1、第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.3 光纤传输特性光纤传输特性2.4 单模光纤的进展和应用单模光纤的进展和应用2.5 光纤的选择光纤的选择2.6 光缆光缆 光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（SiO2），是），是通信网络的优良传输介质，得到广泛的应用。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离长，不受电磁场干扰，保密性能好和使用轻便等优点。等优点。随着技术的进步，光纤价格
2、逐年下降，应用范围随着技术的进步，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。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。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。光缆的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。2.1 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 光纤是一种纤芯折射率比
3、包层折射率高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根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型两种况，光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。本类型，它们是多模光纤和单模光纤。光纤是一种光纤是一种纤芯折射率纤芯折射率比包层折射比包层折射率高的同轴率高的同轴圆柱形电介圆柱形电介质波导质波导 阶跃阶跃(SI，Step Index)多模光纤折多模光纤折射率射率 n1在纤在纤芯保持不变，芯保持不变，到包层突然到包层突然变为
4、变为 n2阶跃多模光纤结构阶跃多模光纤结构n2n1nr()r包层纤芯2a2am=1001402bm=2bSiO2SiO2GeO2+渐变渐变(GI,Graded Index)多模多模光纤折射率光纤折射率不像阶跃多不像阶跃多模光纤是个模光纤是个常数，而是常数，而是在纤芯中心在纤芯中心最大，沿径最大，沿径向往外按抛向往外按抛物线形状逐物线形状逐渐变小，直渐变小，直到包层变为到包层变为 n2渐变多模光纤渐变多模光纤n2n1nr()r2a2am=62.52b1252bm=2b图图2.1.1 实用光纤三种基本类型实用光纤三种基本类型折射率分布折射率分布n2n1nr()r光纤结构光纤结构输入光脉冲输入光脉冲
5、光线在纤芯内的路经光线在纤芯内的路经0输出光脉冲输出光脉冲t光强光强光强光强光强光强阶阶跃跃多多模模光光纤纤(a)包层包层纤芯纤芯2a2a m=100SM SM GI SI1.00.5t光强光强脉冲展宽脉冲展宽t光强光强0t SI1.00.51231402b m=2bt GI1.00.5t光强光强000123n2n1nr()r渐渐变变多多模模光光纤纤(b)2a2a m=62.52b1252b m=2bn2n1nr()r单单模模光光纤纤(c)2a m=2a8.32b1252b m=光纤拉丝装置预制棒加热炉线径测量牵引辊预涂覆在鼓上的光纤光纤结构光纤结构 纤芯材料主要成分为掺杂的纤芯材料主要成分为
6、掺杂的SiO2，含量达，含量达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如，其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等，等，以提高纤芯的折射率。以提高纤芯的折射率。纤芯直径约为纤芯直径约为 8 m 100 m。包层材料一般也为包层材料一般也为SiO2，外径为，外径为125 m，作用是，作用是把光强限制在纤芯中。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，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
7、传输提供反射面和光隔离纤芯传输。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。并起一定的机械保护作用。n2n1nr()r阶阶跃跃多多模模光光纤纤(a)包包层层纤纤芯芯2a2a m=1001402b m=2bn2n1nr()r渐渐变变多多模模光光纤纤(b)2a2a m=62.52b1252b m=2b2.1.1 2.1.1 多模光纤多模光纤 可以传播数百到上千可以传播数百到上千个模式的光纤，称为个模式的光纤，称为多模多模(MM,Multimode)光纤。光纤。根据折射率在纤芯和根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光
8、纤。纤和渐变多模光纤。t光强0tSI1.00.5123传输路径 光线 321多模光纤的多模光纤的模间色散模间色散 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度相同的情况下(均为均为c/n1,c是自由空间光速是自由空间光速)，到达终点，到达终点所需的时间也不同。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。冲展宽了。渐变多模光纤（渐变多模光纤（GI）性能介于
