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1、第二章 光纤和光缆,光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（SiO2），是通信网络的优良传输介质，得到广泛的应用。和电缆相比，光纤具有信息传输容量大，中继距离长，不受电磁场干扰，保密性能好和使用轻便等优点。随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断扩展。光纤通信在高速率长距离干线网和用户接入网方面的发展潜力都很大。为保证光纤性能稳定，系统运行可靠，必须根据实际使用环境设计各种结构的光纤和光缆。本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和光缆的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。,2.1 光纤结构和类型,光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导;根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光
2、纤分为阶跃型和渐变型两种;作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，它们是多模光纤和单模光纤。,光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导阶跃(SI，Step Index)多模光纤折射率 n1在纤芯保持不变，到包层突然变为 n2,阶跃多模光纤结构,渐变(GI,Graded Index)多模光纤折射率不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为 n2,渐变多模光纤,图2.1.1 实用光纤三种基本类型,光纤拉丝装置,在鼓上的光纤,光纤结构,纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，含量达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等，以提高
3、纤芯的折射率。纤芯直径约为 8 m 100 m。包层材料一般也为SiO2，外径为125 m，作用是把光强限制在纤芯中。为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在纤芯传输。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。,2.1.1 多模光纤,可以传播数百到上千个模式的光纤，称为多模(MM,Multimode)光纤。根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。,多模光纤的模间色散,代表各模的光线以不同的路经在纤芯内传输，在传输速度相同的情况下(均为c/n1,c是自由空间光
4、速)，到达终点所需的时间也不同。光线经接收机内的光电探测器变成各自的光电流，这些光电流在时域内叠加后，从而使输出脉冲相对于输入脉冲展宽了。,渐变多模光纤（GI）性能介于SI光纤和单模光纤之间,阶跃（SI）多模光纤的主要缺点是存在大的模间色散，光纤带宽很窄；而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所以带宽很宽。但是随之出现的问题是，因单模光纤芯径很小，所以把光耦合进光纤很困难。那么能否制造一种光纤，既没有模间色散，带宽较宽，芯径较大，又使光耦合容易，这就是渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。,渐变多模光纤-色散较小,渐变(GI,Graded Index)多模光纤折射率 n1不像阶跃多模光纤是个常
5、数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为 n2。这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。色散较小的理由：虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输，但是这种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢，因折射率最大；越远离轴线，到达终点传输的距离越长，但传输速度越快，这样到达终点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。,2.1.2 单模光纤-色散最小,只能传播一个模式的光纤称为单模光纤标准单模(SM,Single Mode)光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有（910）m光线沿轴线直线传播,
6、色散使输出脉冲信号展宽最小。,单模光纤结构,表2.1.1 阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性比较,为调整工作波长或色散特性，改变折射率分布，可以设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：多模光纤(G.651)普通单模光纤(G.652)色散移位光纤(G.653)非零色散移位光纤（G.655）色散补偿光纤在1.55m衰减最小的光纤（G.654）全波光纤。,光 纤 种 类,2.2 光纤传输原理,2.2.1 斯奈尔定律和全反射,图1.3.1 光波从折射率较大的介质入射进入折射率较小的介质，在边界反射和折射,光纤波导传输光的原理-临界角,i c）时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫做全反射(
