光纖與光纜課件

1、第二章 光纖與光纜2.1 光纖概述2.2 光纖傳輸原理2.3 光纖的傳輸特性2.4 幾種常用于光纖通信系統(tǒng)的光纖本章內(nèi)容光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無(wú)失真地從發(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸媒質(zhì)的光纖應(yīng)具有均勻、透明的理想傳輸特性，任何信號(hào)均能以相同速度無(wú)損無(wú)畸變地傳輸。但實(shí)際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在損耗和色散，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度較高時(shí)還存在非線性。？在實(shí)際系統(tǒng)中，光信號(hào)到底如何傳輸？其傳輸特性、傳輸能力究竟如何？本章討論的要點(diǎn)。要點(diǎn) 光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具。光導(dǎo)纖維由前香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕發(fā)明。 微細(xì)的光纖封裝在塑

2、料護(hù)套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測(cè)脈沖。 通常光纖與光纜兩個(gè)名詞會(huì)被混淆.多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護(hù)結(jié)構(gòu)包覆,包覆后的纜線即被稱為光纜.光纖外層的保護(hù)結(jié)構(gòu)可防止周遭環(huán)境對(duì)光纖的傷害,如水,火,電擊等.光纜分為:光纖,緩沖層及披覆.光纖和同軸電纜相似，只是沒有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。在多模光纖中，芯的直徑是15m50m， 大致與人的頭發(fā)的粗細(xì)相當(dāng)。而單模光纖芯的直徑為8m10m。芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套，

3、以使光纖保持在芯內(nèi)。再外面的是一層薄的塑料外套，用來保護(hù)封套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護(hù)。 纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質(zhì)地脆,易斷裂,因此需要外加一保護(hù)層。 光纖的構(gòu)造纖芯：高純度SiO2+摻雜劑如GeO2等，2a：950m包層：高純度SiO2+摻雜劑如B2O3，2b：125 m 涂覆層：環(huán)氧樹脂、硅橡膠和尼龍纖芯和包層都用石英作為基本材料，折射率差通過在纖芯和包層進(jìn)行不同的摻雜來實(shí)現(xiàn)。纖芯摻入Ge和P 折射率包層摻入B 折射率2.1 光纖概述1.根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸特性完全不同光纖的分類三種主要類型光纖的比較 階躍

4、型：光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。這種光纖纖芯的折射率是均勻的，包層的折射率稍低一些。光纖中心芯到玻璃包層的折射率是突變的，只有一個(gè)臺(tái)階，所以稱為階躍型折射率多模光纖，簡(jiǎn)稱階躍光纖，也稱突變光纖。 這種光纖的傳輸模式很多，各種模式的傳輸路徑不一樣，經(jīng)傳輸后到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間也不相同，因而產(chǎn)生時(shí)延差，使光脈沖受到展寬。所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，用于通信不夠理想，只適用于短途低速通訊，比如：工控。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。這是研究開發(fā)較早的一種光纖，現(xiàn)在已逐漸被淘汰了。 為了解決階躍光

5、纖存在的弊端，人們又研制、開發(fā)了漸變折射率多模光纖，簡(jiǎn)稱漸變光纖。 漸變型光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。 漸變光纖的包層折射率分布與階躍光纖一樣，為均勻的。漸變光纖的纖芯折射率中心最大，沿纖芯半徑方向逐漸減小。 由于高次模和低次模的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產(chǎn)生折射，進(jìn)入低折射率層中去，因此，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所形成的角度將逐漸變小。 同樣的過程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產(chǎn)生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進(jìn)。這時(shí)，光的行進(jìn)方

6、向與光纖軸方向所構(gòu)成的角度，在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最后達(dá)到中心折射率最大的地方。 在這以后。和上述完全相同的過程不斷重復(fù)進(jìn)行，由此實(shí)現(xiàn)了光波的傳輸?？梢钥闯?，光在漸變光纖中會(huì)自覺地進(jìn)行調(diào)整，從而最終到達(dá)目的地，這叫做自聚焦。 2、從材料角度分: 按照材料分，有石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖等。 目前通信中普遍使用的是石英系光纖。它的特點(diǎn)是傳輸波長(zhǎng)范圍寬，數(shù)值孔徑大、芯徑較大，機(jī)械強(qiáng)度大、彎曲性能好，容易與光源的耦合。因此在工業(yè)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的激光通信中得到廣泛應(yīng)用。 塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）制成的。它的