9、性能介于SI光纤和单模光纤之间光纤和单模光纤之间 阶跃（阶跃（SI）多模光纤的主要缺点是存在大的模）多模光纤的主要缺点是存在大的模间色散，光纤带宽很窄；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，所而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所以带宽很宽。以带宽很宽。但是随之出现的问题是，因单模光纤芯径很小，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。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
10、变多模光纤。渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。t GI1.00.5t光强光强000123n2n1nr()r2a2a m=62.52b1252b m=2b传输路径：光线 321折射率：n3n2n11.00.5脉冲展宽脉冲展宽n2n1nr()r2a m=2a8.32b1252b m=2.1.2 单模光纤单模光纤-色散最小色散最小 只能传播一个模式的光纤称为单模光纤只能传播一个模式的光纤称为单模光纤 标准单模标准单模(SM,Single Mode)光纤折射率分布和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（得多，模场直径只有
11、（910）m 光线沿轴线直线传播光线沿轴线直线传播,色散使输出脉冲信号展色散使输出脉冲信号展宽最小。宽最小。单模光纤结构单模光纤结构n2n1nr()r2am=2a8.32b1252bm=表表2.1.1 阶跃多模光纤、渐变多模阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性比较光纤和阶跃单模光纤的特性比较多模光纤多模光纤阶跃多模光纤阶跃多模光纤渐变多模光纤渐变多模光纤阶跃阶跃单模光纤单模光纤121)(nnn 0.020.0150.003芯径芯径 2a（m）10062.58.3(MFD=9.3)包层直径包层直径（m）140125125NA0.30.260.1带宽带宽 距离距离 或色散或色散(2010
12、0)MHz km(0.33)GHz km100(Gb/s)km衰减衰减（kmdB/）850nm:461300nm:0.71850nm:31300nm:0.611550nm:0.3850nm:1.81300nm:0.341550nm:0.2应用光源应用光源LEDLED,LDLD典型应用典型应用短距离或用户接短距离或用户接入网入网本地网，宽域网或本地网，宽域网或中等距离中等距离长距离通信长距离通信125m包层G.654:Si2纤芯Si2纤芯+Ge2G.652:()0.4%(G.654)0.35%(G.652)(a a)标标准准单单模模光光纤纤Si2OOOO125mSi2包层Si2+Ge20.2%0
13、.9%(b b)色色散散位位移移光光纤纤O纤芯OO125m(c c)非非零零色色散散光光纤纤3%(0-0.8)%(d d)色色散散补补偿偿光光纤纤为调整工作波长或色散特性，改变折射率分布，可以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：设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：多模光纤多模光纤(G.651)普通单模光纤普通单模光纤(G.652)色散移位光纤色散移位光纤(G.653)非零色散移位光纤（非零色散移位光纤（G.655）色散补偿光纤色散补偿光纤在在1.55 m衰减最小的光纤（衰减最小的光纤（G.654）全波光纤。全波光纤。光光 纤纤 种种 类类t
14、kt入射光irt反射光透射光（折射光）irrkikArAi ABiAt Bt A A BBtBr1n2n21nn 波前ritiA A BBtiV1tV2t2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理 2.2.1 斯奈尔定律和全反射斯奈尔定律和全反射从 折 射 光 构 成 的 三 角 形从 折 射 光 构 成 的 三 角 形BAA和和BAB 中，中，11ncttBB，22ncttAA。从几何光 学。从几何光 学我们可以得到，我们可以得到，t2i1sinsinttBA 或者或者1221tisinsinnn(2.2.1)这就是斯奈尔这就是斯奈尔（Snell）定律，定律，它表示入射角和折射角与介质它表示入
15、射角和折射角与介质折射率的关系。折射率的关系。图图1.3.1 光波从光波从折射率折射率较大的较大的介质入介质入射进入射进入折射率折射率较小的较小的介质，介质，在边界在边界反射和反射和折射折射tkt 入射光入射光i r t 反射光反射光透射光透射光（折射光）（折射光）i r rkikArAi ABiAt Bt A A B B t Br r1n2n21nn 波前波前ri ti ikrktktc临界角临界角cii21nn 21nn光纤波导传输光的原理光纤波导传输光的原理-临界角临界角 因因21nn 时，折射时，折射角要比入射角大，当折射角要比入射角大，当折射角角t达到达到 90o时，入射光沿时，入射
