光纤及相关测试仪表漫谈

光纤及相关测试仪表漫谈第1页/共110页目录根据光纤的不同特性本胶片按以下内容来分类：前言光纤光学特性光纤几何特性光纤传输特性光纤机械特性光纤环境特性第2页/共110页前言光纤发展史为什么要用光纤光纤通信方式第3页/共110页光纤通信史光纤通讯理论:高锟（美籍华人）,60年代

理论上证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性，并设计了通信用光纤的波导结构（即阶跃光纤）。

更重要的是予言了制造通信用的超低耗光纤的可能性，即加强原材料提纯，加入适当掺杂剂，可以把光纤的衰耗系数降低到20dB/km以下。

每公里DB衰减的概念到底是什么？10dB/km表示信号传输1公里后只剩1/1020dB/km表示信号传输1公里后只剩1/10030dB/km表示信号传输1公里后只剩1/1000第一根低耗光纤:康宁,70年代改进型化学相沉积法），世界上第一根超低耗光纤，成为使光纤通信爆炸性竞相发展的导火索第一条商用光纤通讯线路，美国，70‘s第一条越洋光通讯线路，美国，80‘s光棒制造技术，OVD,MCVD,VAD，70‘s第4页/共110页为什么要用光纤90年代前，我国大多数还是使用同轴电缆（京广线1800/3600路，只相当现在一个2.5G的通信量），光纤相比电缆优势如下：900对铜缆216根光缆22规的导体（直径0.63毫米）4800镑/1000英尺1.54Mb/s10,8001.14英里单模光纤200镑/1000英尺40x10Gb/s27,869,00072英里介质类型重量传输速率2路电话呼叫中继间隔2.86英寸0.70英寸PK第5页/共110页为什么要用光纤宽带通讯（超大容量）

光纤：＞2.5Gbps；同轴电缆：＜１5０Ｍbps低损耗，中继距离长：光纤：＞５０公里；同轴电缆：＜１２公里低通讯成本（电缆成本很高）寿命长（几十年），电缆5-10年左右无电磁波干扰通讯保密性好体积小、重量轻、便于施工维护原材料来源丰富，潜在价格低廉应用领域：全球的海底网络/陆地网络/卫星系统与光纤网络/光纤到户和光纤到桌面局域网、城域网、广域网等第6页/共110页光纤通信方式光纤是光导纤维的简称。光纤是以光脉冲的形式来传输数字信号，材质以玻璃或有机玻璃为主的网络传输介质。电信号光发送机光接受机电信号光纤

010011010模拟信号数字信号模拟信号编码解码第7页/共110页单信道全光中继数字通信光--电--光中继的数字通信光纤通信方式最简单光纤通信网络结构图第8页/共110页光纤光学特性认识光光学原理光纤基本结构光纤分类方法光纤光学特性技术指标光纤光学特性测试仪表第9页/共110页10光是占据电磁波谱中特定范围的电磁波（比如：1200-1620NM)用光波长来量化光的“颜色”、光波长单位是nm或μm、功率单位为dBm对人类来说，波长为380nm(紫)~750nm(红)的光为可见光，通信用光为不可见光，波长通常为850nm、1310nm和1550nm等等扩充通信系统传输容量时，需用CWDM、DWDM系统，传输用光波长为1525nm~1625nm之间的4、8、16、32、80、200等波长通道，或增加更多的光纤数。伽玛射线X射线紫外线红外线无线电波：微波、电视信号可见光谱380nm750nm0.1nm1nm100nm1mm1cm1m电磁波谱认识光OTDR波长：1310、1490、1550、1625nm650nm红光源波长第10页/共110页光学原理1、基本光学定律：光在均匀介质(折射率n不变)中是沿直线路径传播的.传播速度为：V=C/n

，式中，C=3×108m/s（光速：光在真空中的传播速度，n是介质的折射率）

第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＜n2法线折射定律：n1·sinφ入＝n2·sinφ折φ入

φ反φ折入射光线折射光线反射光线2、反射、折射定律：光在不同折射率介质中传输时反射定律：入射角φ入＝反射角φ反第11页/共110页12光学原理光纤是一种导光的石英玻璃纤维，光在纤芯内满足全反射条件时向前传播当光沿纤芯向前传播时，实际上同时存在反射和折射现象反射：当纤芯中的光传到芯/包界面时，被反射回纤芯内。折射：当纤芯中的光传到芯/包界面时，小于临界角时透过界面进入包层（即光源入射到光纤的入射角过大）。所以光纤入射光源的入射角度是有规范要求的，否则折射影响传输第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＞n2法线折射光线反射光线入射光线全反射定律：当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最大值90°，此时可认为无折射光存在，所有的入射光都被反射，称为全反射现象，满足全反射现象的最小角度称为全反射的临界角φC。当入射角大于φC时，只有反射光而没有折射光φC光纤轴线方向纤芯（n1）包层（n2）n1＞n23、全反射定律：光在光纤中传输条件第12页/共110页光纤工作原理（举例：多模）光纤利用控制光源入射到光纤的入射角，保证入射到光纤中的光在界面上的全反射原理进行工作。芯层反射率N1>包层反射率N2时大于临界角会形成反射而无折射