7、特點(diǎn)是制造成本低廉，接續(xù)簡(jiǎn)單，易于彎曲，施工容易。但由于損耗較大，帶寬較小，這種光纖只適用于短距離低速率通信，如短距離計(jì)算機(jī)網(wǎng)鏈路、船舶內(nèi)通信等。 光纖的工作波長(zhǎng)有短波長(zhǎng)0.80.9m、長(zhǎng)波長(zhǎng)1.31.6m、超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖2m以上。光纖損耗一般是隨波長(zhǎng)加長(zhǎng)而減小，0.85m的損耗為2.5dB/km,1.31m的損耗為0.35dB/km，1.55m的損耗為0.20dB/km，這是光纖的最低損耗，波長(zhǎng)1.65m以上的損耗趨向加大。由于氫氧根離子（OH）的吸收作用，0.901.30m和1.341.52m范圍內(nèi)都有損耗高峰，這兩個(gè)范圍未能充分利用。80年代起，傾向于多用單模光纖，而且先用長(zhǎng)波長(zhǎng)1.31m

8、。 3、按光纖的工作波長(zhǎng)分： 短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。 常用光纖規(guī)格 單模： 8/125m， 9/125m， 10/125m 多模： 50/125m 歐洲標(biāo)準(zhǔn) 62.5/125m 美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) 工業(yè)，醫(yī)療和低速網(wǎng)絡(luò)： 100/140m， 200/230m 塑料光纖： 98/1000m 用于汽車控制。 4、按傳輸模式分： 單模光纖和多模光纖。 （1）多模光纖 (Multi Mode Fiber) 理論上講，當(dāng)光的傳輸媒體，即纖芯直徑較大遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，光將從不同的位置，以各種不同的角度進(jìn)入媒體，光在光纖中會(huì)以幾十種乃至幾百種傳播模式進(jìn)行傳播。每一個(gè)角度都定義了一條路徑或一種模式，以這

9、種方式傳輸光波的光纖稱為多模光纖。多模光纖：中心玻璃芯較粗(50或62.5m)，包層外直徑125m，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。例如：600MB/KM的光纖在2KM時(shí)則只有300MB的帶寬了。因此，多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。 （2）單模光纖(Single Mode Fiber) 在多模光纖中，光波以有限的模式向前傳播，模式的具體數(shù)目是由纖芯所用媒體的直徑和光的波長(zhǎng)決定的。減少纖芯的直徑可以降低光線撞擊邊界面的角度數(shù)目，即模式數(shù)目減少了。如果纖芯直徑減少到一定程度，光纖內(nèi)將只有一種模式傳播的光波，這就是單模光纖（

10、Single Mode Fiber）， 單模光纖：中心玻璃芯很細(xì)(芯徑一般為9或10m)，包層外直徑125m，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠(yuǎn)程通訊，但還存在著材料色散和波導(dǎo)色散，這樣單模光纖對(duì)光源的譜寬和穩(wěn)定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩(wěn)定性要好。 后來又發(fā)現(xiàn)在1.31m波長(zhǎng)處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等。這就是說在1.31m波長(zhǎng)處，單模光纖的總色散為零。從光纖的損耗特性來看，1.31m處正好是光纖的一個(gè)低損耗窗口。這樣，1.31m波長(zhǎng)區(qū)就成了光纖通信的一個(gè)很理想的工作窗口，也是現(xiàn)在實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的主要工作波段。1.31m常規(guī)單模光纖的主要

11、參數(shù)是由國(guó)際電信聯(lián)盟ITUT在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。 我們知道單模光纖沒有模式色散所以具有很高的帶寬，那么如果讓單模光纖工作在1.55m波長(zhǎng)區(qū)，不就可以實(shí)現(xiàn)高帶寬、低損耗傳輸了嗎？但是實(shí)際上并不是這么簡(jiǎn)單。常規(guī)單模光纖在1.31m處的色散比在1.55m處色散小得多。這種光纖如工作在1.55m波長(zhǎng)區(qū)，雖然損耗較低，但由于色散較大，仍會(huì)給高速光通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響。因此，這種光纖仍然不是理想的傳輸媒介。 為了使光纖較好地工作在1.55m處，人們?cè)O(shè)計(jì)出一種新的光纖，叫做色散位移光纖（DSF）。這種光纖可以對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償，使光纖的零色散點(diǎn)從1.31m處移到1.55m附近。