16、光沿交界面向前传播交界面向前传播，此时的此时的入射角称为临界角入射角称为临界角c，并，并由下式给出由下式给出12ctcsinsinsinnn i c）时，没有透射光，只有反射光，这种现）时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫做全反射象叫做全反射(TIR，Total Internal Reflection),如图如图2.2.2(c)所示，这就所示，这就是多模光纤波导传输光的原理。是多模光纤波导传输光的原理。图图2.2.2 光波从折射率较大的介质以三种不同的入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射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况出现三种不同的情况ikrktki r
17、 t 1n2n入射光入射光反射光反射光透射光透射光（折射光）（折射光）21nn (a)(a)ikrktkt c c(b)临界角(b)临界角ci ci ikrktkci 消逝波消逝波(c)全反射(c)全反射ci 多模光纤传输光的原理多模光纤传输光的原理光纤传输光纤传输-全反射条件全反射条件ikrktkci消逝波(c)全反射ci多多模模光光纤纤传传输输光光的的原原理理当入射角当入射角i超 过 临 界 角超 过 临 界 角c（ci）时，）时，没有透射光，只没有透射光，只有反射光，这种有反射光，这种现象叫做现象叫做全反射全反射(TIR，TotalInternalReflection)，这就，这就是光纤
18、波导传输是光纤波导传输光的原理。光的原理。2.2.2 传输条件传输条件 全反射条件全反射条件我们已经知道我们已经知道,光波从折射率较大的介质入射进入折射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率较小的介质时，在边界将发生反射和折射,当入射角当入射角超过临界角时，将发生全反射。超过临界角时，将发生全反射。相干加强条件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模式。光纤中可传导的模式数量取决于光纤的具体
19、结构和折射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。率的径向分布。如果光纤中只支持一个传导模式，如果光纤中只支持一个传导模式，则称该光纤为则称该光纤为单模光纤单模光纤 相反，支持多个传导模式的光纤称为相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤多模光纤光线在光纤端面以不同角度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。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假如在光纤端面
20、的入射角是 ，在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是，在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是 。此时，。此时，c(临临界角界角)的光线将发生全反射，而的光线将发生全反射，而 c的光线将进入包层泄漏出去。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。而返回纤芯，并以曲折形状向前传播。图图2.2.3 不同入射角的光线不同入射角的光线 n1n2n0全全反反射射n2cAABmax c 900_c 最 大 的最 大 的 角 应 该 是
21、 使角 应 该 是 使c。在。在10/nn界面，根据斯奈尔界面，根据斯奈尔(Snell)定律，即定律，即式式（2.2.1）得到）得到01comax90sinsinnn (2.2.3)全 反 射 时 由 式全 反 射 时 由 式(2.2.2)可 知，可 知，12csinnn，将此式代入式，将此式代入式(2.2.3)，得，得到到 0212221maxsinnnn 当光从空气进入光纤时，当光从空气进入光纤时，10n，所以，所以212221maxsinnn (2.2.4)全反射条件n1n2n0全全反反射射n2cAAmax 消消逝逝波波nn12 n0900_c 数值孔径数值孔径(NA)定义定义数值孔径数
22、值孔径(NA,Numerical Aperture)为为2NA12221nnn(2.2.5)式中式中 nnn121为纤芯与包层相对折射率差。由式为纤芯与包层相对折射率差。由式（2.2.4）可知）可知0maxNAsinnNAsinmax（10n时）时）(2.2.6)角度角度 2max称为入射光线的总接收角，它与光纤的称为入射光线的总接收角，它与光纤的数值孔径和光发射介质的折射率数值孔径和光发射介质的折射率0n有关。有关。n1n2nn12受受光光范范围围消逝波消逝波全反射全反射n2c=max2maxmaxcOBaALl1c的光线的光线 n1n2nn12受受光光范范围围消逝波消逝波全反射全反射n2c