实际上这是多模光纤传输示意图，单模光纤只有平行于中心轴的直线光传播，没有弯曲的反射和折射光光学工作原理第13页/共110页14背向散射经散射之后前向传播的光变弱前向传播的光遇到玻璃中微观上的折射率变化时，部分光会向四面八方散射，称为瑞利散射其中的一部分散射光经反射后回到入射端，称为背向散射OTDR的工作原理以这种背向散射为基础的瑞利散射第14页/共110页15菲涅尔（Fresnel）反射向前传播的光到达光纤端面后发生反射，称之为菲涅尔反射

菲涅尔反射也是被OTDR利用的一个重要现象第15页/共110页光纤基本结构二次涂覆层(PVC)抗拉材料(芳族聚酰胺)

一次涂覆层（250um缓冲层）

包层(125um)

芯层9/52/62.5um

纤芯core：折射率较高，用来传送光；高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2P2O5掺杂，提高芯层折射率等。

包层coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件（把光能量束缚在纤芯）；高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3降低薄层折射率。纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。涂覆套jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤；环氧树脂、硅橡胶和尼龙。护套：尼龙或其他有机材料跳纤(紧套-盘纤

松套-跳纤）裸纤第16页/共110页17光纤基本结构无论何种光纤，其包层直径都是一致的涂覆层的主要作用是为光纤提供保护（记住：加热管是加热这一部分）纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体（记住：光纤熔接就是对接这一部分）不同光纤的芯层直径是不同的，所以熔接后损耗比较大第17页/共110页纤芯直径

单模光纤：8-10（9）um;

多模光纤：50um/62.5um包层直径

普通光纤：125um涂覆层直径(内外层）内层－170～200um

外层－245um光纤基本结构125um245um芯层:SiO2+Ge+F包层:SiO2+F内涂覆层:丙烯酸树脂外涂敷层:丙烯酸树脂纤芯包层内涂敷层外涂敷层第18页/共110页光纤分类方法按折射率分布按传到模式按材料按二次涂覆层结构第19页/共110页25三月2023按折射率分类阶跃型光纤(SIF：StepIndexFiber)信号畸变大（色散）；渐变型光纤(GIF：GradedIndexFiber)信号畸变小。第20页/共110页单模光纤(Single-Mode)只传输主模，也就是说光线只沿平行于光纤的中心轴进行传输，只有一种传输途径，没有反射和折射现象发生，到达末端时间一致，由于完全避免了模式色散，使得单模光纤的传输频带很宽，因而适用于大容量，长距离的光纤通讯。

单模光纤使用的光波长为1310nm或1550nm。

单模光纤多模光纤(Multi-Mode)在一定的工作波长下，有多个模式在光纤中传输（850nm/1300nm）即有多种传播途径,这种光纤称之为多模光纤。由于色散或像差，因此，这种光纤的传输性能较差，频带比较窄，传输容量也比较小，距离比较短。阶跃型多模模式是指光的在光纤中的传输方式（电磁场分布形式），即不同的传输路径每一个模式对应于沿光纤轴向传播的一种电磁波光纤中能够传导的模式是由光纤结构参数所决定的。外界光源（LED多模或激光单模光源）激励只能激励起光纤中允许存在的一种或几种模式而不会改变模式的固有性质按传导模式第21页/共110页25三月2023(a)阶跃型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；(c)单模光纤按传导模式第22页/共110页25三月2023

此动画为光信号在多模阶跃折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：不同模式的光信号到达终点所需的时间不相等（折射率相同、路径不同）

即模间色散太大，带宽窄；只用于100M以下传输

此类光纤现在已淘汰不用了按传导模式按传导模式第23页/共110页25三月2023

此动画为光信号在多模渐变折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：虽然有多种模式但不同模式的光信号到达终点所需的时间基本相等（折射率由小到大，路径由近变远，最后乘积基本相同）

模间色散比较小，带宽有所提高，还是不利于长距离高速传输现多模光纤多使用此方法按传导模式第24页/共110页25三月2023

此动画为光信号在单模阶跃折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：单模光纤中只有一个模式（即平行于中心轴）的光信号可以传输，不存在不同模式之间的时间差，只有模内色散（即同一模式下不同波长的十分微小的时间差，后面会讲）

所以带宽高，适合长距离高速传输、但对光源耦合要求高

按传导模式第25页/共110页光纤剖面折射率示意图多模芯层包层芯层包层G.652G.655特种光纤按传导模式W型三角椭圆W型：色散平坦、色散位移光纤三角形：改进型色散位移、非零色散光纤椭圆（双折射光纤）：偏振保持光纤第26页/共110页25三月2023按光纤构成的原材料分类石英系光纤光子晶体光纤塑料包层光纤全塑光纤目前光纤通信中主要使用石英系列光纤。按光纤的套塑层分类紧套光纤，900µm（盘纤或裸光纤）松套光纤，3mm（跳纤、尾纤）按材料和涂覆层分类第27页/共110页光纤光学特性技术指标折射率分布最大理论数值孔径模场直径截至波长差分模延迟DMD（DifferentialModeDelay）满注入带宽（OFL)有效模式带宽(850nm)第28页/共110页折射率分布(适用：单模、多模）：

