《电信传输原理、系统及工程》课件第4章 光纤传输理论

内容提要14.1光纤4.2射线理论分析光纤传输原理4.3波动理论分析光纤传输原理4.4光纤传输特性4.5光纤、光缆和光器件4.1光纤2在光纤通信系统中，光纤作为光波传输的良好介质得到了广泛应用，光纤的传输特性对光纤通信的传输质量起着决定性作用。光纤通信具有比铜缆节能、抗干扰、容量大和速率高等优势，已成为当代社会信息的主要传输媒介，在通信、交通、工业、医疗和教育等领域得到广泛应用。本章从应用的角度介绍光纤的结构、制造过程、传输原理、特性、光纤光缆类型以及光纤光缆线路的基本器件。4.1.1

光纤的结构3光纤的结构图4-1光纤结构示意图4.1.2

光纤的制造过程4光纤的制造过程图4-2光纤预制棒及拉丝示意图通信用光纤是由高纯度SiO2与少量高折射率掺杂剂GeO2、TiO2、Al2O3、ZrO2和低折射率掺杂剂SiF4(F)、B2O3或P2O5等玻璃材料经涂覆高分子材料制成的具有一定力学强度的涂覆光纤。目前常用的G.652单模光纤，纤芯材料是SiO2+GeO2，包层材料是SiO2。4.1.2

光纤的制造过程5光纤的制造过程图4-2光纤预制棒及拉丝示意图通信用光纤是由高纯度SiO2与少量高折射率掺杂剂GeO2、TiO2、Al2O3、ZrO2和低折射率掺杂剂SiF4(F)、B2O3或P2O5等玻璃材料经涂覆高分子材料制成的具有一定力学强度的涂覆光纤。目前常用的G.652单模光纤，纤芯材料是SiO2+GeO2，包层材料是SiO2。4.1.2

光纤的制造过程6光纤的制造过程光纤的制造要经历光纤预制棒制备、光纤拉丝等具体的工艺步骤。制造光纤预制棒时，先进行原材料制备、原材料提纯和纯度分析，然后用气相沉积法（MCVD）或非气相沉积法制作高质量的预制棒，下面只介绍改进的MCVD法。图4-3管内MCVD法预制棒制备4.1.2

光纤的制造过程7光纤的制造过程

图4-4光纤拉丝过程示意图

图4-5光纤涂覆工艺4.2射线理论分析光纤传输原理8分析光纤传输的理论方法有两种：即射线理论和波动理论。射线理论是忽略波长的光学特性，用光射线去代表光能量在光纤中传输的方法，这种理论对于光纤的芯径远远大于工作光波长（2a>>）的多模光纤，分析传输原理是有效的；波动理论是把光纤中的光作为经典电磁场来处理，因此，光场必须服从麦克斯韦方程组以及边界条件。波动理论可以得到全面、严密、精确结果，但计算复杂，一般没有解析结果。4.2.1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，其传播的速度为：v=c/nc=3×108m/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027)。1.直线传播定律4.2.1基本光学定律2.独立传输定律在线性介质中(光纤为线性介质)，来自不同方向的光线即使在空中相交也能互不影响，按各自原有方向继续前进。3.反射定律和折射定律图4-6光的反射和折射4.2.1基本光学定律(1)反射定律(2)折射定律反射线位于入射线和法线所决定的平面内，反射线和入射线处于法线的两侧，反射角等于入射角，即有：θ1=θ'1

（4.2）折射线位于入射线和法线所决定的平面内，折射线和入射线位于法线的两侧，且满足：（4.3）4.2.1基本光学定律介质折射率大的为光密介质，折射率小的为光疏介质。若n1>n2,则入射角θ1<折射角θ2；当θ2=90°时对应的入射角θ1=临界角θc；当θ1>θc，产生全反射，光被限制在n1介质（光密）传播。4.2.2阶跃光纤传输原理分析☆光线在光纤中存在不同形式的光射线轨迹：平面折线——子午线；空间折线——斜射线图4-7光纤中的射线4.2.2阶跃光纤传输原理分析(1)子午面：经过光纤轴线的平面，例MN平面。特点：子午面在光纤横截面上的投影为一过轴心的直线。(2)子午线：在子午面上并与光纤轴线相交的射线。(3)斜射线：不通过光纤轴线的空间折线。(4)焦散面：与斜射线相切的圆柱面。4.2.2阶跃光纤传输原理分析☆子午线在阶跃光纤中的传播原理图4-8光纤中的子午线传播当光线①以

