光纖通信原理 第三章 光纖的傳輸特性

1、吸收損耗是由制造光纖材料本身以及吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子其中的過渡金屬離子和氫氧根離子(OH)等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是等雜質(zhì)對(duì)光的吸收而產(chǎn)生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。征吸收損耗。本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有本征吸收損耗在光學(xué)波長(zhǎng)及其附近有兩種基本的吸收方式。兩種基本的吸收方式。紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾幼贤馕論p耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高流將光纖材料中的電子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將被電子吸收，能級(jí)時(shí)，光子流中的能量將

2、被電子吸收，從而引起的損耗。從而引起的損耗。紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳波與晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗。耗。光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH。通常在光纖的制造過程中，光纖材料通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)將會(huì)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格很共價(jià)鍵斷裂而產(chǎn)生原子缺陷，此時(shí)晶格

3、很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為光能，引起損耗，其峰值吸收波長(zhǎng)約為630nm左右。左右。任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗纖傳播模式散射性的損耗，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。瑞利散射是一種最基本

4、的散射過程，瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。屬于固有散射。對(duì)于短波長(zhǎng)光纖，損耗主要取決于瑞對(duì)于短波長(zhǎng)光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損利散射損耗。值得強(qiáng)調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)問題以及一些隨機(jī)因素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中不完整、芯徑變化

5、、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。殘留氣泡和裂痕等等。光纖中存在兩種非線性散射，它們都光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受與石英光纖的振動(dòng)激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。激喇曼散射和受激布里淵散射。光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)半徑比光纖的直徑大得多的彎曲，我們習(xí)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為生微米級(jí)的彎曲，這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎。微彎。在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工

6、過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。不可避免地出現(xiàn)彎曲。微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和纖遇到溫度變化時(shí)，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起耗機(jī)理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。的。為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù)或稱為衰減系數(shù))的概的概念，即傳輸單位長(zhǎng)度念，即傳輸單位長(zhǎng)度(1km)光纖所引起的光光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用功率減小的分貝數(shù)，一般用表示損

7、耗系數(shù)，表示損耗系數(shù)，單位是單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：式中：式中：L為光纖長(zhǎng)度，以為光纖長(zhǎng)度，以km為單位；為單位；P1和和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，分別為光纖的輸入和輸出光功率，以以mW或或W為單位。為單位。）（1 . 3 /lg1021KmdBPPL所謂模式色散，用光的射線理論來說，所謂模式色散，用光的射線理論來說，就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均就是由于軌跡不同的各光線沿軸向的平均速度不同所造成的時(shí)延差。速度不同所造成的時(shí)延差。在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢在階躍型光纖中，傳播最快的和最慢的兩條光線分別是沿軸線方向傳播的光線的兩條光線分別是

8、沿軸線方向傳播的光線和以臨界角和以臨界角c入射的光線，如圖入射的光線，如圖3.6所所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線和光線到達(dá)終端的時(shí)延差。線和光線到達(dá)終端的時(shí)延差。圖圖3.6 階躍型光纖的模式色散階躍型光纖的模式色散在漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折在漸變型光纖中合理地設(shè)計(jì)光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時(shí)速度射率分布，使光線在光纖中傳播時(shí)速度得到補(bǔ)償，從而模式色散引起的光脈沖得到補(bǔ)償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。展寬將很小。一般情況下，材料色散往往是用色一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個(gè)物理量來衡量，色散系數(shù)定義散系數(shù)這個(gè)物理量來衡量，

9、色散系數(shù)定義為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率成份通過單位長(zhǎng)為單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)各頻率成份通過單位長(zhǎng)度光纖所產(chǎn)生的色散，用度光纖所產(chǎn)生的色散，用D()表示，單位表示，單位是是ps/（nmkm）。）。在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，色散的表達(dá)式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導(dǎo)出，材料色散用材料色散用m表示。表示。m()=Dm()L式式(3-25)中：中：為光源的譜線寬度，為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)即光功率下降到峰值光功率一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍；的波長(zhǎng)范圍；L是光纖的傳播長(zhǎng)度。是光纖的傳播長(zhǎng)度。式式(3-23)中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)

10、的歸一化中的第二項(xiàng)與波導(dǎo)的歸一化傳播常數(shù)傳播常數(shù)b和波導(dǎo)的歸一化頻率和波導(dǎo)的歸一化頻率V有關(guān)，而有關(guān)，而b和和V又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函又都是光纖折射率剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，所以式數(shù)，所以式(3-23)中的第二項(xiàng)稱之為波導(dǎo)色中的第二項(xiàng)稱之為波導(dǎo)色散系數(shù)，用散系數(shù)，用Dw()表示。表示。）（ 26. 3 )(221dVVbdVCnDw極化色散也稱為偏振模色散，用極化色散也稱為偏振模色散，用p表表示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給示。從本質(zhì)上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。出粗略的概念。單模光纖中可能同時(shí)存在單模光纖中可能同時(shí)存在LP01x和和LP01y兩種基模，也可能只存在其中一種

11、模兩種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵(lì)和邊界條件的隨機(jī)式，并且可能由于激勵(lì)和邊界條件的隨機(jī)變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時(shí)，兩個(gè)當(dāng)光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時(shí)，兩個(gè)極化正交的極化正交的LP01x和和LP01y模傳播常數(shù)模傳播常數(shù)x和和y不相等。對(duì)于弱導(dǎo)光纖，不相等。對(duì)于弱導(dǎo)光纖，y和和x之差可以之差可以近似地表示為：近似地表示為：式中：式中：nx和和ny分別為分別為x方向和方向和y方向的折射方向的折射率。率。）（ 27. 3 xyxynnC光纖的總色散為：光纖的總色散為：值得說明的是，單模光纖一般只給出值得說明的是，單模光纖一般只給