我们知道，由于纤芯中的光折射率不是均匀分布的，它随r（离开芯轴的距离）的变化而变化

不同光纤、不同波长的折射率不一样，变化规律一般分三种，表现在g（折射率分布指数）的不同取定：g=1

三角形分布;g=2

抛物线分布(梯度分布);g→∞

阶跃分布多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择问题：为什么不能随意更改OTDR配置菜单中的折射率值？第29页/共110页数值孔径（只适用多模）：远场光分步法入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。

在光纤中，把受光角的一半（θmax）的正弦定义为光纤的数值孔径，即NA＝sinθmax光纤的数值孔径（NA）对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大，接收光功率大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄第30页/共110页截至波长（只适用：单模）：传输功率法

是单模光纤中光信号能以单模方式（仅基模）传播的最小波长，也可以理解为多模传输转变为单模传输时的最小波长点

截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步

如果用小于截至波长的光来传输，损耗和色散将会很大第31页/共110页模场直径（单模）：远场可变孔径法、直接远场扫描法单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯中，而是有相当大一部分在包层中传输，所以不用纤芯的几何尺寸作为单模光纤参数，而采用模场直径作为描述光纤传输光能集中程度的参量，当光纤横截面上光强度下降到它的峰值的1/e2横截面积尺寸

模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。包层芯在光纤中传输的光的强度分布波长越长，模场直径越大，光更容易受弯曲向外泄露，产生宏弯衰减问题1：为什么OTDR测试会出现负损耗？

两端模场直径大小不一致（越小散射光越强

模场直径不一致的光纤熔接在一起会导致熔接损耗误差（需要双向测试），是OTDR损耗误差中影响最大的因素，当模场损耗大于接头损耗时测试就可能会出现负值，

问题2：为什么熔接机性能很好，但熔接损耗很大？第32页/共110页差分模延迟DMD(多模OM3/OM4）：区分普通多模和新一代多模光纤技术指标是：带宽和DMD普通光纤使用低带宽、满注入LED光源（色度色散），光面积大而分散新一代多模光纤为增加带宽又降低成本启用单模光纤使用的高带宽激光光源（模式色散），注入光面积小能量集中

多模光纤用激光光源时，光脉冲传送过程中会发散展宽，发散状况严重到一定程度后，前后脉冲之间会相互重叠，接收端无法准确分辨每一个光脉冲信号，称之为DMD

DMD就是多模光纤使用单模激光源导致出现的模式色散问题，比如可改善光纤工艺（中心洼陷）来减少DMD

激光光源和LED光源不一样，一个光脉冲只激活了几个模态分量，能量全集中在这几个模态上，而每个模态分量走的路径不同，到达接收端只有有一个模态有延迟就会严重影响信号识别，导致DMD现象发生；LED刚好相反，大面积光源激起所有传导模，能量平均在所有模式上，即使模式到达时间有差距，但对整个能量影响很小，又由于低速率发送的是间距大的光脉冲，所以在短距离、低速率情况下收端脉冲判断不会受影响。

所以OM1/OM2不用测试DMD，因为不使用激光光源LED色度色散激光模间色散LED满注入态（能量平均分散）激光偏注入态（能量集中分布）第33页/共110页差分模延迟DMD(多模OM3/OM4）：DMD测试方法：模板法

在10Gbit/s以太网多模光纤的DMD测试中，使用850nm单模光源注入多模光纤纤芯的不同位置，如从纤芯中心（即0um）到纤芯边缘（如23um）。在不同的注入位置时，测试通过待测光纤后的脉冲形状，如图所示。多模光纤的DMD大小等于：DMD=(TSLOW–TFAST)–DTREF其中：TSLOW和TFAST分别以脉冲最大值的25%为起点。DTREF是脉冲固有宽度和光纤色度色散所造成的脉冲展宽之和。模板法

测试图解

套用模板第34页/共110页环形光通量ER（encircledflux):

由于OM3/OM4使用激光光源，不同于LED，光功率集中分布在规定的范围内，保证高带宽传输IEEE组织FOTP—203规定了用于10G速率以上的VCSEL激光的光功率分布图；要求光源经过一段短的多模光纤耦合之后，其近场强度分布应满足在中心30μm范围内光通量大于75%，在中心9μm范围内光通量大于25%。

测量多模光纤激光器带宽的光源的功率分布，沿光纤传输的近场光强呈现面包圈型的特征，称之为环形光通量。第35页/共110页有效模式带宽EMD(多模OM3/OM4）,也叫激光带宽：

单位MHz.km：每公里光纤所能通过的最大脉冲调制频率由于不同多模光纤带宽不同，尤其是在数据机房和楼宇布线下对光纤质量有不同的要求，必须保证多模光纤的有效带宽满足需求，否则会出现混乱现象，目前只能在实验室来实现精确测量