12、這種光纖又稱為1.55m零色散單模光纖，代號(hào)為G653。 G653光纖是單信道、超高速傳輸?shù)臉O好的傳輸媒介?，F(xiàn)在這種光纖已用于通信干線網(wǎng)，特別是用于海纜通信類的超高速率、長(zhǎng)中繼距離的光纖通信系統(tǒng)中。 G653光纖雖然用于單信道、超高速傳輸是很理想的傳輸媒介，但當(dāng)它用于波分復(fù)用多信道傳輸時(shí)，又會(huì)由于光纖的非線性效應(yīng)而對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生干擾。特別是在色散為零的波長(zhǎng)附近，干擾尤為嚴(yán)重。為此，人們又研制了一種非零色散位移光纖即G655光纖，將光纖的零色散點(diǎn)移到1.55m 工作區(qū)以外的1.60m以后或在1.53m以前，但在1.55m波長(zhǎng)區(qū)內(nèi)仍保持很低的色散。這種非零色散位移光纖不僅可用于現(xiàn)在的單信道、超高

13、速傳輸，而且還可適應(yīng)于將來用波分復(fù)用來擴(kuò)容，是一種既滿足當(dāng)前需要，又兼顧將來發(fā)展的理想傳輸媒介。 還有一種單模光纖是色散平坦型單模光纖。這種光纖在1.31m到1.55m整個(gè)波段上的色散都很平坦，接近于零。但是這種光纖的損耗難以降低，體現(xiàn)不出色散降低帶來的優(yōu)點(diǎn)，所以目前尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。 2.2 光纖的傳輸原理光線傳播理論（幾何光學(xué)方法）把光看作射線，并引用幾何光學(xué)中反射與折射原理解釋光在光纖中傳播的物理現(xiàn)象光的反射與折射光的全反射現(xiàn)象光線傳播理論光在階躍光纖中的傳播軌跡光學(xué)參數(shù)數(shù)值孔徑折射率差光線傳播理論單模光纖中光線傳播路徑NA表示光纖接收和傳輸光的能力。NA（或a ）越大，表示光纖接收光

14、的能力越強(qiáng)，光源與光纖之間的耦合效率越高。NA越大，纖芯對(duì)入射光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲特性越好。NA太大時(shí)，則進(jìn)入光纖中的光線越多，將會(huì)產(chǎn)生更大的模色散，因而限制了信息傳輸容量，所以必須適當(dāng)選擇NA。單模光纖的NA在0.12附近，多模光纖的NA約為0.21。 數(shù)值孔徑概念 數(shù)值孔徑就是能夠使光線在光纖中以全內(nèi)反射的形式進(jìn)行傳播的的入射角a的正弦值。光在漸變光纖中傳播的定性解釋將徑向r方向連續(xù)變化的折射率分為不連續(xù)變化的若干層表示:光線傳播理論光在漸變光纖以不同角度入射的光線族皆以正弦曲線軌跡在光纖中傳播，且近似成聚焦?fàn)罾碚撋?，光在漸變光纖的傳播軌跡： 2n1n光線傳播理論色散損耗光纖非線性

15、效應(yīng)2.3 光纖的傳輸特性 光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生損耗和畸變(失真)，因而輸出信號(hào)和輸入信號(hào)不同。對(duì)于脈沖信號(hào)，不僅幅度要減小，而且波形要展寬。產(chǎn)生信號(hào)畸變的主要原因是光纖中存在色散。損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性。損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離，色散則限制系統(tǒng)的傳輸帶寬。本節(jié)討論光纖的色散和損耗的機(jī)理和特性，為光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2.3 光纖的傳輸特性 色散的基本概念色散的種類及其產(chǎn)生原因光纖的色散z=0z=L色散光纖的色散是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，隨傳輸距離增加，由于不同成分的光傳輸時(shí)延不同引起的脈沖展寬的物理效應(yīng)。光纖的色散將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量。色散的大小