i角从空气（n0=1）入射到光纤端面时，将有一部分光进入光纤，此时n0sin

i=n1sin

z

。由于纤芯折射率n1＞n0空气，则

z＜

i，光线继续以

i=（90°

z）角传播到纤芯和包层的界面处。4.2.2阶跃光纤传输原理分析如果

i小于纤芯包层界面的临界角

c=arcsin（n2/n1），则一部分光线折射进包层，最终被溢出而损耗掉，另一部分反射进入纤芯。如此几经反射、折射后，很快就被损耗掉了。如果

i减小到

0，如光线②，则

z也减小到

z0，即

z0=（90°

c），而

i增大。如果

i增大到略大于临界角

c时，则此光线将会在纤芯和包层界面发生全反射，能量全部反射回纤芯。当它继续传播再次遇到芯包界面时，再次发生全反射。如此反复，光线就能从一端沿着折线传到另一端。★必须在纤芯的界面上产生全反射的子午线才能限制在光纤纤芯中传输，且

0是最大接收角。4.2.2阶跃光纤传输原理分析☆数值孔径NA(NumericalAperture)物理意义：NA大小反映了光纤捕捉光线的能力。n0sin

0=n1sin

z0=n1sin(90°-θc)=n1cos

c

4.2.2阶跃光纤传输原理分析相对折射率差：易知：n1，n2相差越大，即Δ越大，光纤的数值孔径越大，其集光能力越强。但通信用的光纤数值孔径较小，故称为弱导光纤。4.2.2阶跃光纤传输原理分析相对折射率差：易知：n1，n2相差越大，即Δ越大，光纤的数值孔径越大，其集光能力越强。但通信用的光纤数值孔径较小，故称为弱导光纤。4.3波动理论分析光纤传输原理

波动理论对光在光纤中传输的分析，是以求解特定边界条件下的麦克斯韦方程为基础，来获得电磁场分布，从而分析光纤的传输特性。对于作时谐振荡的光波，在阶跃光纤中满足矢量亥姆霍兹方程：（4.6）下面先从Ey、Hy横向分量的标量亥姆霍兹方程入手，再求其他场分量。4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

弱导光纤(n1/n2≈1)中电磁场近似为横向场，具有横向场(x,y)极化方向不变的线极化特点，是线极化LPmn模。LP模不是光纤中实际存在的导模，它是由TE，TM，HE和EH模线性叠加而成。弱导光纤中传输波非常接近TEM波，其Ez和Hz非常小。因此，先求横向场分量，再求纵向场分量Ez和Hz。4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

在弱导光纤中横向电场偏振方向在传输过程中保持不变，可用一个标量来描述。设横向电场的偏振方向沿y轴方向，它满足标量亥姆霍兹方程，有：（4.7）4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

在圆柱坐标中展开得：

对理想规则介质波导，可延用第2章的圆波导分析法，有：应用横向分离变量法，即：（4.8）4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

R(r)描述导波沿r方向的变化规律，并考虑纤芯和包层中的折射率为n1和n2，a为纤芯半径，得：（4.9-a）（4.9-b）对于贝塞尔方程求解，有多种形式，取什么样的解要根据物理意义来确定。导波在光纤纤芯中应为振荡解，故其解取第一类贝塞尔函数；在包层中应是衰减解，故其解取第二类修正的贝塞尔函数解。4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

于是R(r)可写为：（4.10-a）（4.10-b）式中，Jm(x)为m阶第一类贝塞尔函数；Km(x)为m阶第二类修正贝塞尔函数。4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

☆在光纤中引入的几个重要参数：

U、W、V、βU——导波径向（r向）归一化相位常数；它描述了导波电场和磁场在纤芯横截面上的分布。W——导波径向（r向）归一化衰减常数；它描述了导波电场和磁场在包层横截面上的分布。W的物理意义?4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

W的物理意义：在包层中导波在径向衰减快慢的参数。①当W→0时，导波场在包层中不衰减，那么导波转化为辐射波即导波截止。②当W→∞时，导波场在包层中衰减最大，光纤对导波的约束力最强，称为导波远离截止。V——归一化频率；它是表示光波频率大小的无量纲的量。4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