目前主要测试方有两种：

EMBc和DMDDMD：模板、简单有效，但不能知道具体带宽值（见前面介绍）EMBc：精确值、复杂

；计算方法：DMD*ER（延迟*光通量）

第36页/共110页PK公司综合测试仪2500：数值孔径、模场直径、截至波长、DMD和光纤带宽测试PK公司2440：ER环形光通量测试PK公司S14：光纤折射率分布测试PE公司WS400:数值孔径、模场直径、截至波长光纤光学特性测试仪表第37页/共110页光纤几何特性包层直径包层不圆度涂层直径涂层/包层同心度误差涂层不圆度芯／包层同心度误差翘曲度（半径）交货长度光纤几何特性测试仪表第38页/共110页光纤几何特性技术指标几何特性技术指标数据（举例）单位包层直径涂层直径125.0±1.0242±7um包层不圆度涂层不圆度≤1.0≤6.0%涂层/包层同心度误差芯／包层同心度误差≤12.0≤0.6um翘曲度（半径）≥4m交货长度≥2.1≤50.4km/盘第39页/共110页40包层/芯层直径包层/芯层不圆度芯/包同心度误差光纤的几何参数对于光纤熔接损耗有很大的影响，必须将各参数控制在容忍的范围内第40页/共110页41翘曲度：在特定长度光纤上测量到的弯曲度，可用曲率半径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数值越大，光纤越直适当的几何尺寸不适当的几何尺寸包层直径芯/包同心度误差这些情况对熔接都不利！第41页/共110页42直径不一致、不圆度、同心度误差、尤其是模场直径误差都会导致熔接损耗误差，OTDR测试值误差及负损耗就是这样出现的这也是光缆长必须测试这些指标的主要原因(1)纤芯对准(2)预熔，端面接触(3)融接完毕第42页/共110页43PK公司2400：光纤几何尺寸测试仪PK公司2420：高精度光纤几何尺寸测试仪交货长度：EXFO各种型号OTDR光纤几何特性测试仪表第43页/共110页光纤传输特性光纤材料选择光纤的损耗光纤的色散多模光纤分类单模光纤分类光纤传输特性技术指标光纤传输特性测试仪表第44页/共110页光纤材料选择光纤材料有：高纯度玻璃（石英）塑料氧化物玻璃红外玻璃晶体45材料选择的依据：对光的衰减较小（重要）对光的色散较小（重要）折射率径向分布易于精确控制和调整较好的机械强度良好的化学稳定性成本高纯度玻璃（石英）特性：光纤首选材料：适合远距离、高速度、大容量的传输低损耗高带宽较好的提纯工艺、制棒技术良好的传输特性、光学特性机械强度、化学稳定性第45页/共110页光纤损耗光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗。即便是在理想的光纤中都存在损耗——本征损耗46损耗本征（不可避免）非本征（可避免）吸收紫外吸收金属离子红外吸收OH离子、H2原子缺陷吸收散射瑞利散射波导缺陷米氏散射（次要）受激布里渊散射（次要）受激拉曼散射（次要）弯曲（辐射）红弯曲、微弯曲产生光纤损耗因素有：本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值第46页/共110页本征吸收损耗本征吸收损耗由制造光纤材料本身(如SiO2)的特性所决定，包括紫外吸收、红外吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收(1)紫外吸收

光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级，同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。该损耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。(2)红外吸收

由于光纤中传播的光波与晶格相互作用时，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗。z晶格光传播方向kEx第47页/共110页非本征吸收损耗

原子缺陷吸收：光纤材料的原子结构不完整造成

在光纤的制造过程中光纤材料受到某种热激励造成结构的不完善或在使用时暴露在强粒子的光辐射下将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630nm左右。1rad(Si)=0.01J/kg第48页/共110页非本征吸收吸收原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH－。OH－吸收峰解决方法：(1)对制造光纤的材料进行严格的化学提纯，比如材料达到99.9999999%的纯度(2)制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积法)第49页/共110页光纤吸收损耗曲线举例：掺GeO2的低损耗、低OH¯含量石英光纤OH－0.154dB/km几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较紫外吸收红外吸收第50页/共110页散射损耗光纤中由于密度不均、折射率的变化以及结构上的不完善，会发生散射现象，使光不能直线传播而造成能量的损耗本征散射损耗：瑞利散射：尺度小于光波长的材料密度的不均匀颗粒对入射光产生的本征散射，短波长的光容易发生这种散射；问题：OTDR双波长测试时1310曲线比1550高且曲线会交叉？[造成原因]—分子密度分布不均匀；掺杂分子导致折射率不均匀非本征散射损耗：波导散射：由波导缺陷导致的散射[造成原因]—纤芯和包层的界面不完整、圆度不均匀以及残留气泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工艺基本可以克服波导散射）第51页/共110页弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模宏弯：当曲率半径减小时，辐射损耗呈指数增加消逝场qqq¢

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>qcq¢RCladdingCore场分布第52页/共110页弯曲损耗微弯的原因：

