光纤通信系统（第3版） 课件 第二章 光纤与光缆

光纤通信系统2光纤是光纤通信系统中的传输媒质，其材料、结构和传输性能的好坏直接影响了系统的性能。本章首先介绍光纤光缆的基本结构和类型，然后分别应用射线光学和波动光学理论分析光纤传输原理，在此基础上对光纤的损耗、色散和非线性等传输性能参数进行介绍，最后给出光纤的类型及工程技术。第二章光纤与光缆32.1光纤光缆的结构和类型2.1.1光纤结构2.1.2光纤类型2.1.3光纤制造工艺2.1.3光缆及其结构42.1.1光纤结构光纤的基本结构主要由以下几部分组成：折射率（n1）较高的纤芯部分、折射率（n2）较低的包层部分以及表面涂覆层。结构如图2-1所示。为保护光纤，在涂覆层外有二次涂覆层（又称塑料套管）。5图2-1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6光纤的分类按折射率分布按二次涂覆层结构按材料按传导模式71.按纤芯折射率分布：

阶跃折射率分布和渐变折射率分布思考：为什么纤芯的折射率要高于包层折射率？82.按光纤的二次涂覆层结构紧套结构光纤松套结构光纤93.按光纤主要材料

SiO2光纤*塑料光纤氟化物光纤*SiO2是目前最主要的光纤材料104.按光纤中的传导模式*单模光纤多模光纤*传导模式的概念将在模式分析部分介绍112.1.2光纤类型目前国际上对光纤光缆型号进行标准化的主要是国际电信联盟标准化组织(ITU-T)和国际电工委员会(IEC)。ITU-T涉及通信光纤的标准主要是G.65x系列，IEC则是标准60793系列。ITU-T规定的光纤型号主要有G.651光纤（多模光纤），G.652光纤（常规单模光纤），G.653光纤（色散位移光纤），G.654光纤（低损耗光纤），G.655光纤（非零色散位移光纤）以及最新的G.656和G.657光纤。IEC标准（我国国标也参照IEC命名）将光纤的种类分为A类（多模）光纤和B类（单模）光纤。2.1.3光纤制造工艺改进的化学汽相沉积法(MCVD)轴向汽相沉积法(VAD)棒外化学汽相沉积法(OVD)等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)12光纤接续方法永久接续法连接器接续法13142.1.4光缆及其结构光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。15光缆的分类方法按成缆光纤类型多模光纤光缆和单模光纤光缆按缆芯结构中心束管、层绞、骨架和带状按加强件和护层金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合长途/室外、室内、水下/海底等按敷设方式架空、管道、直埋和水下16光缆的结构（成缆方式）层绞式骨架式中心束管式带状式17光缆结构示意图层绞式中心束管式带状式2.2光纤传输原理2.2.1射线光学分析方法2.2.2波动光学分析方法18192.2.1射线光学理论分析光波在光纤中传输可应用两种理论：波动理论和射线理论。波动理论分析光波在阶跃折射率光纤中传播的模式特性的方法比较复杂。射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光的传播现象很有效，而且对光纤半径远大于光波长的多模光纤能提供很好的近似。20两个重要概念1：光射线（简称射线）设有一个极小的光源，它的光通过一块不透明板上的一个极小的孔，板后面的一条光的边界并不明显锐利，而有连续但又快速变化的亮和暗，这就是所谓的衍射条纹。如果光波长极短（趋于0）而可以忽略，并使小孔小到无穷小，则通过的光就形成一条尖锐的线，这就是光射线。也可以说一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。21当光波长趋于0而可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何光学。射线光学是忽略波长的光学，亦即射线理论是λ→0时的波动理论。两个重要概念2：射线光学（即几何光学）221.Snell定律从射线方程导出的射线光学最重要的理论之一是斯涅尔（Snell）定律，它应用于恒定折射率n1和n2区域时可写成：反射定律：