V的物理意义：①V是一个没有量纲的反映光频率大小的物理量，它与光纤结构参数和工作波长有关。②V值越大，导波数越多，越易满足传输条件，远离截止。③若V→∞时，结论是导波场完全集中在纤芯中，而在包层中的场为零。④若随着V值的减小，光场将向包层中伸展，有些模式就会逐步被泄漏到光纤外，从而被损耗掉，称为模式被截止。β——导波沿光纤轴向传输时的相位常数。4.3.1标量解法求LPmn模的场方程将R(r)，Θ(θ)代入(4.8)式，并考虑到U、W的关系，整理可得的场分量为：（4.13-a）（4.13-b）首先根据边界条件找出A1,A2之间的关系。在r=a处，由Ey1=Ey2可得A1Jm(U)=A2Km(W)=A，将此式代入式（4.13）中，得：（4.14-a）（4.14-b）4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

光纤中电磁波近似为TEM波，于是Hx的场分量表示式为：r≤a

r≥a

（4.15-a）（4.15-b）式中，是自由空间波阻抗。由麦克斯韦方程组，可求出纵向场Ez,Hz与横向场Ey,Hx之间的关系：（4.16-a）（4.16-b）4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

以上是阶跃光纤中场分量表示式，它们均是贝塞尔函数型。4.3.1标量解法求LPmn模的场方程

以上场分量表达式，利用纤芯和包层界面上切向分量连续的条件，即r=a处，Ez1=Ez2，忽略n1和n2之间的微小差别（令n1=n2），可得标量模的特征方程为：由贝塞尔函数的递推公式可以证明，式（4.17）中的两式是相等的，因而可选其一求解。从而确定W（或U）和相位常数

，确定光纤中的场分布及其特性。（4.17）4.3.2光纤的LPmn模及其特性截止的概念：光纤中的模式变为辐射模时，认为导波截止。当某一模式截止时，它已不能沿光纤有效传输。通常是以径向归一化衰减常数W来衡量。导波电磁场在纤芯外的包层沿半径方向几乎按指数快速衰减，电磁能量集中在纤芯中，此时，W2>0。如果W2<0,即W为虚数，包层中电磁场不再沿半径方向衰减，而是振荡的，成为辐射模。W=0作为导波发生截止的标志。1.LPmn模的归一化截止频率Vc

4.3.2光纤的LP模及其特性截止时的W记作Wc，当Wc=0时，对应的归一化径向相位常数记作Uc和归一化截止频率记作Vc，于是可得下列关系：1.LPmn模的归一化截止频率Vc

或Vc=Uc

（4.18）4.3.2光纤的LP模及其特性由截止条件Wc=0的特征方程，得：UcJm

1(Uc)/Jm(Uc)=-WcKm

1(Wc)/Km(Wc)=0（4.19）由Uc≠0，进而得：Jm

1(Uc=

mn）=0式中，Uc是m-1阶贝塞尔函数的根。由此可导出LPmn模的截止条件和归一化截止频率。（4.17）4.3.2光纤的LP模及其特性

Jm

1(Uc=

mn）=0a)当m=0时，LP0n模的特征方程：J-1(Uc)=J1(Uc)=0可解出：Uc=

0,n=Vc0,n=0,3.83171,7.01559,10.17347,…，n=1,2,3，…4.3.2光纤的LP模及其特性图4-18m=0,1模式的U值变化范围图中一阶贝塞尔函数的第一个零点Uc=0，意味着LP01模无截止波长、无截止情况，此模称为基模。●4.3.2光纤的LP模及其特性b)当m=1时，存在LP1n模式，其截止条件为：Jm-1(Uc)=J0(Uc)=0n=1时，Uc=Vc=2.4048，是LP11模的归一化截止频率；n=2时，Uc=Vc=5.52008，是LP12模的归一化截止频率。表4-2截止情况下的LPmn模的Uc值（Uc=Vc）n\

m012102.40483.831723.83175.52017.015637.01568.653710.1735LP11模称为二阶模。4.3.2光纤的LP模及其特性对光纤的每一个模式，都对应一个归一化截止频率Vc

(归一化截止波长λc)。当工作波长λ0＜λc时，该模式可传输；当工作波长λ0＞λc时，该模式就截止；当光纤的V＜Vc时，该模式就截止；当光纤的V＞Vc时，该模式可传输；（4.20）4.3.2光纤的LP模及其特性☆单模传输条件0λC23λC12λC21λC11λLP01LP11LP21LP12LP230VC11VC21VC12