7、TIR，Total Internal Reflection),如图2.2.2(c)所示，这就是多模光纤波导传输光的原理。,图2.2.2 光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况,光纤传输-全反射条件,2.2.2 传输条件,全反射条件我们已经知道,光波从折射率较大的介质入射进入折射率较小的介质时，在边界将发生反射和折射,当入射角超过临界角时，将发生全反射。相干加强条件对于特定的光纤结构，只有满足一定条件的电磁波可以在光纤中进行有效的传输。这些特定的电磁波称为光纤模式。光纤中可传导的模式数量取决于光纤的具体结构和折射率的径向分布。如果光纤中只支持一个传导模式
8、，则称该光纤为单模光纤相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤,光线在光纤端面以不同角度 从空气入射到纤芯，不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。假如在光纤端面的入射角是，在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是。此时，c(临界角)的光线将发生全反射，而 c的光线将进入包层泄漏出去。于是，为了光能够在光纤中传输，入射角 必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生全发射而返回纤芯，并以曲折形状向前传播。,图2.2.3 不同入射角的光线,全反射条件,数值孔径(NA),NA表示光纤接收和传输光的能力,NA(或sinmax)越大，光纤接收光的能
9、力越强。从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在 max 内的入射光都能在光纤中传输。NA 越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的 NA。,相干加强条件在光纤中传输的光线必须与它自己相长干涉，否则相消干涉将相互抵消,(HE11)电力线和磁力线在光纤波导中的分布,2.3 光纤传输特性,衰减色散带宽非线性在传输高强度光功率时，还要考虑光纤的非线性影响,光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。,2.3.1 衰减,瑞
10、利（18771919）瑞利散射发明家1904年获得诺贝尔奖,率减系数,引起衰减的原因,光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。吸收损耗是可以改善的。目前由于超纯石英光纤工艺的改进，已消除了这一波长附近的损耗峰，使(1 3501 450)nm波段的损耗也降低到0.3 dB/km左右，该波段就是光纤传输的第五个窗口，它位于第二个窗口和第三个窗口之间。这种能够在1200 1650nm整个范围内都可用来进行DWDM光纤通信的光纤就是全波光纤,图2.3.2 典型光纤衰减谱,2.3.2 色散,各模群速度不等引起脉冲展宽色散种类：模式色散色度
11、色散偏振模色散,光纤中的光速要比真空中的光速慢 n 倍,在光纤中的光速 v=c/n，折射率为 n光纤波导中的光速要比真空中的光速慢 n 倍。玻璃的 n=1.5，因而在光纤中的光速度要比在真空中的慢 33%。,实际上没有纯单色光，我们必须考虑波长稍微互不相同的一组光波沿z方向传输的情况。当两个频率相差的正弦波干涉时，它们相互作用的结果将产生一个光包络，即一个以中心频率的振荡场，其幅度被频率为的低频电场调制，最大幅度以波矢量k运动，其速度称为群速度。,图1.2.4 波长略不相同的两个光波沿同一方向传输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包,1各模群速度不等引起脉冲展宽,各模群速度不等引起脉冲展宽,模
12、的次数越高,其角度 越大，g=cos 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。,2光纤色散种类,模式色散色度色散偏振模色散。色度色散又分为材料色散和波导色散。对于多模光纤，模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较小。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。,模式色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到
13、达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽,图2.3.5 多模光纤模式色散,多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽,（2）色度色散（或色散）,色度色散是由于不同波长(颜色)的光以不同的速度在光纤中传输引起不同的时间延迟而产生的。色度色散(Chrometic Dispersion)又分为材料色散和波导色散，常简称为色散。,所有光源都是在一定波长范围 内发射的非单色光，当各种波长的光进入纤芯后，由于波长与折射率有关，所以在光纤波导中的光以不同的群速度在纤芯内传输，波长短的波速度慢，波长长的波速度快，所以它们到达光纤末端的时间也不同，导致输出脉冲展宽。图中 表
14、示光纤的传输延迟，表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。,图2.3.6 色散引起单模光纤输出脉冲展宽,色散对光纤所能传输的最大比特速率B 的影响可利用相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定,图2.3.7 标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性,由于波导色散与光纤的几何尺寸有关，可以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 1550 nm 波长，这种光纤就是色散移位光纤，如图2.3.7所示。改进单模光纤结构和参数的设计,也可以获得在 1550 nm 具有负色散值大的色散补偿光纤，还可以得到在 1300 n
