的存在在，在在光纤纤中传传输的的光信信号，，不管管是模模拟信信号还还是数数字脉脉冲，，其幅幅度都都要减减小。。光纤纤的损损耗在在很大大程度度上决决定了了系统统的传传输距距离。。在最一一般的的条件件下，，在在光纤纤内传传输的的光功功率P随距离离z的变化化，可可以用用下式式表示示(2.59)式中，，α是损耗耗系数数。设设长度度为L(km)的光纤纤，输输入入光功功率为为Pi，根据据式(2.59)，输出出光功功率应应为Po=Piexp(-ααL)习惯上上α的单位位用dB/km，由由式(2.60)得到损损耗系系数α=1.损耗的的机理理单模光光纤的的损耗耗谱，，包括括吸收收损耗耗和散散射损损耗两两部分分。吸收损损耗是是由SiO2材料引引起的的固有有吸收收和由由杂质质引起起的吸吸收产产生的的。由材料料电子子跃迁迁引起起的吸吸收带带发生生在紫紫外(UV)区(λ<0.4μμm)，由分分子振振动引引起的的吸收收带发发生在在红外外(IR)区(λ>7μμm)，由于于SiO2是非晶晶状材材料，，两种种吸收收带从从不同同方向向伸展展到可可见光光区。。固有吸吸收很很小，，在0.8~1.6μm波段，，小于于0.1dB/km，在1.3~1.6μm波段，，小于于0.03dB/km。光纤中中的杂杂质主主要有有过渡渡金属属(例如Fe2+、Co2+、Cu2+)和氢氧氧根(OH-)离子，，这些些杂质质是早早期实实现低低损耗耗光纤纤的障障碍。。氢氧根根离子子(OH-)吸收峰峰在0.95μμm、1.24μμm和1.39μμm波长长，，其其中中以以1.39μμm的吸吸收收峰峰影影响响最最为为严严重重。。散射射损损耗耗主主要要由由材材料料微微观观密密度度不不均均匀匀引引起起的的瑞瑞利利散散射射和和由由光光纤纤结结构构缺缺陷陷(如气气泡泡)引起起的的散散射射产产生生的的。。结结构构缺缺陷陷散散射射产产生生的的损损耗耗与与波波长长无无关关。。瑞利利散散射射损损耗耗αR与波波长长λ四次次方方成成反反比比，，可可用用经经验验公公式式表表示示为为αR=A/λλ4，瑞瑞利利散散射射系系数数A取决决于于纤纤芯芯与与包包层层折折射射率率差差Δ。当当Δ分别别为为0.2%和0.5%时，，A分别别为为0.86和1.02。瑞瑞利利散散射射损损耗耗是是光光纤纤的的固固有有损损耗耗，，它它决决定定着着光光纤纤损损耗耗的的最最低低理理论论极极限限。。如如果果Δ=0.2%，在在1.55μμm波长长，，光光纤纤最最低低理理论论极极限限为为0.149dB/km。2.实用用光光纤纤的的损损耗耗谱谱根据据以以上上分分析析和和经经验验，，光光纤纤总总损损耗耗α与波波长长λ的关关系系可可以以表表示示为为α=+B+CW(λλ)+IR(λλ)+UV(λλ)式中中，，A为瑞瑞利利散散射射系系数数，，B为结结构构缺缺陷陷散散射射产产生生的的损损耗耗，，CW(λλ)、IR(λλ)和UV(λλ)分别别为为杂杂质质吸吸收收、、红红外外吸吸收收和和紫紫外外吸吸收收产产生生的的损损耗耗光纤纤损损耗耗谱谱(a)三种种实实用用光光纤纤；；(b)优质质单单模模光光纤纤从多多模模突突变变型型(SIF)、渐渐变变型型(GIF)光纤纤到到单单模模(SMF)光纤纤，，损损耗耗依依次次减减小小。。在在0.8~1.55μμm波段段内内，，除除吸吸收收峰峰外外，，光光纤纤损损耗耗随随波波长长增增加加而而迅迅速速减减小小。。在在1.39μμmOH-吸收收峰峰两两侧侧1.31μμm和1.55μμm存在在两两个个损损耗耗极极小小的的波波长长“窗口口”。