VLP01LP11LP21LP12Vc01＜

V＜Vc11

即：0＜

V＜2.4048λ>λc11=2πn1(2△)1/2a/2.4048

只能传输一种模式(最低阶模或基模——LP01)的光纤称为单模光纤。4.3.2光纤的LP模及其特性m、n值表示对应传导模式的场在横截面上的分布规律。m表示沿圆周方向电场出现最大值的个数，而n表示沿半径方向电场出现最大值的个数。图4-19LP0n模的场沿半径的变化4.3.2光纤的LP模及其特性例阶跃型光纤的相对折射指数差

＝0.01，纤芯折射率n1=1.48，纤芯半径a=3

m，要保证单模传输，问工作波长应如何选择？解：单模传输条件是

0<V<2.404834.3.2光纤的LP模及其特性2.LPmn模的传导条件LPmn模的远离截止状态，即LPmn模的传导状态。根据电磁场理论，只要V大于LPmn模所对应归一化截止频率Vc，则该LPmn模可以传导。4.3.2光纤的LP模及其特性每一个LPmn模对应的Vc值都是有限的值。讨论大V值（远离截止），实际上是对在光纤中可传导的LPmn模的分布情况进行讨论。光纤中的U和W值与V值有关，光纤的V值越大，传输的模式量越多，越不容易被截止。在极限情况下，V→∞表示场完全集中在纤芯中，在包层中的场为零。2.LPmn模的传导条件★光纤的主要特性传输特性损耗色散光学特性折射率分布数值孔径芯径外径偏心度椭圆度几何尺寸机械特性温度特性4.4光纤传输特性4.4光纤传输特性从信号传输的角度来看，研究信道问题，人们最关注的是信道引起的信号衰减和畸变。信号的衰减从能量的角度限制了信号传递，而信号的畸变从信号检测精度的角度限制了信号传递。本节主要介绍光纤中引起光信号能量衰减和畸变的各种特性，即损耗、色散和非线性效应。4.4.1损耗特性光波在光纤中传输，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（或衰减）。光信号在光纤中传输时，随着距离增长光的强度减弱的规律为：P(0)：输入光纤的光功率，即z=0处的注入光功率；P(z)：传输距离z处的光功率；

(

)：波长

处光纤衰减系数。（dB/km）（4.21）A(

)=

(

)×L(dB)（4.22）4.4.1损耗特性当z=L时，光纤衰减系数为：当工作波长为

时，在光纤上两个相距L的总衰减A（

），用下式表示：☆光纤的损耗限制了光信号的传播距离。☆光纤的损耗主要取决于3种损耗：吸收损耗、散射损耗、附加损耗。4.4.1损耗特性例4-3已知一段3km长的光纤，入纤光功率为1mW（波长为1310nm）时，出纤光功率为0.8mW。请计算这段光纤在该波长下的损耗系数为多少？若该类型光纤在1550nm波长下的损耗系数为0.25dB/km，求光信号经10km传输后，出纤光功率为多少？解：本题考查光纤的损耗概念及计算方法。由式（4.21）得

4.4.1损耗特性

造成光纤损耗的原因很多，主要有吸收损耗、散射损耗和附加损耗，如图4-13所示。图4-13光纤传输线的各种损耗表4-2光纤的传输损耗4.4.1损耗特性1.吸收损耗吸收损耗是光波通过光纤材料时，一部分光能被消耗（吸收）转换成其他形式的能量而形成。吸收损耗主要包括：本征吸收、杂质吸收（OH离子）和结构缺陷吸收。本征吸收有红外和紫外吸收。指光通过SiO2构成石英玻璃时分子共振引起的光能吸收现象。例如：SiO2的吸收峰分别为9.1

m，12.5

m，21.3

m。如在9.1

m的吸收损耗高达1010dB/km。对掺锗的石英光纤系列，若不考虑掺锗浓度对损耗的影响，可以用下面的公式估算红外吸收的损耗系数：a)红外吸收：（dB/km）4.4.1损耗特性b)紫外吸收：指光波照射激励电子跃迁至高能级时吸收能量现象。这种吸收发生在紫外波长区，故通常为紫外吸收。对掺锗的光纤，若