16、常用時(shí)延差表示，時(shí)延差是光脈沖中不同模式或不同波長(zhǎng)成分傳輸同樣距離而產(chǎn)生的時(shí)間差。單位：ps/nm.km色散的基本概念 色散類型模式色散：不同模式對(duì)應(yīng)有不同的模折射率，導(dǎo)致群速度不同和脈沖展寬（僅多模光纖有）波導(dǎo)色散 ：傳播常數(shù)隨頻率變化材料色散 ：折射率隨頻率變化偏振模色散PMD波長(zhǎng)色散色散的種類及其產(chǎn)生原因模式色散是由于光纖不同模式在同一波長(zhǎng)下傳播速度不同，使傳播時(shí)延不同而產(chǎn)生的色散。只有多模光纖才存在模式色散，它主要取決于光纖的折射率分布。模式色散波導(dǎo)色散DW由于光纖中某一導(dǎo)模在不同光波長(zhǎng)下，相位常數(shù)（傳播常數(shù)）不同，群速度不同而引起的色散。波導(dǎo)色散取決于波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和波長(zhǎng)。波導(dǎo)色散的

17、影響依賴于光纖設(shè)計(jì)參數(shù)，如纖芯半徑和芯包層折射率差。根據(jù)光纖的這種特性，可改變光纖的色散情況，進(jìn)行色散位移（非零色散位移光纖）。 波導(dǎo)色散材料色散DM是由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)而改變，實(shí)際光源不是純單色光，模內(nèi)不同波長(zhǎng)成分的光，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線寬度。合理設(shè)計(jì)成將零色散波長(zhǎng)移到1550nm的色散移位光纖，使1300nm和1550nm處色散皆為零的色散平坦光纖，或1550nm處具有負(fù)色散值的色散補(bǔ)償光纖材料色散單模光纖材料色散和波導(dǎo)色散隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系零色散波長(zhǎng)17ps/nm.km1550nmD=DM+DW在理想的單模光纖中，基模是由兩個(gè)相互垂直

18、的簡(jiǎn)并偏振模組成。如果由于某種因素使這兩個(gè)偏振模有不同的群速度，出纖后兩偏振模的迭加使得信號(hào)脈沖展寬，從而形成偏振模色散(PMD) 。PMD是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，它對(duì)傳輸有線電視(CATV)的模擬系統(tǒng)和長(zhǎng)距離、高速率的數(shù)字系統(tǒng)，例如海底光纜系統(tǒng)的影響是不可忽視的。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率小于10Gbit/s時(shí)，基本上不必考慮它的影響。 偏振模色散在多模光纖中模式色散是主要的，材料色散相對(duì)較小，波導(dǎo)色散一般可以忽略。單模光纖波導(dǎo)色散的作用不能忽略，它與材料色散有同樣的數(shù)量級(jí)。波導(dǎo)色散的影響依賴于光纖設(shè)計(jì)參數(shù)，如纖心半徑a，芯包層折射率差。由此可改變光纖的色散系數(shù)。 G.652G.653 G.655色散的種類及其產(chǎn)

19、生原因損耗定義: 光纖的損耗特性 光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對(duì)石英材料的研究。 光波在光纖傳輸過程中，隨著傳輸距離的增加，其強(qiáng)度（或光功率）逐漸下降，這就是光纖損耗，可見光纖對(duì)光波的傳輸有衰減作用。例如：低損耗光纖在900nm波長(zhǎng)處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號(hào)光功率將損失50，2km后損失達(dá)75(損失了6dB)。之所以可以這樣進(jìn)行運(yùn)算，是因?yàn)橛梅重惐硎镜膿p耗具有可加性。示例對(duì)于理想的光纖，不會(huì)有任何的損耗，對(duì)應(yīng)的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實(shí)際中這是不可能的。目前，1.31m光纖的損耗在0.5dB/km以下，

20、而1.55 m光纖的損耗在0.2dB/km以下,基本接近的光纖損耗的理論極限。第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損 耗 (dB/km)波 長(zhǎng) (nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機(jī)理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km光纖的損耗機(jī)理(1)材料吸收物質(zhì)的吸收作用將傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，從而造成光功率的損失。吸收損耗有三個(gè)原因， 一是本征吸收， 二是雜質(zhì)吸收， 三是原子缺陷吸收。 吸收就是光纖材料中的雜質(zhì)粒子因其固有頻率而對(duì)某些波長(zhǎng)的光產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收。光纖材料的固有吸收叫做本征吸收，它與電子及分子

