程控交换与光纤通信23

2.3光纤传输特性

损耗和色散是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离.色散则限制系统的传输容量。

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。

模式色散在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。

材料色散材料色散是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。波导色散由于光纤几何特性而使信号的相位和群速度随波长变化引起的色散。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。从频域上看色散限制了传输信号的带宽；从时域上看色散引起信号脉冲展宽。所以，色散通常用3dB光带宽f3dB或脉冲展宽Δτ表示。用脉冲展宽表示时，光纤色散可以写成

Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)1/2

式中Δτn、Δτm、Δτw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。一般，频率响应|H(f)|随频率的增加而下降，这表明输入信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。将归一化频率响应|H(f)/H(0)|下降一半或减小3dB的频率定义为光纤3dB光带宽f3dB，由此得到

|H(f3dB)/H(0)|=1/2(2.44a)或

T(f)=10lg|H(f3dB)/H(0)|=-3(2.44b)

图2.11光纤带宽和脉冲展宽的定义

光纤3dB光带宽f3dB和脉冲展宽Δτ、σ的定义示于图2.11。用高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)Δτ表示有则3dB光带宽为

2.多模光纤的色散设光源的功率谱很陡峭，长度为L的多模光纤rms脉冲展宽为

σ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)简化得到当g=2+ε时，相应于脉冲展宽达到最小值的渐变型光纤渐变型光纤的rms脉冲展宽比突变型光纤减小Δ/2倍。其中σ模内为模内色散产生的rms脉冲展宽，其中材料色散和波导色散。对于一般多模光纤，材料色散是主要的，其他可以忽略:图2.12三种不同光源的均方根脉冲展宽与折射率分布指数的关系由图可见，rms脉冲展宽σ随光源谱线宽度σ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，σ达到最小值。g的最佳值g0=2+ε，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σ约为0.018ns，相应的带宽达到10GHz·km。

3.单模光纤的色散色度色散：理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。材料色散和波导色散总称为色度色散(ChromaticDispersion)，常简称为色散，它是时间延迟随波长变化产生的结果。单位长度的单模光纤色散系数为：SiO2材料M2(λ)的近似经验公式为：式中，λ的单位为nm。当λ=1273nm时，M2(λ)=0。

式(2.52)第二项为波导色散，其中δ=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型单模光纤的结构参数，当δ=0时，相应于常规单模光纤。含V项的近似经验公式为式(2.52)图2.13不同结构单模光纤的色散特性

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，α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)，输出光功率应为习惯上α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。

0.951.241.39

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。

a.由材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外(UV)区(λ<0.4μm)，由分子振动引起的吸收带发生在红外(IR)区(λ>7μm)，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。

b.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。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αR与波长λ四次方成反比，可用经验公式表示为

αR=A/λ4

瑞利散射系数A取决于纤芯与包层折射率差Δ。当Δ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的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。如果Δ=0.2%，在1.55μm波长，光纤最低理论极限为0.149dB/km。

2.实用光纤的损耗谱根据以上分析和经验，光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。图2.16光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。在0.8~1.55μm波段内，除吸收峰外，光纤损耗随波长增加而迅速减小。在1.39μmOH-吸收峰两侧1.31μm和1.55μm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1.31μm，还可以把零色散波长从1.31μm移到1.55μm，实现带宽最大损耗最小的传输。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(0.85μm)“窗口”发展到长波长(1.31μm和1.55μm)“窗口”，使系统技术水平不断提高。

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1.31μm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。G.653色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55μm色散为零，损耗又最小。G.654