光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均

使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：

造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套第53页/共110页宏弯和微弯对损耗的附加影响弯曲损耗随模场直径增加显著增加问题：为什么多模比单模弯曲损耗更明显？光纤弯曲带来额外损耗波长越长，弯曲更明显问题：OTDR上的宏弯功能是如何实现的？？宏弯损耗微弯

损耗基本损耗l增加，V减少第54页/共110页新技术：抗宏弯的柔性光纤PhotonicCrystalFiberPhotonicBandgapFiber光子晶体光纤第55页/共110页新技术：弯曲不敏感光纤随着数据中心速率提高、FTTH、室内布线的需求，为了减少弯曲带来的损耗，所以多模、单模都出现了弯曲不敏感光纤主要区别：弯曲半径指标差距多模弯曲半径对比：单模弯曲半径对比：第56页/共110页第二传输窗口第一传输窗外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰第三传输窗口在1.55m处最小损耗约为0.2dB/km波导缺陷单模光纤损耗谱图第四窗口第五窗口第57页/共110页多模单模光纤损耗谱对比多模光纤的损耗大于单模光纤为获得较大的数值孔径，多模光纤中掺杂的浓度高（本征损耗大）由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤单模光纤第58页/共110页

前面的讨论说明多种导致光纤损耗的原因。一般来说光信号在光纤中传播的时候，其功率随距离L的增加呈指数衰减：那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的损耗系数定义为：其中L为光纤长度，Pin和Pout分别为输入和输出光功率。一般标准单模光纤在1550nm的损耗系数为0.2dB/km。光纤损耗的计算问题：1、光纤总损耗公式？散射+紫外+红外2、光纤损耗因素还有吗？模场直径不匹配、弯曲等附加损耗3、OTDR测试损耗值准确吗？双向测试准确吗？为什么？不准确，只能达到90%左右，只有散射损耗4、OTDR主要用途？长度和连接器，损耗值并不准确5、熔接机损耗判断原理？在什么情况下准确？模场直径匹配且对准情况下6、那用什么才能准确测量损耗值？OTDR双向和光源+光功

第59页/共110页色散定义色散（Dispersion):是由于光纤中所传输的光信号的不同的频率成分（不同波长）、不同模式成分、不同偏振状态的群速不同而引起的传输信号的畸变的一种物理现象。色散将传输脉冲展宽，产生码间干扰，增加误码率。传输距离越长脉冲展宽越严重，传输速率越高码间距离越近越容易误判，所以色散限制了光纤的通信容量，也限制了无中继传输距离色散系数为：ps/nm·km光波长间隔光波长间隔对应的群时延差物理含义是指经单位长度光纤传输后，单位光波长间隔对应的群时延差。第60页/共110页色散分类根据光信号不同频率、不同模式和不同偏振态，色散分类如下：模内色散(群速率色散)：色度色散（因不同波长的颜色不同）材料色散：每种光源都有一定的谱宽（即不同频率），而光纤材料对不同的频率成分的折射率不同，从而不同的频率成分在光纤中传播的群速度不同波导色散：信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度，从而导致色散。它的大小取决于波导尺寸和纤芯包层的折射率差模间色散：不同传播模式在光纤中具有不同的传播路径和速率，造成模间色散偏振模色散：环境因素造成光不同偏振态的传播时延差多模传输：模间色散占主导，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。单模传输：材料色散占主导，波导色散较小。由于光源不是单色的，总有一定的谱宽，这就增加了材料色散和波导色散的严重性第61页/共110页l1l2l3l1l2l3模内色散：材料色散光纤材料对不同的频率成份折射率(传播速率)不同，发生光脉冲形状畸变材料色散为正值减小材料色散：选择谱宽窄的光源，采用较长的工作波长第62页/共110页单模光纤中传播模80%能量在纤芯 20%能量在包层模内色散：波导色散光在纤芯部分（慢）和包层的部分（快）具有不同的传播速度，收端发生光脉冲形状畸变波导色散为负值第63页/共110页模内色散特性图（单模）1320一般来说材料色散的影响大于波导色散：|Dm|>|Dw|1550D(nm)1310G.652（常规SM）G.653(DSF)G.655(NZ-DSF)第64页/共110页模间色散

多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了模间色散。对于子午光纤，经过长度L后模间色散可能产生的最大脉冲展宽为：DL为两种模式的光程差。不同多模光纤中折射率不同，色散值也不同第65页/共110页模间色散（阶跃光纤）模的次数越高,其角度