10.4光缆缆10.4.1光缆缆基基本本要要求求保护护光光纤纤固固有有机机械械强强度度的的方方法法，，通通常常是是采采用用塑料料被被覆覆和应应力力筛筛选选。。光光纤纤从从高高温温拉拉制制出出来来后后，，要要立立即即用用软软塑塑料料(例如紫外固化化的丙烯酸树脂)进行一次被覆覆和应力筛选选，除去断裂裂光纤，并对对成品光纤用用硬塑料(例如高强度聚酰胺胺塑料)进行二次被覆覆。10.4.2光缆结构和类类型光缆一般由缆缆芯和护套两两部分组成，，有时在护护套外面加有有铠装。1.缆芯缆芯通常包括括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部部分。被覆光光纤是光缆的的核心，决定定着光缆的传传输特性。加加强件起着承承受光缆拉力力的作用，通通常处在缆芯芯中心，有时时配置在护套套中。返回2.护套护套起着对缆缆芯的机械保保护和环境保保护作用，要要求具有良好好的抗侧压力力性能及密封封防潮和耐腐腐蚀的能力。。10.4.3光缆特性光缆的传输特特性取决于被被覆光纤。对对光缆机械械特性和环境境特性的要求求由使用条件件确定。1.拉力特性光缆能承受的的最大拉力取取决于加强件件的材料和横横截面积，一一般要求大大于1km光缆的重量，，多数光缆在在100~400kg范围。2.压力特性光缆能承受的的最大侧压力力取决于护套套的材料和结结构，多数数光缆能承受受的最大侧压压力在100~400kg/10cm。3.弯曲特性弯曲特性主要要取决于纤芯芯与包层的相相对折射率差差Δ以及光缆的材材料和结构。。实用光纤最最小弯曲半径径一般为20~50mm，光缆最小小弯曲半径一一般为200~500mm，等于或大于于光纤最小弯弯曲半径。在在以上条件下下，光辐射引引起的光纤附附加损耗可以以忽略，若小小于最小弯曲曲半径，附加加损耗则急剧剧增加。4.温度特性光纤本身具有有良好的温度度特性。光缆的种种类1.按敷设方式分分有：自承重架空光光缆，管道光缆，铠装地埋光缆缆和海底光缆。2.按光缆结构分分有：束管式光缆缆，层绞式光光缆，紧抱式式光缆，带式式光缆，非金金属光缆和可可分支光缆。。3.按用途分有：长途通讯用用光缆、短途途室外光缆、、混合光缆和和建筑物内用用光缆。1.中心管式—带状光缆带状光缆特点点带状光缆具有有外径小、芯芯数大、便于于集中熔接等等优点，可用用于宽带、高高速、大容量量多媒体的多多网络信息传传输。中心管式带状状光缆适用于于管道直埋与与架空敷设光缆的的结构构聚乙烯外护套套钢丝增强件聚烯烃细绳聚乙烯内护套套纸1212阵列（每12根光纤熔在一一条塑料带内内）中心管式带状状光缆中心管管式带带状状光缆缆结构构层绞式带状光光缆结构图GYXTW型束管式轻型型光缆GYXTS型束管式光缆缆光缆型号GYSTAGYSTY53GYSTA53GYSTA33光纤芯数4-1728光缆外径8-6010-6810-6810-70光缆重量300-2000365-2500340-2500787-3000允许最大拉力50006000600020000允许最大压力1000200020003000几种光缆缆的相相关指标标10.5光纤特性测量量方法光纤的特性参参数很多，基基本上可分为为几何特性、、光学特性和和传输特性三三类。几何特性包括括纤芯与包层层的直径、偏偏心度和不圆圆度；光学特性主要要有折射率分分布、数值孔孔径、模场直直径和截止波波长；传输特性主要要有损耗、带带宽和色散。。