<0.4%，可用如下公式估算紫外吸收的损耗系数：B为掺锗百分比，紫外吸收随

减少和掺锗浓度增加而增加。（dB/km）c)杂质吸收：指玻璃材料中含有铁、铜等过渡金属离子和OH离子，在光波激励下由离子振动产生的电子阶跃吸收光能而产生的损耗。4.4.1损耗特性2.散射损耗散射损耗是由于材料的不均匀使光散射将光能辐射出光纤外导致的损耗。光纤的散射损耗主要有：瑞利散射、米氏散射、受激布里渊散射、受激拉曼散射、附加结构缺陷散射、弯曲散射和泄漏等。引起光纤损耗的散射主要是瑞利散射，瑞利散射具有与短波长的1/

4成正比的性质，即：

R=A/

4。对掺锗的光纤而言，A

0.63dB

m4/km。在

分别0.85

m、1.31

m和1.55

m时，

R分别约为1.3dB/km、0.3dB/km和0.1dB/km。除瑞利散射损耗较大外，其他散射损耗只是瑞利散射损耗的百分之一。4.4.1损耗特性3.附加损耗附加损耗源于外部损耗（应用损耗），如：在成缆、施工安装和使用运行中使光纤扭曲、侧压等造成光纤宏弯和微弯所形成的损耗等。微弯是在光纤成缆时随机性弯曲产生的，所引起的附加损耗一般很小，光纤宏弯曲损耗是最主要的。在光缆接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。图4-20光纤弯曲辐射损耗4.4.1损耗特性决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大。单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1310nm和1550nm附近，即1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可分为C-band(1525nm～1562nm)和L-band(1565nm～1610nm)。4.4.2色散特性在物理学中，色散是指不同颜色的光经过透明介质后被分散开的现象。在光纤中，信号的不同模式或不同频率在传输时具有不同的群速度，因而信号达到终端时会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象统称为色散。对于数字信号，色散会引起光脉冲展宽，严重时形成码间干扰，导致误码率增加。色散决定了光纤的传输带宽，限制了系统的传输速率或中继距离。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。4.4.2色散特性根据色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。4.4.2色散特性在多模光纤中，不同模式沿光纤轴向传播的群速度不同，到达终端时必会有先有后，出现时延差，形成模式色散。1.模式色散图4-16模式色散的脉冲展宽图4-17多模阶跃光纤的模式色散4.4.2色散特性估算阶跃型多模光纤的最大模式色散：

在多模阶跃光纤中，传输最快和最慢的两条光线分别是沿轴心传播的光线①和以临界角

c入射的光线②，如图4-17所示。设光线②所用时间为τmax和光线①所用时间为τmin；到达终端的时间差△τmax=τmax-τmin

设在长为L的光纤中，光线①和②沿轴方向传播的速度分别为c/n1和c/n1sinθc。因此，光纤的模式色散为：（4.26）当光纤的长度越长，模式色散就越大；当相对折射率差

越大，模式色散就越严重。4.4.2色散特性和带宽2.材料色散光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度不同，引起传输时延差，形成材料色散。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的线谱宽度。式中：c为真空中光速，n1为纤芯折射率，λ为光波长,△λ为光源谱线宽度，且△λ=λ2-λ1是以λ为中心的波长范围。4.4.2色散特性和带宽色散系数D：单位谱线宽度下传播单位长度光纤所造成的色散。[ps/(nm·km)]材料色散系数Dm定义为：[ps/(nm·km)]如果已知光纤的材料色散系数，容易求出材料色散为：（4.27）4.4.2色散特性和带宽3.波导色散光纤波导结构引起的色散称为波导色散，也称为结构色散。大小可以和材料色散相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消。4.4.2色散特性和带宽4.偏振模色散光信号的两个正交偏振态在光纤中因不同的传播速度而引起的色散称为偏振模色散。偏振模色散是单模光纤特有的一种色散(PMD)。光纤偏振色散的计算式为：（4.28）式中：τx，τy为两个模式传输单位长度所用时间；△β为相位差；nx，ny是两个模式的等效折射指数。4.4.2色散特性和带宽造成单模光纤PMD的内因是纤芯的椭圆度以及残余内应力。它们改变了光纤折射率分布，引起相互垂直的本征偏振以不同的速度传输，进而造成脉冲展宽。造成单模光纤PMD的外因是成缆和敷设时的各种作用力，即压力、弯曲、扭转及光缆连接等。图4-18偏振模色散4.4.2色散特性和带宽综上所述，光纤中各色散之间具有如下关系：多模光纤中:模式色散>>材料色散>波导色散单模光纤中:材料色散>>波导色散>偏振模色散因此，光纤色散可表示为：多模光纤色散：