越大，vg=vcos越小，传播就需要更多的时间。所以群速度和光纤模式有关，模数不同，其群速度也不同。由于高阶模的传播速度比低阶模的慢，因而在入射端输入的光脉冲中，次数越高的模越滞后。qqcosg=光线uuuq低阶模高阶模第66页/共110页色度色散减少措施利用谱线宽度很窄的DFB激光器：缩小波长范围工作在色散为零的波长附近色散补偿的办法第67页/共110页偏振模色散(PMD)偏振与双折射是单模光纤特有的问题单模光纤实际上传输的是两个正交的基模，它们的电场各沿x和y两个方向偏振。理想光纤的几何尺寸是均匀的且没有应力，因而光波在这两个相互垂直偏振态方向以完全相同的速率传播，在光纤的另一端没有任何延迟，但实际光纤总存在某种程度的不完善，如光纤纤芯的椭圆变形、光纤内部的残余应力等，从而使得两个模式之间的兼并被破坏，两个模式的相位常数不相等，这种现象称为模式双折射。双折射的存在将引起一系列复杂的效应，例如，两模式的群速率不同，两个相互垂直的偏振模以不同的速率传播，使得到达光纤另一端的时间也不同。

两个偏振模的到达时间差称为偏振模色散PMD，时间差为微微秒(ps)。PMD系数表示的单位为ps/km。n1xn1y//x//yEEyExEyDtExDttzt输入光脉冲输出光脉冲脉冲展宽光强光强xyzExEy第68页/共110页PMD产生的原因内部因素：光纤的缺陷外部因素：环境影响几何尺寸：不圆等内部应力（膨胀系数）：芯层不均匀侧压等成缆或施工：侧方向挤压，弯曲或扭曲强电场/磁场/温度刮风（架空）光器件及子系统也产生双折射第69页/共110页为什么要测量PMD光纤/光缆生产中产生了PMD光缆铺设中影响了PMD环境因素影响了PMD光链路中的器件也会影响PMD对系统的影响

功率代价：峰值功率损耗(dB)误码率增加：高速系统（10G以上）容易产生误码，限制了光纤波长带宽使用和光信号的传输距离；在CATV等模拟系统则引起信号失真信噪比下降

总之：ＰＭＤ随机性很强偏振模色散和色度色散对系统性能具有相同的影响，即引起脉冲展宽，从而限制传输速率。但偏振模色散比色度色散小几个数量级，仅在高速率数据（１０Ｇ）以上，才会导致脉冲展宽进而影响信噪比第70页/共110页PMD对传输的影响第71页/共110页数字传输系统的PMD指标最大的PMD值保证99.9954%概率下脉冲展宽导致的功率代价为1dB.PMD=1/（10B）/KM（1/2）SONET-SDH系统速率

(Gbit/s)

2.5

10

40平均PMD*(ps)

4010

2.5PMD系数（基于400km光纤链路）ps/√km20.5

0.125最大的PMD值保证99.999987%概率下脉冲展宽导致的功率代价为of1dB10GigE比特率

(Gbit/s)

10平均PMD*(ps)

50.25PMD系数（基于400km光纤链路）ps/√km第72页/共110页色散对传输带宽的影响Dl比较小的时候，单模光纤带宽：不同线宽下的系统色散所允许的带宽与传输距离的关系0nm：展宽远小于一个比特时的光源线宽结论：1)光源线宽越宽色散越严重2)零色散光纤对提高系统性能作用明显第73页/共110页ＰＭＤ减少措施ＰＭＤ补偿改善环境:地埋比架空好改善光纤生产工艺改变调制码型第74页/共110页光纤分类标准市面上的光纤分类到底是按照什么标准呢？大的分类：按模式==多模、单模细的分类：按损耗+色散==几十种75多模

衰减/公里色散/公里10020单模第75页/共110页光纤发展史多模光纤：70-80年代，850第一窗口和1300第二窗口开发，低速、短距离G.652.A非色散位移：1982年，第二窗口1310和第三窗口1550G.653色散位移:1985年，第三窗口1550，损耗和色散都低，波分、四波混频影响G.654截至波长位移：1988年，1550损耗很小，海底光缆很超长干线用G.655非零色散位移：1995年，第三/四窗口，1550损耗小、无四波混频、DWDM用；分A/B两种（粗级波分/密集波分），1530-1625波段G.652.C全波无水峰：2000年，1383无水峰，第五窗口;城域网CWDM使用很经济G.652.B非色散位移：2000年，652细分为A和B，改善G.652.A的宏弯损耗、吸收损耗和PMD值就是G.652.B,用于高速率10G传输G.652D非色散位移：除了抗弯曲外，其它和G.652C相同G.656非零色散位移：1460-1625波段，带宽大于G.655光纤，可增加40个通道G.657弯曲不敏感：2006年，分G.657.A1、G.657.A2、G.657.B2和G.657.B3DCF色散补偿：1550波段第三窗口，分DCF1/2/3三种DSCF色散斜率补偿：与655和653光纤一起工作，1530～1580nm色散几乎完全平坦反色散光纤(RDF)：DCF+DSCF功能使用情况：G.653/654/656基本不用，G.655少量使用，G.652D大量使用，G.657应不不断增长76第76页/共110页77多模光纤类型3-4DB/KM0.5DB/KMG.651光纤（多模光纤），工作波长850或1300,分A1/A2/A3/A4，每一类又细分为a/b/c/d四种类型最新分类为：OM1/OM2/OM3/OM4我国用A1a(即50um)多模光纤，不用62.5um多模光纤多模光纤损耗图类型折射率分布纤芯直径(um)包层直径(um)材料、应用A1a（OM2/3/4)渐变折射率50125二氧化硅/数据、局域网A1b(OM1欧美）渐变折射率62.5125二氧化硅/数据、局域网A1c渐变折射率85125二氧化硅/局域网传感器A1d渐变折射率100140二氧化硅/楼宇布线、传感器A2a阶跃折射率100140二氧化硅/楼宇布线、传感器A2b阶跃折射率200240二氧化硅/楼宇布线、传感器A2c阶跃折射率200280二氧化硅/楼宇布线、传感器A3a阶跃折射率200300二氧化硅芯塑料包层A3b阶跃折射率200380二氧化硅芯塑料包层A3c阶跃折射率200430二氧化硅芯塑料包层A4a阶跃折射率980-9901000塑料A4b阶跃折射率730-740750塑料A4c阶跃折射率480-490500塑料第77页/共110页78多模光纤类型多模光纤最新分为：OM1到OM4OM1(62.5UM)早期低速时代，百兆级，千兆以上很少用；850/1300，LED光源OM2(50UM)高速率，芯径小些带宽高，可达千兆级；850/1300，LED光源；广泛使用OM3(50UM)新一代光纤，万兆，850，VCSEL光源；广泛使用OM4(50UM)改进型的OM3，速率更高万兆（500米）、40/100G（100/150米），850，VCSEL光源；少用OM2/3/4也分为一般光纤和弯曲不敏感光纤（在光纤制造工艺测试指标会讲到）