23、=max2maxmaxcOBaALl1c的光线的光线 NA表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力 NA(或或sin max)越大，光纤接收光的能力越越大，光纤接收光的能力越强。强。从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在光纤，在 max 内的入射光都能在光纤中传内的入射光都能在光纤中传输。输。NA 越大，纤芯对光能量的束缚越强，越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。光纤抗弯曲性能越好。但但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信越大，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。号展宽越大，因而限制了信息传输容量。所
24、以要根据使用场合，选择适当的所以要根据使用场合，选择适当的 NA。相干加强条件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，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否则相消干涉将相互抵消n2n2d=2ak1LightABCbkEn1zyx (HE11)电力线和磁力线在光纤波导中的分布电力线和磁力线在光纤波导中的分布 电力线磁力线zyr()x2.3 光纤传输特性光纤传输特性 衰减衰减 色散色散 带宽带宽 非线性非线性在传输高强度光功率时，还要考虑光纤的非线在传输高强度光功率时，还要考虑光纤的非线性影响性影响光纤是熔光纤是熔融融SiO2制制成的，光成的，光信号在光信号在
25、光纤中传输纤中传输时，由于时，由于吸收、散吸收、散射和波导射和波导缺陷等机缺陷等机理产生功理产生功率损耗，率损耗，从而引起从而引起衰减。衰减。2.3.1 衰减衰减衰衰减减10.00.11.00.20.30.52.03.05.00.60.81.01.21.41.61.82.00.05瑞利散射瑞利散射红外吸收红外吸收吸收峰吸收峰OH-dB/km m波长波长()图图 2.32.3.1.1 单模光纤衰减谱单模光纤衰减谱 瑞利瑞利（18771919）瑞利散瑞利散射发明射发明家家 1904年年获得诺获得诺贝尔奖贝尔奖率减系数率减系数通常，光纤内传输的光功率通常，光纤内传输的光功率 P 随距离随距离 z 的
26、衰减，可的衰减，可以用下式表示以用下式表示PzPdd(2.3.1)式中式中是衰减系数。如果是衰减系数。如果inP是在长度为是在长度为 L 的光纤输入的光纤输入端注入的光功率端注入的光功率，根据式根据式(2.3.1)，输出端的光功率应为输出端的光功率应为LPPexpinout(2.3.2)习惯上习惯上的单位用的单位用 dB/km 表示表示，由式由式(2.3.2)得到衰减系得到衰减系数数outindBlog101PPL km/dB(2.3.3)引起衰减的原因引起衰减的原因 光纤是熔融光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，制成的，光信号在光纤中传输时，由于由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生
27、功率损耗吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起，从而引起衰减。衰减。吸收损耗是可以改善的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，使附近的损耗峰，使(1 3501 450)nm波段的损耗也降低到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整个范围内都可用来进行DWDM光纤通信的光光纤通信的光纤就是全
28、波光纤纤就是全波光纤图图2.3.2 典型光纤衰减谱典型光纤衰减谱8001000120014001600 衰减 衰减(dB/km)(dB/km)波长(nm)波长(nm)单模光纤 单模光纤850nm 1.81dB/km850nm 1.81dB/km1300 0.35dB/km1300 0.35dB/km1550 0.19dB/km1550 0.19dB/km10.00.11.00.20.30.52.03.05.0单模光纤单模光纤GI多模光纤GI多模光纤SI多模光纤SI多模光纤OHOH吸收峰吸收峰2.3.2 色散 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 色散种类：色散种类：模式色散色度
29、色散偏振模色散光纤中的光速光纤中的光速要比真空中的光速慢要比真空中的光速慢 n 倍倍 在光纤中的光速在光纤中的光速 v=c/n，折射率为，折射率为 n 光纤波导中的光速光纤波导中的光速要比真空中的光速要比真空中的光速慢慢 n 倍。倍。玻璃的玻璃的 n=1.5，因，因而在光纤中的光速而在光纤中的光速度要比在真空中的度要比在真空中的慢慢 33%。c cv v密度大介质密度大介质Vc 在介质中在介质中在真空中在真空中m/sncc0n0nn n实际上没有纯单色实际上没有纯单色光，我们必须考虑光，我们必须考虑波长稍微互不相同波长稍微互不相同的一组光波沿的一组光波沿z方向方向传输的情况。传输的情况。当两个