=（

2M+

2m+

2w）^1/2单模光纤色散：

=（

2m+

2w+

20）^1/2（4.29）（4.30）4.4.2色散特性和带宽5.光纤的带宽光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。色散是时域表现：光脉冲经传输后时间上的展宽。带宽是频域表现：把光纤视为一个线性传输系统，用基带响应来表征光纤的传输特性，带宽根据频率响应的幅频特性定义。ITU-T建议规定光纤的带宽是每千米带宽：（MHz）L千米的光纤带宽为：（MHz）4.4.3非线性特性非线性是指光传输介质的性质，而非光本身的性质。当媒质受强光场的作用，组成媒质的原子或分子内的电子发生位移或振动，使媒质产生极化，极化后的媒质内出现偶极子，这些偶极子辐射出相同频率的电磁波叠加到原入射场上，成为媒质内的总光场。这说明媒质特性变化又反过来影响光场（非线性）。大功率信号与低损耗的光纤的使用，使得光纤中的非线性效应越来越明显，如果不加以适当抑制，这些非线性效应会严重影响系统的性能和限制再生中继距离。目前研究较多的非线性现象包括：受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）和折射率扰动等。4.4.3非线性特性(1)受激拉曼散射（SRS）SRS（StimulatedRamanScattering）是介质中的分子振动对入射光（称为泵浦光）的相互作用，从而使入射光产生散射。设入射光频率为

p，介质分子振动频率为

v，则散射光频率为

S=

p

v和

aS=

p+

v，这种现象叫受激拉曼散射。产生频率为

S散射光叫斯托克斯波（Stokes），频率为

aS散射光叫反斯托克斯波。对斯托克斯波可用物理概念来描述：一个入射光子消失，产生了一个频率下移光子（即Stokes波）和一个有适当能量和动量的光子，使能量和动量守恒。

S波和

aS波传输方向相反，可采用光隔离器来消除相反方向传输的光功率。1.受激散射4.4.3非线性特性(2)受激布里渊散射（SBS）SBS（StimulatedBrillouinScattering）是一种由光纤中的光信号和声波之间的相互作用所引起的非线性现象。入射的光频

p的泵浦光将部分能量转移给频率为

s的斯托克斯波，并发出频率为Q的声波。受激布里渊散射与受激拉曼散射在物理过程上类似，只是受激布里渊散射的频移量在声频范围，

s波和

p波传输方向相反。SRS和SBS对光通信的不利影响是，光信号功率一旦达到拉曼或布里渊散射阈值，约65%能量将变成反向传输的斯托克斯波。这一方面消耗信号功率，另一方面反向斯托克斯波将使激光器工作不稳定。4.4.3非线性特性2.折射率扰动在低的光功率作用下，石英玻璃光纤的折射率是保持恒定的，但是用掺铒光纤放大器获得高的光功率，通过改变所传输信号的光强度，能够引起光纤折射率的变化，它们的关系如下式所示：n=n0+n2P/Aeef=no+n2|E|2式中，n0为线性折射率；n2为非线性折射率；P为输入功率；Aeef为纤芯有效面积；E为光场强度。折射率扰动引起三种非线性效应：自相位调制、交叉相位调制和四波混频。4.4.3非线性特性SPM（SelfPhaseModulation）是指传输过程中光脉冲自身相位变化，导致脉冲频谱展宽的现象。从原理上，自相位调制可用来实现调相，可在光纤中产生光孤子，实现光孤子通信。(1)自相位调制（SPM）(2)交叉相位调制（CPM）CPM（CrossPhaseModulation）是一个脉冲对其他信道脉冲相位的作用。当两个或多个不同波长的光波在光纤的非线性作用下，将产生CPM，其产生机理与SPM相似。CPM与SPM不同的是SPM发生在单信道或多信道系统中，而CPM则仅出现在多信道系统中。CPM的作用是复杂的，但可用非零色散位移光纤能有效地限制CPM。4.4.3非线性特性(3)四波混频图4-25四波混频产生原理四波混频FWM（FourWaveMixing）是指由两个或三个波长的光波混合后产生的新光波。4.4.3非线性特性四波混频与信道间隔关系密切，信道间隔越小，FWM越严重。FWM对波分复用系统的影响为：一是将波长的部分能量转换为无用的新生波长，从而损耗光信号的功率；二是新生波长可能与某信号波长相同或重叠，造成干扰。这种非线性效应会严重地损坏眼图并产生系统误码。(3)四波混频4.5光纤、光缆和光器件4.5.1光纤分类及主要参数1.光纤的分类光纤可依据材料、波长、传输模式、纤芯折射率分布和制造方法的不同进行分类，可归纳为如图4-20所示。根据ITU-T（国际电信联盟）建议，目前常用的单模光纤标准有G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657、DCF以及DFF等和多模光纤标准G.651，至今已有G.651～G.657等系列光纤产品种类，在抑制色散上各有所长。1）G.652光纤G.652光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤，被广泛应用于数据通信和图像传输。在1310nm窗口处有零色散。在1550nm窗口处有较大的色散，达+18ps/nm·km，不利于高速率大容量系统。2）G.653光纤G.653光纤又称为色散位移光纤（DSF），将在λ＝1310nm附近的零色散点，移至1550nm波长处，使其在λ＝1550nm波长处的损耗系数和色散系数均很小。主要用于单信道长距离海底或陆地通信干线，其缺点是不适合波分复用系统。3）G.654光纤G.654光纤又称为1550nm损耗最小光纤，它在λ＝1550nm处损耗系数很小，α＝0.2dB/km，光纤的弯曲性能好。主要用于无需插入有源器件的长距离无再生海底光缆系统。其缺点是制造困难，价格贵。4）G.655光纤和G.656光纤G.655光纤称为非零色散位移光纤（NZDSF）。G.655光纤在1550nm波长处有一低的色散（但不是最小），能有效抑制“四波混频”等非线性现象。适用于速率高于10Gb/s的使用光纤放大器的波分复用系统，但在长距离、高速率传输系统中仍然需要进行色散补偿。G.656色散平坦光纤是在1310～1550nm波长范围内呈现低的色散（≤1ps/nm·km）的一种光纤。5）G.657光纤G.657光纤是低弯曲损耗敏感光纤，弯曲半径可达5～10mm，可以像铜缆一样沿着建筑物内很小的拐角安装（直角拐弯），可以有效降低了光纤布线的施工难度和成本。6）色散平坦光纤（DFF）和色散补偿光纤（DCF）DFF光纤在1