OM1OM2OM3OM4满注入850nm

带宽MHz/km20070015003500满注入1300nm

带宽MHz/km500500500500激光注入：有效模式带宽

95020004700千兆传输距离M

7501000110010G传输距离M

100150第78页/共110页多模光纤特点多模光纤：光纤中传输光有很多传播路径“模式”优点：纤芯大（耦合更多光功率），易熔接，短距传输成本（廉价光源、耦合器、接线器）缺点：带宽窄、色散和衰减大。只适用于短距离，小容量传输应用79第79页/共110页单模光纤分类G652标准单模光纤，也分A,B,C,D,四种型号G653色散位移光纤，优化工作波长1550，降低衰减G654低损耗（衰减最小）光纤，超长距离传输，如海底光缆

G655非零色散光纤，主要用于波分复用系统；又叫真波光纤、SMF-LS和大有效面积光纤G656非零色散光纤，提供更宽带宽带传输G657弯曲不敏感光纤，也分几种；主要用于光纤到户，及小弯曲半径条件使用DCF色散补偿：1550波段第三窗口，分DCF1/2/3三种DSCF色散斜率补偿：与655和653光纤一起工作，1530～1560nm和1550～1580nm波段的色散几乎完全平坦反色散光纤(RDF)：DCF+DSCF功能80衰减/公里色散/公里10020第80页/共110页81G.652标准光纤（非色散位移光纤）G.652A：1310色散小损耗大，1550色散大损耗小，PMD大，2.5G速率以下、中短距离G.652B：G.652改进型，损耗系数减小，PMD降低很多，支持10G/40G传输、中短距离G.652C：基本同G.652A，消除了1380nm附近的OH水吸收峰，开通第五窗口，可工作在1360nm～1530nm，增加了100多信道，在城域网上经济实用，现大量使用G.652D：集合G.652B与G.652C优点，应用前景广阔，现在大量使用G.652A/BG.652C/D第81页/共110页82G.653（色散位移光纤）G.653：顾名思义零色散从1310位置移到1550，

比G.652衰减和色散都低了很多，且与放大器波长适配，不用色散补偿即可开通10G以上的高速率，适用于长距离、高速率单通道系统。

在1550零色散处会引起通道间四波混频，不适合波分多通道

主要是日本生产和使用，我国京广线G653光缆曾开通失败，国内弃用G.652A/BG.652C/DG.653第82页/共110页83G.654（截至波长位移光纤）G.654：图形基本同G.652光纤（截至波长在1260处），但截止波长移到1530处，即小于1530波长时工作在多模状态，所以1550性能最佳

且在1550处的损耗值减少了很多0.18左右

抗弯曲性能也不错

主要应用海底光缆和超长距离

缺点：价格昂贵，很少使用G.652A/BG.652C/DG.653G.654第83页/共110页84G.655（非零色散位移光纤）G.655：为了避免1550处的四波混频非线性现象，在1550处有一定量的色散值（即把G.653上下偏移一点即可），这样可以应用于10G以上的WDM和DWDM波分系统

因为G.655光纤最实用，所以各种技术层出不穷，现在大致分：A/B/C/D/E五种，使用广的是A/B/C前三类；主要区别是根据工作窗口不同（第三、第四窗口）、PMD值不同、通道数量、总速率不同来分G.655.A：200GHz通道间隔的波分使用；G.655.A：100GHz通道间隔的波分使用G.655.C消除了零水峰影响的宽带光纤，带宽更宽、通道间隔更窄