30、频率相差当两个频率相差的正弦波干涉时，的正弦波干涉时，它们相互作用的结它们相互作用的结果将产生一个光包果将产生一个光包络，即一个以中心络，即一个以中心频率频率 的振荡场，其的振荡场，其幅度被频率为幅度被频率为的的低频电场调制，最低频电场调制，最大幅度以波矢量大幅度以波矢量 k运动，其速度称为运动，其速度称为群速度。群速度。图图1.2.4 波长略不相同的两个光波沿同一方向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传输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包+kmaxEmaxE包络包络群速度群速度相速度相速度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传传输输模
31、模中中 的的一一条条光光 线线在在纤纤芯芯 内内以以角角度度 全全反反射射，在在介介质质 中中的的光光速速 是是1nc。但但是是，能能量量沿沿波波导导传传输输方方向向（z轴轴）的的传传输输速速度度是是coscos1ncg(2.3.5)这这一一速速度度称称为为群群速速度度，它它表表示示调调制制光光脉脉冲冲包包络络的的传传播播速速度度,如如图图 2.3.4 所所示示。纤芯纤芯n1包层包层n2空气空气n0 nn12 光速光速c c cosg 光线光线1nc t相速度相速度t群速度群速度图2.3.4 相速度和群速度图2.3.4 相速度和群速度图图 2.3.3 阶跃型光纤波导的群速度阶跃型光纤波导的群速
32、度 Zg各模群速度不等引起脉各模群速度不等引起脉冲展宽冲展宽 模的次数越高模的次数越高,其其角度角度 越大，越大，g=cos 越小，越小，传播就需要更多传播就需要更多的时间。的时间。所以群速度和光所以群速度和光纤模式有关，模纤模式有关，模数不同，其群速数不同，其群速度也不同。度也不同。由于高阶模的传由于高阶模的传播速度比低阶模播速度比低阶模的慢，因而在入的慢，因而在入射端输入的光脉射端输入的光脉冲中，次数越高冲中，次数越高的模越滞后。的模越滞后。cosg 光线光线 低低阶阶模模高高阶阶模模2光纤色散种类光纤色散种类 模式色散模式色散 色度色散色度色散 偏振模色散。偏振模色散。色度色散又分为材料
33、色散和波导色散。对于多模光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。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。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模式色散是
34、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，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测的群速度不同，引起到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后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽入入射射光光脉脉冲冲ttt输输出出出出光光脉脉冲冲tt 0 1t 最最初初各各模模重重合合=0123包包层层纤纤芯芯传传输输后后各各模模分分开开N=3201N 0传传输输距距离离短短,需需要要时时间间短短=1 1传传输输距距离离长长,需需要要时时间间多多 1 0 1 0因因所所以以N=0N图图2.3.5 多模光纤模式色散多模光纤模式色散多模光纤
35、各模多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽传输路径不同引起脉冲展宽Loworder modeHighorder modeCladdingCoreLight pulset0tSpread,Broadenedlight pulseIntensityIntensityAxial（2）色度色散（或色散）色度色散（或色散）色度色散是由于不同波长色度色散是由于不同波长(颜色颜色)的光以不的光以不同的速度在光纤中传输引起不同的时间同的速度在光纤中传输引起不同的时间延迟而产生的。延迟而产生的。色度色散色度色散(Chrometic Dispersion)又分为又分为材料色散和波导色散，常简称为色散。材料色散和波导
36、色散，常简称为色散。所有光源都是在一定波长范围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。间也不同，导致输出脉冲展宽。图中图中 表示光纤的传输延迟，表示光纤的传输延迟，表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。
37、图2.3.6 色散引起单模光纤输出脉冲展宽 包包层层包包层层纤纤芯芯输输入入光光脉脉冲冲t光光强强o输输入入光光谱谱光光强强 1 2 oVg()1Vg()2光光发发射射光光输输出出光光接接收收输输出出光光脉脉冲冲光光强强0 t 1 2色散对光色散对光纤所能传纤所能传输的最大输的最大比特速率比特速率B 的影响的影响可利用相可利用相邻脉冲间邻脉冲间不产生重不产生重叠的原则叠的原则来确定来确定输输出出光光强强t 1.00.50 1/22 1/2 输出展宽的归零光脉冲输出展宽的归零光脉冲0Tt输入光强输入光强21 很窄输入归零脉冲很窄输入归零脉冲2BT1=221 图图2.3.7 标准光纤、色散移位光纤