（2-2）折射定律：（2-3）式中n1、n2为介质的折射率，、、分别是光线的入射角、反射角和折射角。23第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＜n2法线反射定律：入射角Φ入＝反射角Φ反折射定律：n1·sinΦ入＝n2·sinΦ折Φ入Φ反Φ折入射光线折射光线反射光线光射线的反射和折射24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。ΦC光的全反射现象（光密介质－光疏介质）252.光纤的传光原理利用上述的射线分析方法，可以直观地对光纤的传光原理进行解释，但是必须要指出的是，射线分析方法虽然具有易于理解的优点，但其本质上是一种近似分析方法，只能定性地解释光纤的传光原理，并不能作为定量的分析依据。26阶跃折射率光纤中的全反射传输光纤轴线方向纤芯（n1）包层（n2）n1＞n2思考：如果光纤发生弯曲或形变会有什么结果？此处亦有折射现象，如何由光纤内部的全反射条件推导处此处的入射条件？27最大接收角和数值孔径最大接收角数值孔径为式中，n1,n2

分别为光纤芯和包层的折射率，Δ为相对折射率差。282.2.2波动光学分析方法

射线光纤理论分析方法虽然形象地给出了光纤中光的传输原理，但其是假定光波长趋于0时的近似分析方法，无法对光在光纤中的传输状态进行严格的定量分析，因此需要引入波动光学理论分析方法。

波动光学理论分析方法的核心是求解波动方程。29简化形式的波动方程

（2-11）

（2-12）式中，和分别是电场强度矢量和磁场强度矢量，k为波数，表示为

ω为角频率，ε和μ分别为介电常数和磁导率。

光纤中波动方程的求解考虑光纤的外形是圆柱形，纤芯和包层是存在一定折射率差的石英（SiO2）材料。因此，可以把光纤抽象为一个圆柱形介质波导体，z轴是轴向坐标（光信号传播的前进方向）。用求解波动方程的方法考察光在光纤中具体的传播和存在形式，即在圆柱坐标系中求解

6个变量。由于波动方程只有2个方程，因此需要进行必要的矢量变换。30312.2.4柱面坐标系下的波动方程

322.阶跃折射率光纤模式分析本节将用波动理论来分析阶跃折射率分布光纤，得到在光纤中传播的各种模式的表示方法。讨论各模式的截止条件，并引入线性极化模的概念。用于分析的阶跃折射率光纤几何图形如图2-7所示。假设光纤包层的半径b

足够大，以使得包层内电磁场按指数幂衰减，并在包层和空气的界面处趋于0，这样就可以把光纤作为两种介质的边界问题进行分析。33图2-9阶跃折射率光纤几何图形34波动方程的求解运用分离变量法求解波动方程经过一系列数学处理，可得上式是贝塞尔方程，式中m是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示纤芯沿方位角

绕一圈场变化的周期数。35方程解的讨论根据边界条件的假设，在纤芯和包层中波动方程的解（分别对应纤芯和包层中场的存在形式）应该不一样。纤芯中（

）应该是振荡场，场的能量可以沿z轴方向传输；包层（

）中应该是衰减场，理想情况下应该没有场存在，这也符合前述的稳态传输条件假设，即场能量只存在于纤芯中。由于波动方程中的各系数都是待定的，因此波动方程的求解可能得到许多组解，也即对应着可能会在光纤中存在多种形式的传输场。36模式存在条件对每一个传播模来说，应该仅能存在纤芯中，而在包层中衰减无穷大，即不能在包层中存在，场的全部能量都沿光纤轴线方向传输。如果某一个模式在包层中没有衰减，称该模式被截止（cutoff）。不同的模式具有不同的模截止条件，满足该条件时能以传播模形式在纤芯中传输，否则该模式被截止；在所有的模式中，仅有HE11模不存在模截止条件，即截止频率为0。也就是说，当其它所有模式均截止时该模式仍能传输，称HE11模为基模。从基模及其他模式（称为高阶模）的截止条件和波长等，即可推导出对应的边界条件（包括纤芯和包层的几何尺寸、折射率等参数）。372.2.3单模传输条件阶跃折射率光纤的传播模式是归一化频率V的函数。当

（2-22）

时，光纤中传播的唯一的模式为HE11模（即LP01模），光纤为单模传输。381.截止波长在前面的分析中已知，只有归一化频率V小于LP11模的截止频率（Vc=2.4048）时，才能保证光纤中只传输基模（LP01模或HE11模），所以单模光纤理论截止波长为

（2-23）截止波长是单模光纤的基本参量，也是单模光纤最基本的参数。39截止波长和工作波长的关系判断一根光纤是不是单模传输，只要比较一下它的工作波长λ与截止波长λc的大小就可以了。如果λ>λc