21、的諧振有關(guān)。對(duì)于石英(SiO2)材料，固有吸收區(qū)在紅外區(qū)域和紫外區(qū)域。紅外區(qū)的中心波長(zhǎng)在 8m12m 范圍內(nèi)， 對(duì)光纖通信波段影響不大。對(duì)于短波長(zhǎng)不引起損耗，對(duì)于長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖引起的損耗小于1dB/km。紫外區(qū)中心波長(zhǎng)在0.16m附近，尾部拖到lm左右，已延伸到光纖通信波段(即0.8m1.7m的波段)。在短波長(zhǎng)范圍內(nèi)，引起的光纖損耗小于1dBkm。在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，引起的光纖損耗小0.1dBkm。光纖的損耗機(jī)理(1)原子缺陷吸收是由于加熱過程或者由于強(qiáng)烈的輻射造成， 玻璃材料會(huì)受激而產(chǎn)生原子的缺陷，引起吸收光能，造成損耗。光纖的損耗機(jī)理(1)光纖的損耗機(jī)理(1)雜質(zhì)吸收由于一般光纖中含有鐵、錨、鎳、

22、銅、錳、鉻、釩、鉑等過渡金屬和水的氫氧根離子，這些雜質(zhì)造成的附加吸收損耗稱為雜質(zhì)吸收。金屬離子含量越多，造成的損耗就越大。降低光纖材料中過渡金屬的含量可以使其影響減小到最小的程度（目前，光纖中雜質(zhì)吸收主要由于水的氫氧根離子的振動(dòng)） 。OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長(zhǎng)為2.73 m，與Si-O鍵的諧振波長(zhǎng)相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之間的低損耗區(qū)構(gòu)成了光纖通信的三個(gè)窗口。減低OH離子濃度，減低這些吸收峰全波光纖（AllWave 康寧）光纖的損耗機(jī)理(2)瑞利(Rayleigh)散射是一種基本損耗機(jī)理。由于光纖材料密度的微觀變

23、化以及各成分濃度不均勻，使得光纖中出現(xiàn)折射率分布不均勻的局部區(qū)域，從而引起光的散射，將一部分光功率散射到光纖外部。大小與4成反比， RC/ 4（dB/km）因而主要作用在短波長(zhǎng)區(qū)。瑞利散射損耗對(duì)光纖來說是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。在1.55 m波段，瑞利散射引起的損耗仍達(dá)0.120.16 dB/km ，是該段損耗的主要原因。物質(zhì)在強(qiáng)大的電場(chǎng)作用下，會(huì)呈現(xiàn)非線性， 即出現(xiàn)新的頻率或輸入的頻率得到改變。這種由非線性激發(fā)的散射有兩種即受激喇曼(Raman)和受激布里淵(Brillouin)散射。光纖的損耗機(jī)理(3)輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲半徑遠(yuǎn)大于光纖直徑，二是光

24、纖成纜時(shí)軸向產(chǎn)生的隨機(jī)性微彎。定性解釋：導(dǎo)模的部分能量在光纖包層中（消失場(chǎng)拖尾）于纖芯中的場(chǎng)一起傳輸。當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，離中心較遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部須以較大的速度行進(jìn)，以便與纖芯中的場(chǎng)一同前進(jìn)。這有可能要求離纖芯遠(yuǎn)的消失場(chǎng)尾部以大于光速的速度前進(jìn)，由于這是不可能的，因此這部分場(chǎng)將輻射出去而損耗掉。 本節(jié)介紹光纖損耗、 帶寬(色散)和截止波長(zhǎng)的測(cè)量原理和測(cè)量方法。這些特性參數(shù)的測(cè)量的共同的特點(diǎn)是用特定波長(zhǎng)的光通過光纖，然后測(cè)出輸出端相對(duì)于輸入端的光功率或幅度、 相位等物理量的變化，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)。測(cè)量系統(tǒng)一般包括發(fā)射光源、 注入裝置和接收與數(shù)據(jù)處理設(shè)備。測(cè)量?jī)x器要求穩(wěn)定、 可靠，并有足夠的精確