10.5.1损耗测量光纤损耗测量量有两种基本本方法：一种种是测量通过过光纤的传输输光功率，称称剪断法和插入入法；另一种是测测量光纤的后后向散射光功功率，称后向散射法。1.剪断法光纤损耗系数数式中，L为被测光纤长长度(km)，P1和P2分别为输入光光功率和输出出光功率(mW或W)。图2.21光功率和光纤纤长度的关系系只有在稳态模模式分布的条条件下，才能能得到惟一代代表光纤本征征特性的α值。获得稳态模式式分布有三种种方法：(1)建立NAb≈Naf的光学系统；；(2)建立稳态模式式模拟器，一一般包括扰扰模器和包包层模模消除器；(3)用一根性能和和被测光纤相相同或相似的的辅助光纤，，代替光纤耦耦合长度的作作用，这种方方法在现场应应用得非常方方便。图10.22剪断法光纤损损耗测量系统统框图在实际应用中中，可以采用用插入法作为为替代方法。。插入法是在在注入装置的的输出和光检检测器的输入入之间直接连连接，测出光光功率P1，然后在两者者之间插入被被测光纤，再再测出光功率率P2，据此计算α值。这种方法法可以根据工工作环境，灵灵活运用，但但应对连接损损耗作合理的的修正。光纖損失測試試仪器1.光功率計計(OpticalPowerMeter)主要材料有Si或Ge或InGaAs三種.用來測試光的的功率,以dBm或mW表示.2.光源(OpticalLightSource)提供測試用的的參考光源,分為LED,LD(FP,DFB).一般LD光源強度為-4dBm~-10dBm之間.LED強度為-20dBm~-30dBm之間.區間損失測試試:光源+光功率計先將光源及光光功率計用光光纖跳接線連連接,將光功功率計歸零,再放置於兩兩端測試,即即可測試區間間損失,單位位為dB.Patchcordadaptor待測光纖雙向光纖測試試儀器光源及光功率率計做在同一一台儀器內,做雙向測試試時,可避免免人力來回奔奔波.ToPowerMeterEndToPowerMeterEnd光源Powermeter光源PowermeterAB光纖顯微鏡測試光纖接接頭是否乾乾淨,可放放大至400倍.當當傳輸速率率愈來愈快快,565Mb/s2.5Gb/s10Gb/s40Gb/s,如果光纖接接頭不乾淨淨,將會影影響傳輸的的品質.清潔工具:光纖清潔潔帶,無水水酒精,擦擦拭紙.

乾淨清潔的端面

髒污的端面

損壞的端面

可調式光衰衰減器模擬光衰減減,可用於於製造,或或電信.接收端需裝裝置幾dB固定式光衰衰減器,使使其於在最最佳的光功功率下工作作.瑞利散射光光功率与传传输光功率率成比例。。利用与传传输光相反反方向的瑞瑞利散射光光功率来确确定光纤损损耗系数的的方法，称称为后向散散射法。设在光纤中中正向传输输光功率为为P，经过L1和L2点(L1<L2)时分别为P1和P2(P1>P2)，从这两点点返回输入入端(L=0)。光检测测器的后向向散射光功功率分别为为Pd(L1)和Pd(L2)，经分析推推导得到，，正向和反反向平均损损耗系数2.后向散射法法基于后向散散射光检测测的OTDR原理图式中右边分分母中因子子2是光经过正正向和反向向两次传输输产生的结结果。后向散射法法不仅可以以测量损耗耗系数，还还可利用光光在光纤中中传输的时时间来确定定光纤的长长度L。显然，式中，c为光速，n1为光纤的纤纤芯折射率率，t为光脉冲发发出到返回回的时间。。沿光纤长度度上的某一一点散射信信号的变化化，可以通通过OTDR方法独立地地探测出来来，而不受受其他点散散射信号改改变的影响响。