38、、非零色散移位光标准光纤、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纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性150016001700波波长长(n nm m)非非零零色色散散移移位位光光纤纤色色散散色色散散0102030-10-3.5ps/(nmkm-90色色散散补补偿偿光光纤纤色色散散 标标准准光光纤纤衰衰减减色色散散平平坦坦光光纤纤0.0000.2500.5000.1250.375 衰衰减减(d dB B/k km m)1300 标标准准光光纤纤色色散散1400色色散散移移位位光光纤纤色色散散 .)G.653G.655由于波导色散与光纤的几何尺寸有关，可以设计不同结
39、构的波导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，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移到光纤损耗最小的 1550 nm 波长，这种光纤就是波长，这种光纤就是色散移位光色散移位光纤纤，如图，如图2.3.7所示。所示。改进单模光纤结构和参数的设计改进单模光纤结构和参数的设计,也可以获得在也可以获得在 1550 nm 具有负具有负色散值大的色散值大的色散补偿光纤色散补偿光纤，还可以得到在，还可以得到在 1300 nm 和和 1550 nm 两两个波长的色散都为零的个波长的色散都为零的色
40、散平坦光色散平坦光纤。纤。图图2.3.8 几种单模光纤的结构和折射率分布几种单模光纤的结构和折射率分布125m包层G.654:Si2纤芯Si2纤芯+Ge2G.652:()0.4%(G.654)0.35%(G.652)(a a)标标准准单单模模光光纤纤Si2OOOO125mSi2包层Si2+Ge20.2%0.9%(b b)色色散散位位移移光光纤纤O纤芯OO125m(c c)非非零零色色散散光光纤纤3%(0-0.8)%(d d)色色散散补补偿偿光光纤纤 色散平坦光纤的色散平坦光纤的色散系数和折射率分布色散系数和折射率分布1.11.21.31.41.51.6 m()自由空间波长自由空间波长-3030
41、 1ps/(km nm).-20-1001020DmDwDmDw+色色散散系系数数材料色散材料色散色度色散色度色散波导色散波导色散4.2 ma=1.7 2nr折射率分布折射率分布半径半径偏偏振振模模色色散散假如纤芯折射率沿两个正交的方向假如纤芯折射率沿两个正交的方向(对应电场振荡方向对应电场振荡方向,即偏振方向即偏振方向)具有不同的值具有不同的值yxnn11，导致导致xE和和yE以不同的群速度在纤芯以不同的群速度在纤芯内传输，在输出端产生不同的时间延迟，使输出光脉冲展宽内传输，在输出端产生不同的时间延迟，使输出光脉冲展宽n1xn1y/x/yEEyExEy Ex tzt输入光脉冲输入光脉冲输出光
42、脉冲输出光脉冲脉冲展宽脉冲展宽光强光强光强光强xyzExEy表示光纤对输入光脉表示光纤对输入光脉冲的传输延迟，冲的传输延迟，21表表示由于色散使输出电脉示由于色散使输出电脉冲展宽。通常用输出光冲展宽。通常用输出光强最 大值 一半的全 宽强最 大值 一半的全 宽(FWHM)表示。为了把表示。为了把两个连续的输出脉冲分两个连续的输出脉冲分辨出来，即码间不要互辨出来，即码间不要互相干扰，要求它们峰相干扰，要求它们峰-峰峰间的 时间 间隔至少 为间的 时间 间隔至少 为221。为为此此，我我们们最最好好是是每每隔隔221秒秒在在输输入入端端输输入入一一个个脉脉冲冲，即即输输入入脉脉冲冲的的周周期期21
43、21BT，于于是是最最大大比比特特率率 B 是是Gb/s5.021B2.3.3 最大归零比特速率最大归零比特速率图图2.3.9 最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定光发光发射机射机LD光光纤纤信息信息光接光接收机收机PD信息信息输出光强输出光强t 1.00.50 1/22 1/2 输出展宽的归零光脉冲输出展宽的归零光脉冲数字信号数字信号t1 110 0数字信号数字信号t1 110 00Tt输入光强输入光强21 很窄输入归零脉冲很窄输入归零脉冲22.3.42.3.4 带宽带宽 由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使输出脉冲展宽，从
44、而影响到光纤的带宽输出脉冲展宽，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。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，图表示传输模拟信号的光纤线路，(b)图表示频率为图表示频率为 f 的光纤输入和的光纤输入和输出光信号，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图表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光/电带电带宽减小的情况。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大比特速率B。光光纤纤带带宽宽0ff3dB op频率频率Po/Pi1.