310～1

550nm波段范围内都是低色散，且具有两个零色散波长，可用于工作波长在1

310nm和1

550nm的高速传输系统。DCF是一种具有大的负色散和负色散斜率的光纤，用来补偿常规光纤工作于1310nm或1550nm处所产生的较大的正色散。4.5光纤、光缆和光器件4.5.1光纤分类及主要参数2.光纤的主要参数光纤的结构参数主要有：①几何参数②折射率分布③数值孔径（NA）④模场直径⑤截止波长等。

这些参数与光纤横截面径向r有关，与光纤的长度及传输状态无关。4.5光纤、光缆和光器件4.5.1光纤分类及主要参数2.光纤的主要参数光纤的结构参数主要有：①几何参数②折射率分布③数值孔径（NA）④模场直径⑤截止波长等。

这些参数与光纤横截面径向r有关，与光纤的长度及传输状态无关。1）几何参数几何特性有芯径、包层的尺寸和纤芯／包层同心度、不圆度等。纤芯直径——对多模光纤而言ITU-T规定多模光纤的芯直径为50±3μm外径——多/单模光纤,ITU-T规定

外径为125±3μm芯／包层同心度和不圆度,ITU-T规定

同心度误差<6%；纤芯不圆度<6%；

包层不圆度（单/多）<2%2）数值孔径

数值孔径是多模光纤的重要参数之一，它表征了多模光纤接收光的能力，同时对光源耦合效率、光纤微弯损耗的敏感性和带宽有着密切的关系。

阶跃型光纤NA计算式参看4.2节的式（4.5）。ITU-T建议光纤的NA为0.18~0.23。3）模场直径(单模光纤特有参数)模场直径的定义是LP01模的电场强度最大值E0/e处所对应光纤横截面径向r上两点之间的宽度为模场直径，用2W0表示。模场直径估算为：单模光纤由模场直径代替纤芯直径。模场直径描述光在纤芯中的集中程度。理论截止波长：讨论：截止波长与数值孔径的关系？

NA越大，光纤的收集光线能力越强；但是光纤截止波长越大，传输的模式越多，会影响光纤的传输带宽。4）

截止波长4.5.2光缆的分类及型号形成缆芯合在一起

光纤成缆可进一步提高光纤的环境适应能力，同时，一条光缆中可容纳多根光纤，有利于降低工程成本。光缆和电缆一样由“缆芯”和“外护层”共同构成。

缆芯一般将带有涂覆层的单根或多根光纤，与不同形式的“加强件”和“填充物”扭绞组合在一起，再套上一层塑料子管形成缆芯的组成。其中，“加强件”用于提高光缆施工的抗拉能力。