后向散射光光检测波形形示意图相对回波光功率初始脉冲作用点终端费涅尔回波长度Z图2.23后向散射法法光纤损耗耗测量图2.24后向散射功功率曲线的的示例(a)输入端反射射区；(b)恒定斜率区区，用以以确定损耗耗系数；(c)连接器、接接头或局局部缺陷引引起的损耗耗；(d)介质缺陷(例如气泡)引起的反射射；(e)输出端反射射区，用以以确定光纤纤长度。用后向散射射法的原理理设计的测测量仪器称称为光时域域反射仪(OTDR)。这种仪器器采用单端端输入和输输出，不破破坏光纤，，使用非非常方便。。OTDR不仅可以测测量光纤损损耗系数和和光纤长度度，还可以以测量连接接器和接头头的损耗，，观察光纤纤沿线的均均匀性和确确定故障点点的位置，，确实是光光纤通信系系统工程现现场测量不不可缺少的的工具。OTDR:5PointSplice5點法測試損損失標點M3距離機房0.488km處損失0.24dBOTDR:Loss,Loss(LSA)連續測兩個個平均損失失標點M1至M3兩個點距離離4.677km損失2.10dB標點M3至M5兩個點距離離4.917km損失2.72dBOTDR:FixDlt(2PA)標點1與2間光纖損損失值標點M12.5.2带宽测量光纤带宽测测量有时域域和频域两两种基本方方法。时域域法是测量量通过光纤纤的光脉冲冲产生的脉脉冲展宽，，又称脉冲冲法；频域域法是测量量通过光纤纤的频率响响应，又称称扫频法。。两种方法法是等效的的，这里里只介绍扫扫频法。这这种方法通通常用于多多模光纤的的测量。设在测量系系统中，接接入一段短短光纤时，，测出的频频率响应为为H1(f)，接入被测测长光纤时时，测出的的频率响应应为H2(f)，则光纤频频率响应H(f)和3dB光带宽f3dB应满足下式式：|H(f3dB)|=写成对数形形式：T(f)=10lg|(Hf3dB)|=10［lg|H2(f)|-lg|H1(f)|］=-3注意：由于于经光检测测器后，光光功率按比比例转换为为电流(或电压)，因此3dB光带宽相应应于6dB电带宽。图图2.25示出用对数数电平显示示的频率响响应H1(f)、H2(f)和由两曲线线相减得到到的光纤频频率响应H(f)和6dB电带宽。图2.26示出扫频法法光纤带宽宽测量系统统的框图。。扫频仪输输出各种频频率的正弦弦信号，对对光源进行行直接光强强调制，输输出光经光光纤传输和和光检测后后，由选频频表直接获获得频率响响应。图2.25光纤频率响响应和6dB电带宽图2.26扫频法光纤纤带宽测量量系统框光源应采用用线性良好好、功率和和频率稳定定的激光器器，其调制制频率上限限应大于光光纤带宽。。光检测器器应采用高高速光电二二极管，其其频率响应应要与光源源调制频率率相适应。。频谱分析析仪应具有有良好的幅幅度—频率率特特性性。。2.5.3色散散测测量量光纤纤色色散散测测量量有有相相移移法法、、脉脉冲冲时时延延法法和和干干涉涉法法等等。。这这里里只只介介绍绍相相移移法法，，这这种种方方法法是是测测量量单单模模光光纤纤色色散散的的基基准准方方法法。。用角角频频率率为为ω的正正弦弦信信号号调调制制的的光光波波，，经经长长度度为为L的单单模模光光纤纤传传输输后后，，其其时时间间延延迟迟τ取决决于于光光波波长长λ。不不同同时时间间延延迟迟产产生生不不同同的的相相位位φ。用用波波长长为为λ1和λ2的受受调调制制光光波波，，分分别别通通过过被被测测光光纤纤，，由由Δλλ=λλ2-λλ1产生生的的时时间间延延迟迟差差为为Δττ，相相位位移移为为Δφφ。根根据据式式(2.52)，长长度度为为L的光光纤纤总总色色散散为为C(λλ)L=用Δττ=ΔΔφφ/ωω代入入上上式式，，得得到到光