，则为单模光纤，该光纤只能传输基模；如果λ<λc

，就不是单模光纤，光纤中除了基模外，还能传输其它高阶模。目前工程上有四种截止波长：（1）理论截止波长λc1；（2）2米长光纤截止波长λc2；（3）光缆制造长度的截止波长λc3；（4）一个中继段的截止波长λc4。一般是λc1>λc2>λc3>λc4。402.模场直径单模光纤中基模（LP01模或HE11模）场强在光纤的横截面内有一特定的分布，该分布与光纤的结构有关。光功率被约束在光纤横截面的一定范围内。也就是说，单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯内，而是有相当部分在包层中传播。所以不用纤芯直径来作为衡量单模光纤中功率分布的参数，而用所谓的模场直径作为描述单模光纤传输光能集中程度的参数。412.3光纤传输特性光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变，因而输出信号和输入信号不同，光脉冲信号不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号衰减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在损耗和色散等性能劣化。损耗和色散是光纤的最主要的传输特性，它们限制了系统的传输距离和传输容量。本节要讨论光纤损耗和色散的机理和特性。422.6.1损耗特性*（Attenuation）光纤的损耗将导致传输信号的衰减。在光纤通信系统中，当入纤的光功率和接收灵敏度给定时，光纤的损耗将是限制无中继传输距离的重要因素。*也称为衰减特性

43损耗和损耗系数的定义当工作波长为时，L公里长光纤的衰减及光纤每公里衰减可用下式表示：

式中：Pi、Po分别为光纤的输入、输出的光功率，单位W。L为光纤长度，单位km。44光纤损耗的产生机理造成光纤中能量损失的原因是吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。吸收损耗与光纤材料有关，散射损耗与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关，辐射损耗则是由光纤几何形状的微观和宏观扰动引起的。45吸收损耗本征吸收是由材料中的固有吸收引起的。物质中存在着紫外光区域光谱的吸收和红外光区域的吸收。吸收损耗与光波长有关。紫外吸收带是由于原子跃迁引起的。红外吸收是由分子振动引起的。SiO2的光纤材料中含有一定的掺杂剂（如锗Ge，硼B，磷P等）和跃迁金属杂质（如铁Fe，铜Cu，铬Cr等）。这些成分的存在把紫外吸收尾部转移到更长的波长上去。所含的杂质离子，在相应的波长段内有强烈的吸收。杂质含量越多，损耗越严重。除了跃迁金属杂质吸收外，氢氧根离子（OH-）的存在也产生了大的吸收。46散射损耗散射损耗是由于材料不均匀，使光散射而引起的损耗。瑞利散射损耗瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的。瑞利散射损耗的大小与1/λ4成正比。波导散射损耗光纤在制造过程中，会发生某些缺陷。这就会产生散射损耗。47图2-11光纤损耗－波长特性48辐射损耗光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲。弯曲后的光纤可以传光，但会使光的传播途径改变。一些传输模变为辐射模，引起能量的泄漏，这种由能量泄漏导致的损耗称为辐射损耗。消逝场q¢