15、m 和 1550 nm 两个波长的色散都为零的色散平坦光纤。,图2.3.8 几种单模光纤的结构和折射率分布,色散平坦光纤的色散系数和折射率分布,偏振模色散,2.3.3 最大归零比特速率图2.3.9 最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定,2.3.4带宽,由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽下面就光纤光带宽和电带宽加以分析。,(a)图表示传输模拟信号的光纤线路，(b)图表示频率为 f 的光纤输入和输出光信号，(c)图表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光/电带宽减小的情况。光带宽对应光纤的截止频率，可粗略地认为它对应光纤能够传输的最大比特速率B。,光纤带宽,3 d
16、B 光带宽和电带宽,2.3.5 光纤传输特性测量,损耗测量带宽测量色散测量,只要测量长度L2的输出光功率 Pout,在注入条件不变的情况下，在离光源23m 附近剪断光纤，测量长度 L1 的输出光功率，可以认为该功率就是长度 L光纤的输入光功率 Pin。这样由式(2.3.14)就可以计算出光纤的衰减系数。,图2.3.11 剪断法测量光纤损耗系数,光源通常采用谱线足够窄的激光器注入器的作用是，在测量多模光纤的损耗系数时使多模光纤在短距离内达到稳态模式分布；在测量单模光纤的损耗系数时应保证全长为单模传输。光功率计用来测量光纤输出端的光功率。,图2.3.11 剪断法测量光纤损耗系数系统配置,瑞利散射光
17、功率与传输光功率成正比。后向散射法就是利用与传输光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。,图2.3.12 后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数,后向散射法测量损耗系数和确定光纤的长度,OTDR 的用途,利用后向散射原理设计的测量仪器叫光时域反射机（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer）这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障点的位置，在工程上获得了广泛地使用。,2.带宽测量,图2.3.13 时域法测量光纤带宽,3.色散
18、测量,对于单模光纤，色散与光源的谱线宽度密切相关。光源的谱宽越窄，光纤的色散越小，带宽越大。光纤色散测量有相移法和脉冲时延法，前者是测量单模光纤色散的基准方法，所以这里只介绍相移法。,相移法色散测量原理,图2.3.14 相移法测量光纤色散系统框图,2.3.5 非线性光学效应,2.4 单模光纤的进展和应用,自从1970年美国贝尔实验室，根据英籍华人高锟提出的利用光导纤维可以通信的理论，成功地试制出用于通信的光纤以来，光纤光缆得到迅速的发展。30年来，光纤光缆的新产品层出不穷，而且得到通信业的广泛应用。现就人们目前常用的几种光纤和今后将广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。,单模光纤的种类,G.651
19、 标准多模光纤G.652 标准单模光纤G.653 色散移位光纤G.654 衰减最小光纤G.655 非零色散光纤全波光纤色散补偿光纤,G.652 标准单模光纤,标准单模光纤是指零色散波长在1.3m窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITU-T)把这种光纤规范为 G.652 光纤。这属于第一代单模光纤。其特点是当工作波长在 1.3m 时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。,G.652 光纤在1.3 m波段的损耗较大，约为 0.3 0.4 dB/km；在 1.55 m 波段的损耗较小，约为 0.20.25 dB/km。色散在 1.3m 波段为 3.5 ps/nmkm，在1.55
20、m波段较大，约为 20 ps/nmkm。这种光纤可支持用于在 1.55 m 波段的 2.5Gb/s 的干线系统，但由于色散较大，若传输 10 Gb/s 的信号，传输距离超过 50 km时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。另外,使用它增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以不适用于DWDM系统。,G.652 标准单模光纤,G.653 色散移位光纤,G.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上，这不仅使工程应用受到一定的限制，而且在 1.3 m的光纤放大器开发应用之前，使不经过光-电转换过程的全光通信无法实现。为此，在80年代中期，开发成功了一种把零色散波长从1.3 m移到 1.55
21、m的色散移位光纤(DSF,Dispersion-Shifted Fiber)。ITU把这种光纤的规范为 G.653。这属于第二代单模光纤。,光纤的色散特性,由色散移位光纤到非零色散光纤,然而，色散移位光纤在 1.55 m 色散为零，不利于多信道的 WDM 传输，因为当复用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种称为四波混频(FWM，Four Wave Mixing)的非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型光