25、度。1 損耗測(cè)量光纖損耗測(cè)量有兩種基本方法： 一種是測(cè)量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測(cè)量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。1. 剪斷法光纖損耗系數(shù)由下式確定，即 (1) 式中，L為被測(cè)光纖長(zhǎng)度(km)，P1和P2分別為輸入光功率和輸出光功率(mW或W)。由此可見，只要測(cè)量長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的長(zhǎng)光纖輸出光功率P2，保持注入條件不變，在注入裝置附近剪斷光纖，保留長(zhǎng)度為L(zhǎng)1(一般為23 m)的短光纖，測(cè)量其輸出光功率P1(即長(zhǎng)度為L(zhǎng)=L2L1這段光纖的輸入光功率)，根據(jù)式(1)就可以計(jì)算出值。 問題是由于高階模式的損耗比低階模式的更大，在光纖中傳輸?shù)?對(duì)數(shù))光功率lgP與光纖長(zhǎng)度L的關(guān)

26、系不是線性關(guān)系。如圖2.21所示，測(cè)得的值與注入條件和光纖長(zhǎng)度有關(guān)，但不能惟一代表光纖的本征特性。由圖可見，只有在穩(wěn)態(tài)模式分布(注入光束數(shù)值孔徑NAb和被測(cè)光纖數(shù)值孔徑NAf相匹配)的注入條件下，lgP與L才是線性關(guān)系。在滿注入(NAbNAf)或欠注入(NAbNAf)的條件下，被測(cè)短光纖的長(zhǎng)度要等于或大于光纖耦合長(zhǎng)度(L1Lc)，才能獲得穩(wěn)態(tài)模式分布。只有在穩(wěn)態(tài)模式分布的條件下，才能得到惟一代表光纖本征特性的值。 圖 2.21光功率和光纖長(zhǎng)度的關(guān)系圖2.22示出剪斷法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)的框圖。光源一般采用光譜寬度足夠窄的激光器。在整個(gè)測(cè)量過程中，光源位置、 強(qiáng)度和波長(zhǎng)應(yīng)保持穩(wěn)定。注入裝置的功能是

27、保證多模光纖在短距離內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)模式分布。對(duì)于單模光纖，應(yīng)保證全長(zhǎng)為單模傳輸。接收一般包括光敏面積足夠大的光檢測(cè)器、 放大器和電平測(cè)量或數(shù)據(jù)顯示，通常用光功率計(jì)來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)測(cè)得的P1和P2計(jì)算值。 圖 2.22剪斷法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)框圖對(duì)于損耗譜的測(cè)量要求采用光譜寬度很寬的光源(例如鹵燈或發(fā)光管)和波長(zhǎng)選擇器(例如單色儀或?yàn)V光片)，測(cè)出不同波長(zhǎng)的光功率P1()和P2()，然后計(jì)算()值。剪斷法是根據(jù)損耗系數(shù)的定義，直接測(cè)量傳輸光功率而實(shí)現(xiàn)的，所用儀器簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，因而被確定為基準(zhǔn)方法。但這種方法是破壞性的，不利于多次重復(fù)測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，可以采用插入法作為替代方法。插入法是在注入裝置的輸

28、出和光檢測(cè)器的輸入之間直接連接，測(cè)出光功率P1，然后在兩者之間插入被測(cè)光纖，再測(cè)出光功率P2，據(jù)此計(jì)算值。這種方法可以根據(jù)工作環(huán)境，靈活運(yùn)用，但應(yīng)對(duì)連接損耗作合理的修正。 瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數(shù)的方法，稱為后向散射法。設(shè)在光纖中正向傳輸光功率為P，經(jīng)過L1和L2點(diǎn)(L1P2)，從這兩點(diǎn)返回輸入端(L=0)。光檢測(cè)器的后向散射光功率分別為Pd(L1)和Pd(L2)，經(jīng)分析推導(dǎo)得到，正向和反向平均損耗系數(shù)2. 后向散射法式中右邊分母中因子2是光經(jīng)過正向和反向兩次傳輸產(chǎn)生的結(jié)果。后向散射法不僅可以測(cè)量損耗系數(shù)，還可利用光在光纖中傳輸?shù)?/p>

29、時(shí)間來確定光纖的長(zhǎng)度L。顯然，式中，c為真空中的光速，n1為光纖的纖芯折射率，t為光脈沖的往返傳播時(shí)間。 圖 2.23后向散射法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)框圖圖2.23示出后向散射法光纖損耗測(cè)量系統(tǒng)的框圖。光源應(yīng)采用特定波長(zhǎng)穩(wěn)定的大功率激光器，調(diào)制的脈沖寬度和重復(fù)頻率應(yīng)和所要求的長(zhǎng)度分辨率相適應(yīng)。耦合器件把光脈沖注入被測(cè)光纖，又把后向散射光注入光檢測(cè)器。光檢測(cè)器應(yīng)有很高的靈敏度。 圖 2.24后向散射功率曲線的示例圖 2.24是后向散射功率曲線的示例，圖中(a)輸入端反射區(qū)；(b)恒定斜率區(qū)，用以確定損耗系數(shù)；(c)連接器、接頭或局部缺陷引起的損耗；(d)介質(zhì)缺陷(例如氣泡)引起的反射；(e)輸出端反射