<qqq

>qcq¢RqqCladdingCore场分布宏弯微弯492.3.2色散特性（Dispersion）光纤中传输的光信号可能包括不同的频率成分和模式成分，这些包含不同频率或不同模式成分的光脉冲在光纤中传输的速度不同，从而产生时延差并引起光脉冲形状的变化。定义色散（Dispersion）为单位波长间隔内不同波长成分的光脉冲传输单位距离后脉冲前后沿的时延变化量，其单位为ps/nm·km。色散是导致光纤中传输信号畸变的主要性能参数，会使光脉冲随着传输距离延长而出现展宽现象，进一步地产生码间干扰（ISI），继而增加系统的误码率。因此，色散一方面限制了光纤通信系统的传输距离，另一方面由于高速率系统对于色散更加敏感，因而色散也限制了光纤通信系统的传输容量。50色散分类材料色散：由于材料本身折射率随频率而变，于是信号各频率的群速度不同，引起色散。模式间色散：在多模传输下，光纤中各模式在同一光源频率下传输系数不同，因而群速度不同而引起色散。波导色散：它是模式本身的色散。对于光纤中某一模式本身，在不同频率下，传输系数不同，群速不同，引起色散。偏振模色散：输入光脉冲激励的两个正交的偏振模式之间的群速度不同而引起的色散。51色散造成光脉冲畸变示例522.3.3非线性效应光纤的制造材料本身并不是一种非线性材料，但光纤的结构使得光波以较高的能量沿光纤长度聚集在很小的光纤截面上，会引起明显的非线性光学效应，对光纤传输系统的性能和传输特性产生影响。特别是近几年来，随着光纤放大器的出现和大量使用，提高了传输光纤中的平均入纤光功率，使光纤非线性效应显著增大。所以光纤非线性效应及其可能带来的对系统传输性能的影响必须加以考虑。53非线性效应类型在高强度电磁场中电介质的响应会出现非线性效应，光纤也不例外，这种非线性响应分为受激散射和非线性折射。散射分为弹性散射和非弹性散射。弹性散射中，被散射的光的频率（或光子能量）保持不变，相反在非弹性散射中被散射的光的频率将会降低。在较高功率下，考虑到非线性的影响，石英的折射率会发生变化，并产生一个非线性相位移。541.受激拉曼散射（SRS）如果高频率信道与低频率信道的频率差在光纤的拉曼增益谱内，则高频率信道的能量可能通过受激拉曼散射向低频率信道的信号传送，这种能量的转移不但使低频信道能量增加而高频信道的能量减小，更重要的是能量的转移与两个信道的码形有关，从而形成信道间的串扰，使接收噪声增加而接收灵敏度劣化。552.受激布里渊散射（SBS）高频信道的能量也可能通过SBS向低频信道传送，但由于SBS的增益谱很窄（约10～100MHz），为实现泵浦光与信号光能量的转移，要求两者频率严格地匹配，所以只要对信号载频设计得好，可以很容易地避免SBS引起的干扰。并且SBS要求两个信号光反向传输，所以如果所有信道的光都是同方向传输的，则不存在SBS引起的干扰。563.交叉相位调制（XPM）当某一信道信号沿光纤传输时，信号的相位移不仅与自身的强度有关，而且与其它信道的光信号强度有关，对于IM/DD系统，由于检测只与入射光的强度有关而与相位无关，所以XPM不构成对系统性能的影响，但在相干检测方式中，信号相位的改变将会引起噪声，因此XPM会对这种系统形成信道串扰。574.四波混频（FWM）在四波混频中，三个信道的频率ωi、ωj和ωk（i，j，k可取1到最大信道数N），通过混频而产生第四个频率为ωijk＝ωi±ωj±ωk的信号。如果信道间隔是等分的，则这第四个频率会与某一个信道的频率相同，这样通过FWM导致能量在信道之间的转换。582.4常用光纤类型

根据ITU-T规定，目前常用的单模光纤包括G.652光纤（常规单模光纤）、G.653（色散位移光纤）、G.654（1550nm低损耗光纤）、G.655（非零色散位移光纤）、G.656（色散平坦光纤）、G.657光纤（弯曲损耗不敏感单模光纤）和DCF（色散补偿光纤）等。59G.652光纤的性能指标与要求性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值9≤126013101310/1550≤0.36≤0.220+18G.652光纤又称为常规单模光纤或标准单模光纤（STDSMF），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。G.652光纤G.652A：仅能支持2.5Gbit/s及其以下速率的系统（对光纤的PMD系数不作要求）；G.652B：可以支持10Gbit/s速率的系统（要求光纤的PMD系数小于0.5ps/km1/2）；G.652C：基本属性与

G.652A相同，但在1550nm的损耗系数更低，而且消除了1380nm附近的水吸收峰，可以工作在整个1360~1530nm波段；G.652D：属性与G.652B光纤基本相同，而损耗性能与G.652C光纤相同，即系统可以工作在1360~1530nm波段。6061性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值8.3≤127015501550≤0.45≤0.25-180G.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。G.653光纤的性能指标与要求62性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值10.5≤153013101550≤0.45≤0.200+18G.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。G.654光纤的性能指标与要求63性能模场直径(μm)截止波长(nm)零色散波长(nm)工作波长(nm)损耗系数(dB/km)色散系数(ps/nm·km)1310nm1310nm1550nm1310nm1550nm要求值8～11≤14801540~15651540~1565≤0.5≤0.24-181≤|D|≤4G.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。G.655光纤的性能指标与要求G.655光纤G.655A：支持200GHz及其以上间隔的DWDM系统在C波段的应用；G.655B：支持以10Gbit/s为基础的100GHz及其以下间隔的DWDM系统在C和L波段的应用；G.655C：能满足100GHz及其以下间隔DWDM系统在C、L