12、出色散系數(shù)色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導(dǎo)，其中包含了材料色散和波導(dǎo)色散的共同影響。色散的共同影響。多模光纖）（ 31. 3 )(22wmM單模光纖）（ 32. 3 wm光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)一特性。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時(shí)形式，即光脈沖經(jīng)過光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器

13、，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過光纖時(shí)，就會(huì)當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減，如圖受到嚴(yán)重衰減，如圖3.12所示。所示。圖圖3.12 光纖的帶寬光纖的帶寬(f為調(diào)制信號(hào)頻率為調(diào)制信號(hào)頻率)通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過光纖傳播后，光通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過光纖傳播后，光功率下降一半功率下降一半(即即3dB)時(shí)的頻率時(shí)的頻率(fc)的大小，的大小，定義為光纖的帶寬定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下。由于它是光功率下降降3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬。光帶寬?？捎檬娇捎檬?3-33)表示。表示。 ）（光光33. 3 30lg01dBPfPc光功率總是要用光電子器件來檢測(cè)，

14、光功率總是要用光電子器件來檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光功率，于是：功率，于是：從式從式(3-34)中可以看出，中可以看出，3dB光帶寬對(duì)光帶寬對(duì)應(yīng)于應(yīng)于6dB電帶寬。電帶寬。 ）（光光電電電電34. 3 60lg200lg200lg10dBPfPIfIPfPccc既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個(gè)特性，那么它們之間必然存在纖的同一個(gè)特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。著一定的聯(lián)系。由于總色散包括模式色散、材料色散由于總色散包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散，所以光纖的總帶寬也可表示和波導(dǎo)色散，所以光纖的

15、總帶寬也可表示為：為：式中：式中：BM是由模式色散引起的模式畸是由模式色散引起的模式畸變帶寬；變帶寬；Bc是由材料色散和波導(dǎo)色散引起是由材料色散和波導(dǎo)色散引起的波長(zhǎng)色散帶寬。的波長(zhǎng)色散帶寬。）（ 47. 3 21 22cMTBBB波長(zhǎng)色散帶寬定義為：波長(zhǎng)色散帶寬定義為：式中：式中：是光源的譜線寬度，單位是是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長(zhǎng)度，單位是是光纖的長(zhǎng)度，單位是km；D()是是材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)材料色散和波導(dǎo)色散的色散系數(shù)(即波長(zhǎng)色即波長(zhǎng)色散系數(shù)散系數(shù))，單位是，單位是ps/(nmkm)，其中材料色，其中材料色散占主導(dǎo)地位。散占主導(dǎo)地位。 ）（ 48. 3 441GHz

16、LDBc光纖鏈路總帶寬與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)光纖鏈路總帶寬與光纖長(zhǎng)度之間的關(guān)系要分光纖鏈路中間有無接頭。對(duì)于無接系要分光纖鏈路中間有無接頭。對(duì)于無接頭的一個(gè)制造長(zhǎng)度的光纖總帶寬頭的一個(gè)制造長(zhǎng)度的光纖總帶寬BT與其單與其單位公里帶寬位公里帶寬B的關(guān)系如下：的關(guān)系如下：BT=BL-式中：式中：L是光纖的制造長(zhǎng)度是光纖的制造長(zhǎng)度(km)，為為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在布及模耦合狀態(tài)有關(guān)，一般在0.51.0之間之間(多模光纖取多模光纖取0.50.9，單模光纖，單模光纖1)。光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)

17、構(gòu)件的材料和橫截面積，一般要求大于件的材料和橫截面積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在光纜的重量，多數(shù)光纜在100400kg范圍。范圍。光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù)光纜能承受的最大側(cè)壓力在壓力在100400kg/10cm。彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對(duì)折射率差對(duì)折射率差以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。以及光纜的材料和結(jié)構(gòu)。光纖本身具有良好的溫度特性。光纖本身具有良好的溫度特性。不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會(huì)帶來附加損耗，稱之為成纜損

18、耗。會(huì)帶來附加損耗，稱之為成纜損耗。套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度變化如圖的損耗隨溫度變化如圖3.14中虛線所示。中虛線所示。圖3.14 光纖和光纜的溫度特征把光纖制成光纜，溫度特性會(huì)得到相把光纖制成光纜，溫度特性會(huì)得到相當(dāng)大的改善，如圖當(dāng)大的改善，如圖3.14中的實(shí)線所示。中的實(shí)線所示。這一點(diǎn)是很顯然的。一般光纖的斷點(diǎn)這一點(diǎn)是很顯然的。一般光纖的斷點(diǎn)強(qiáng)度約為強(qiáng)度約為15kg，而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入，而由于光纜結(jié)構(gòu)中加入了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此了加強(qiáng)構(gòu)件、護(hù)套、甚至鎧裝層等，因此其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述值；不僅如此，光其斷點(diǎn)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于上述值；

19、不僅如此，光纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明纜的抗側(cè)壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強(qiáng)。顯增強(qiáng)。目前，目前，ITU-T(國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)國(guó)際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu))分別對(duì)分別對(duì)G.651光纖、光纖、G.652光纖、光纖、G.653光纖、光纖、G.654光纖、光纖、G.655光纖的主要光纖的主要參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。參數(shù)特性進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。G.652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.31m處色散為零，系統(tǒng)的傳處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。輸距離一般只受損耗的限制。G.653光纖稱為色散位移光纖，其特光纖稱為色散位移光纖，其特點(diǎn)是在波長(zhǎng)點(diǎn)是在波長(zhǎng)1.55m處色散為零，損耗又最處色散為零，損耗又最小。小。G