30、區(qū)，用以確定光纖長(zhǎng)度。用后向散射法的原理設(shè)計(jì)的測(cè)量?jī)x器稱為光時(shí)域反射儀(OTDR)。這種儀器采用單端輸入和輸出，不破壞光纖，使用非常方便。OTDR不僅可以測(cè)量光纖損耗系數(shù)和光纖長(zhǎng)度，還可以測(cè)量連接器和接頭的損耗，觀察光纖沿線的均勻性和確定故障點(diǎn)的位置，確實(shí)是光纖通信系統(tǒng)工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不可缺少的工具。 光纖帶寬測(cè)量有時(shí)域和頻域兩種基本方法。時(shí)域法是測(cè)量通過光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖展寬，又稱脈沖法； 頻域法是測(cè)量通過光纖的頻率響應(yīng)，又稱掃頻法。兩種方法是等效的，這里只介紹掃頻法。這種方法通常用于多模光纖的測(cè)量。設(shè)在測(cè)量系統(tǒng)中，接入一段短光纖時(shí)，測(cè)出的頻率響應(yīng)為H1( f )，接入被測(cè)長(zhǎng)光纖時(shí)，測(cè)出的頻

31、率響應(yīng)為H2( f )，則光纖頻率響應(yīng)H( f )和3 dB光帶寬f3 dB應(yīng)滿足下式： 2.5.2帶寬測(cè)量寫成對(duì)數(shù)形式： T( f )=10 lg |H( f3 dB)|=10lg |H2( f )|lg|H1( f )|=3 (2.64)注意： 由于經(jīng)光檢測(cè)器后，光功率按比例轉(zhuǎn)換為電流(或電壓)，因此3 dB光帶寬相應(yīng)于6 dB電帶寬。圖2.25示出用對(duì)數(shù)電平顯示的頻率響應(yīng)H1( f )、H2( f )和由兩曲線相減得到的光纖頻率響應(yīng)H( f )和6 dB電帶寬。 圖 2.25光纖頻率響應(yīng)和6 dB電帶寬圖 2.26示出掃頻法光纖帶寬測(cè)量系統(tǒng)的框圖。掃頻儀輸出各種頻率的正弦信號(hào)，對(duì)光源進(jìn)行

32、直接光強(qiáng)調(diào)制，輸出光經(jīng)光纖傳輸和光檢測(cè)后，由選頻表直接獲得頻率響應(yīng)。光源應(yīng)采用線性良好、 功率和頻率穩(wěn)定的激光器，其調(diào)制頻率上限應(yīng)大于光纖帶寬。光檢測(cè)器應(yīng)采用高速光電二極管，其頻率響應(yīng)要與光源調(diào)制頻率相適應(yīng)。記錄儀應(yīng)具有良好的幅度頻率特性。 圖 2.26掃頻法光纖帶寬測(cè)量系統(tǒng)框圖對(duì)光纜的基本要求是保護(hù)光纖的機(jī)械強(qiáng)度和傳輸特性，防止施工過程和使用期間光纖斷裂，保持傳輸特性穩(wěn)定。為此，必須根據(jù)使用環(huán)境設(shè)計(jì)各種結(jié)構(gòu)的光纜，以保證光纖不受應(yīng)力的作用和有害物質(zhì)的侵蝕。光纜2.4.1光纜基本要求保護(hù)光纖固有機(jī)械強(qiáng)度的方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力篩選。光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料(例如紫外固化的丙烯酸樹脂)進(jìn)行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖，并對(duì)成品光纖用硬塑料(例如高強(qiáng)度聚酰胺塑料)進(jìn)行二次被覆。 G.652 普通單模光纖(SMF)性能模場(chǎng)直徑(m)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)最大衰減系數(shù)(dB/km)最大色散系數(shù)ps/(nmkm)要求值1310nm8.69.50.713101310或15501310nm0.401550nm0.251310nm 01550