45、00.5输出光电流输出光电流0f0.707f3dB el频率频率1.0电带宽电带宽光带宽光带宽0t输入光功率输入光功率 输出光功率输出光功率 t0PinPout光发光发射机射机LD光纤光纤t光接光接收机收机PD 频率为 的频率为 的正弦电信号正弦电信号f调制频率调制频率 f正弦信号正弦信号 f=光纤输入信号光纤输入信号光纤输出信号光纤输出信号光纤的传输特性光纤的传输特性输入光功率输入光功率00.5f3dB opf频率频率1.0光纤输入信号频谱特性光纤输入信号频谱特性PiIo o(a)传输模拟信号的光纤线路(a)传输模拟信号的光纤线路(b)光纤输入和输出光信号冾(b)光纤输入和输出光信号冾(c)
46、光纤色散使输出光/电(c)光纤色散使输出光/电 带宽降低 带宽降低3 dB 光带宽和电带宽光带宽和电带宽高高斯斯色色散散限限制制的的3dB光光带带宽宽(FWHM)GHz440.021opdB,3f(2.3.12)3dB电电带带宽宽为为GHz312.021el,dB3f(2.3.13)最最大大值值一一半半的的宽宽度度21的的单单位位为为 ps。因因脉脉冲冲展展宽宽取取决决于于色色散散系系数数D，因因此此光光纤纤的的带带宽宽由由色色散散所所决决定定。2.3.5 2.3.5 光纤传输特性测量光纤传输特性测量 损耗测量损耗测量 带宽测量带宽测量 色散测量色散测量只要测量长度只要测量长度L2的输出光功率
47、的输出光功率 Pout,在注入条件不变的情况下，在离光源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光纤的输入光功率光纤的输入光功率 Pin。这样由式。这样由式(2.3.14)就可以计算出光纤的衰减系数。就可以计算出光纤的衰减系数。驱驱动动电电路路注注入入器器被被测测光光纤纤光光源源光光功功率率计计L1L2PinPoutL光光功功率率dBmPinPoutL1L2L被被测测光光纤纤光光纤纤长长度度km稳稳态态模模 dBlog101L()PinPout图图2.3.11 剪断法
48、测量光纤损耗系数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。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。光功率计用来测量光纤输出端的光功率。图图2.3.11 剪断法测量光纤损耗系数剪断法测量光纤损耗系数系统配置系统配置瑞利散射光功率与传输光功率成正比。后向散射法就是利用与传输光瑞利散射光功率与传输光功率成正比
49、。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。方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。被测光纤被测光纤脉冲脉冲发生器发生器时钟时钟光源光源光探光探测器测器放大器放大器数据数据输出输出示波器示波器光方向光方向耦合器耦合器信号处信号处理系统理系统光光功功率率dBm光纤长度光纤长度kmLPinPref 2L2L1Pref 1熔接头熔接头后向后向散射光散射光菲涅尔菲涅尔反射反射菲涅尔菲涅尔反射反射瑞利瑞利散射散射瑞利瑞利散射散射瑞利瑞利散射散射连接头连接头图图2.3.12 后向散射法（后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数测量光纤损耗系数后向散射法测量损耗系数和后向散
50、射法测量损耗系数和确定光纤的长度确定光纤的长度设在光纤中正向传输光功率经过长设在光纤中正向传输光功率经过长1L和和2L的两段光纤传输后的两段光纤传输后反射回输入端的光功率分别为反射回输入端的光功率分别为1 refP和和2 refP，如图，如图 2.3.12（b）所）所示。经分析推导可知，正向和反向损耗系数的平均值为示。经分析推导可知，正向和反向损耗系数的平均值为2 ref1 ref12log210PPLL（dB/mW)(2.3.15)后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度，显然输的时间来确定光纤的长度，显