市面主要有：LUCENT公司真波光纤、康宁公司SMF-LS光纤和大有效面积光纤等

G.652A/BG.652C/DG.653G.654G.655G.654第84页/共110页85G.656（低斜率非零色散位移光纤）G.656：鉴于G.655的缺点，新研究的光纤。与G.655都是非零色散位移光纤，G.655工作在C+L（1530～1625nm）或S＋C（1460～1565nm）波段，而G.656工作在S+C+L波段，通道可增加40个，容量更大，且模场直径可增大，随着通信速率的发展应用前景很好；曲线斜率更低些，色散值更小；所以取名叫低斜率非零色散位移光纤

由于在1310和1600点色散为0，且斜率低，所以也叫色散平坦光纤G.652A/BG.652C/DG.653G.654G.655G.654G.656第85页/共110页86G.657（弯曲不敏感光纤）G.657：起因：FTTH、接入网、室内布线条件限制需求，抗弯曲、安装简单、技术要求低、室内FTTH铺设首选根据与G.652兼容性分为G.657A、G.657B两大类又根据抗弯曲半径分为1、2、3级，相对应分类为：G.657A1/A2、G.657B2/B3,见下表G.652A/BG.652C/DG.653G.654G.655G.657.A或BG.656ITU-TG.657A类（与G.652全兼容）B类（可与G.652不兼容）等级1（弯曲半径10mm）G.657.A1--等级2（弯曲半径7.5mm）G.657.A2G.657.B2等级3（弯曲半径5mm）--G.657.B3第86页/共110页87色散补偿光纤G.652A/BG.652C/DG.653G.654G.655G.657.A或BG.656色散补偿光纤传输光纤010050100150200传播长度总色散(ps/km·nm)TXRX色散补偿光纤在1300到1600之间色散值都是负的，可使整条链路总色散为0第87页/共110页这么多光纤种类：主要是损耗、色散、波长范围的组合变化而已，下面举色散变化方法：由于波导色散与光纤的几何尺寸有关，可设计不同结构的波导来改变零色散波长0，例如可减小纤芯半径和增加掺杂浓度，使0移到光纤损耗最小的1550nm波长，这种光纤就是色散移位光纤改进单模光纤结构和参数的设计,也可以获得在1550nm具有负色散值大的色散补偿光纤，还可以得到在1300nm和1550nm两个波长的色散都为零的色散平坦光纤。几种单模光纤的结构和折射率分布125mm包层G.654:Si2纤芯Si2纤芯+Ge2G.652:()0.4%(G.654)0.35%(G.652)(a)标准单模光纤Si2OOOO125mmSi2包层Si2+Ge20.2%0.9%(b)色散位移光纤O纤芯OO125mm(c)非零色散光纤3%

(0-0.8)%(d)色散补偿光纤~第88页/共110页衰减：dB/km(1310nm、1550nm、1625nm)色度色散：色散系数ps/(nm•km)零色散斜ps/(nm2•km)零色散波长nm偏振模色散：PMD系数：光纤链路总PMD值光纤传输特性测试技术指标第89页/共110页衰减：EXFO各种OTDR和光眼色度色散：EXFOFTB-5800+FLS-5834AEXF0FTB-5700单端CD测试仪（工程用）偏振模色散：注意测试长度不要小于1KMEXFOFTB-5500B+FLS-5834A或FLS-110EXFOFTB-5600分布式测试仪EXFOFTB-5700单端PMD测试仪（工程用）光纤传输特性测试仪表第90页/共110页光纤机械特性光纤制造工艺光纤机械特性技术指标光纤机械特性测试仪表第91页/共110页光纤制造工艺光纤制造关键过程流程图沉积和制棒

拉丝和涂覆筛选性能测试

原料制备与提纯测试和套管

包装入库

第92页/共110页预制棒主要材料是（透明液体）：高纯度的液态卤化物化学试剂，如四氯化硅（SiCl4）,四氯化锗（GeCl4），三氯氧磷（POCl3）,三氯化硼（BCl3）,三氯化铝（AlCl3）,溴化硼（BBr3），气态的六氟化硫（SF6）,四氟化二碳(C2F4)等。常温下呈无色的透明液体，有刺鼻气味，易水解，在潮湿空气中强烈发烟原材料制作：工业硅在高温下氯化制得粗SiCl4，化学反应如下：Si+2Cl2=SiCl4原料提纯：由于原料纯度应达到99.9999％。大部分卤化物材料都达不到如此高的纯度，必须对原料进行提纯处理。卤化物试剂成熟的提纯技术，如精馏法，吸附法，水解法，萃取法和络合法等。广泛采用的是“精馏－吸附－精馏”混合提纯法辅助材料提纯：掺杂剂和有助反应的辅助试剂或气体也需要提纯沉积包层时，需掺入少量的低折射率的掺杂剂。如B2O3，F，SiF4等；沉积芯层时，需要掺杂少量的高折射率的掺杂剂，如GeO2、P2O5、TiO2、等载气使用的辅助气体－--纯Ar或O2；除气泡用的除泡剂－--氦气He脱水作用的干燥剂－SOCl2或Cl光纤制造工艺（原材料