22、纤，即非零色散光纤(NZ-DSF)。,G.654 衰减最小光纤,为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学家们开发了一种应用于1.55 m 波长的纯石英芯单模光纤。在1.55 m波长附近衰减最小，仅为 0.185 dB/km。在 1.3 m波长区域色散为零，但在 1.55m波长区域色散较大，约为 1720 ps/(nmkm)。ITU把这种光纤规范为G.654光纤。,G.655非零色散光纤,非零色散光纤实质上是一种改进的色散移位光纤。其零色散波长不在 1.55 m，而是在1.525 m 或 1.585 m处。在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足
23、以允许单信道数据速率达到 10Gb/s，而不需要色散补偿。,G.655 非零色散光纤,消除了色散效应和四波混频效应；而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种；所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度WDM系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。,非零色散光纤举例,AT&T研制的真波光纤(True WaveTM)美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤(Leaf Fiber)阿尔卡特的特锐光纤(TeraLightTM)国内长飞公司的大保实光纤等,全波光纤,全波光纤,为了将DWDM系统
24、应用于城域网，仅使用现有的波段还是不够的，为此光纤制造商在1 380 nm 波长附近，把OH离子浓度降到了10-8以下，消除了（1 3601 460）nm 波段的损耗峰，使该波段的损耗也降低到0.3 dB/km左右，可应用于光纤通信，而且色散值也小，所以在相同比特率下传输的距离更长。该波段就是 E 波段(Extended wavelength band)，它位于 O 波段和 S 波段之间。全波光纤，顾名思义，就是在光纤的整个波段，从1280nm开始到1675nm终止，都可以用来通信，与常规光纤相比，全波光纤应用于DWDM，可使信道数增加50%，这就为DWDM系统应用于城域网创造了条件。,色散补
25、偿光纤,色散补偿光纤(DCF,Dispersion Compensating Fiber)是具有大的负色散光纤。它是针对现已敷设的 1.3m 标准单模光纤而设计的一种单模光纤。为了使现已敷设的 1.3m 光纤系统采用 WDM/EDFA 技术，就必须将光纤的工作波长从 1.3m 改为 1.55m。而标准光纤在 1.55m 波长的色散不是零，而是正的 1720 ps/(nmkm),并且具有正的色散斜率，所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速率、大容量、长距离的通信。,光纤的选择,对光纤的基本要求是：从发射光源耦合进光纤的光功
26、率最大；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体的设计要根据使用条件进行折衷。,衰 减,在选定的波长,衰减要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离尽可能大。设计系统时，要考虑连接器、接头和耦合器的损耗和系统工作所需的余量。为此，要正确选择工作波长和光纤类型。,耦合损耗,包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗;纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；但要增加检测器耦合损耗;为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器上。为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检测器面积小，所以不能采用增大检测器光敏面的
27、办法来减小耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，适合于采用发光管(LED)的系统。,连接器损耗,包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层同心度误差要尽可能小，以得到最小连接损耗。提高光纤的几何精度，要增加制造成本；增大纤芯尺寸和数值孔径，可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但与增大带宽相矛盾。,色散和带宽,为使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色散要足够小。正确选择光纤类型和工作波长:长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到1.55m的G.654单模光纤。波分复用系统要选择色散系数虽然很小、但不为零的G.655单模光纤，以减小四波混频的影响。用于城域网的
28、DWDM系统要选择全波光纤。采用发光管(LED)的系统,要充分考虑材料色散的影响等。,表2.5.2 成缆单模光纤典型特性,对光缆的基本要求,对光缆的基本要求是保护光纤固有的机械特性和光学特性，防止施工过程和使用期间光纤断裂，保持传输特性稳定。为此，必须根据使用环境，选择不同结构的光缆，以免光纤受应力的作用和有害物质的侵蚀。,光缆结构和类型,光缆由缆芯和护套两部分组成；缆芯一般包括被覆光纤(芯线)和加强件,有时加强件分布在护套中,这时缆芯主要就是芯线。芯线是光缆的核心，决定着光缆的传输特性；加强件承受光缆的张力；护套一般由聚乙烯(或聚氯乙烯)和钢带或铝带组成,对缆芯起机械保护和环境保护作用,要求有良好的抗压能力和密封性能。,二次被覆光纤(芯线)简图,基本光缆结构简图,复习思考题,总 结,总 结,总 结,