外护层用来保护缆芯，使缆芯有效抵御一切外来的机械、物理、化学的作用，并能适应各种敷设方式和应用环境，保证光缆有足够的使用寿命。1.光缆的分类1）室外光缆1.光缆的分类2）室内光缆

常用的室内光缆都是非金属的，可分为4种类型，即多用途室内光缆、分支光缆、互连光缆和皮线光缆，如图4-26～4-29所示。1.光缆的分类2）室内光缆1.光缆的分类3）特种光缆

常用的特种光缆主要有电力系统光缆、海底光缆和野战军用光缆等，如图4-30、图4-31所示。2.光缆的型号

光缆种类较多，具体型号也多，根据《YD/T908-2000光缆型号命名方法》的规定，目前光缆型号的命名由光缆型号代码和光缆中光纤的规格代码两部分组成，如图4-32所示。2.光缆的型号

1）光缆型号代码的意义2.光缆的型号

2）光缆中光纤规格代码及意义①光纤数

光纤数目用1、2、3、……，表示光缆内光纤的实际数目。②光纤类别的代号及其意义。J——二氧化硅系多模渐变型光纤T——二氧化硅系多模突变型光纤Z——二氧化硅系多模准突变型光纤D——二氧化硅系单模光纤X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤S——塑料光纤③光纤主要尺寸参数

用阿拉伯数（含小数点数）及以μm为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。2.光缆的型号

2）光缆中光纤规格代码及意义④波长、损耗、带宽表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。a——表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：1——波长在0.85μm区域2——波长在1.31μm区域3——波长在1.55μm区域注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。bb——表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。cc——表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHz·km）的千位和百位数字。单模光纤无此项。2.光缆的型号

2）光缆中光纤规格代码及意义⑤适用温度代号及其意义。A——适用于−40℃～+40℃B——适用于−30℃～+50℃C——适用于−20℃～+60℃ D——适用于−5℃～+60℃例如：GYFTY-12B1.1的光缆型号的意义是非金属加强构件、油膏填充松套层绞式结构、聚乙烯护套的通信用室外光缆，并且12芯G.652A/B单模光纤。4.5.3光纤光缆线路基本器件及设施

光器件是光纤通信系统的重要组成部分，这里主要介绍光纤光缆线路中常用的一些无源光器件，主要从器件结构、工作原理及工作特性等方面进行分析。1.光纤连接器1）活动连接器的结构与种类光纤连接器又称光纤活动连接器，是实现光纤与光纤之间、光纤与光模块或仪表、光纤与其他光无源器件之间的可拆卸连接器件。主要类型有：FC/PC球面型、FC/APC斜八度型、SC/PC直插式方头型、ST/PC球面式和LC/PC球面式等，如表4-5所示。4.5.3光纤光缆线路基本器件及设施4.5.3光纤光缆线路基本器件及设施2）主要性能指标1)插入损耗耦合损耗用L表示。若输入光纤的光功率为PT，输出光纤的光功率为PR。插入损耗定义为：

dB

理想的光纤连接器是PT＝PR，L＝0,但实际上光纤连接损耗是难以避免的。3）重复性和互换性重复性:指活动连接器多次插拔后插入损耗的变化，用dB表示。互换性：指连接器各部件互换时插入损耗的变化，用dB表示。这两项指标可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，是表明连接器实用化的重要指标。2)回波（反射）损耗定义:

dBPT-入射光功率，Pr-反射光功率2.光分路耦合器光纤耦合器是将光信号进行分路或合路的一种器件，与波长无关,一般是对同一波长的光功率进行分路或合路。(与波长相关的专称为波分复用器/解复用器)光纤耦合器的使用将会对光纤线路带来一定的附加插入损耗以及一定的串扰和反射。光耦合器基本结构有：X形(2×2)、Y型、星状、树状耦合器等。1）X形耦合器(2×2)耦合器P1P2P4P3星状耦合器（N×M）如图所示

功能：是把N根光纤输入的光功率组合在一起，均匀地分配给M根光纤输出,N和M不一定相等。

特点：该耦合器通常用作多端功率分配器。这种光耦合器与波长无关。用2×2耦合器拼接