第三章光纖的傳輸特性損耗色散成纜

1、第三章 光纖的傳輸特性 3.1.1 吸收損耗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(OH)等雜質對光的吸收而產生的損耗，前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。3.1 光纖的損耗特性 1. 本征吸收損耗本征吸收損耗在光學波長及其附近有兩種基本的吸收方式。 (1) 紫外吸收損耗紫外吸收損耗是由光纖中傳輸?shù)墓庾恿鲗⒐饫w材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時，光子流中的能量將被電子吸收，從而引起的損耗。 (2) 紅外吸收損耗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，一部分光波能量傳遞給晶格，使其振動加劇，從而引起的損耗。 2. 雜質吸收損耗光纖中的有害雜質

2、主要有過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH。 3. 原子缺陷吸收損耗通常在光纖的制造過程中，光纖材料受到某種熱激勵或光輻射時將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產生原子缺陷，此時晶格很容易在光場的作用下產生振動，從而吸收光能，引起損耗，其峰值吸收波長約為630nm左右。 3.1.2 散射損耗 1. 線性散射損耗任何光纖波導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，由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關系，所以稱為線性散射損耗。 (1) 瑞利散射瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。對于短波長光纖，損

3、耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構成光纖損耗的理論極限值。 (2) 光纖結構不完善引起的散射損耗(波導散射損耗)在光纖制造過程中，由于工藝、技術問題以及一些隨機因素，可能造成光纖結構上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等等。 2. 非線性散射損耗光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。 3.1.3 彎曲損耗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，我們習慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產生微米級的彎曲，這種高頻彎

4、曲習慣稱為微彎。在光纜的生產、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。微彎是由于光纖受到側壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。 3.1.4 光纖損耗系數(shù)為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)(或稱為衰減系數(shù))的概念，即傳輸單位長度(1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)，一般用表示損耗系數(shù)，單位是dB/km。用數(shù)學表達式表示為：式中：L為光纖長度，以km為單位；P1和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以mW或W為單位。）（1 . 3 /lg1021KmdBPPL 3.2.1 色散的概念 3.2.2

5、模式色散所謂模式色散，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速度不同所造成的時延差。3.2 光纖的色散特性 1. 階躍型光纖中的模式色散在階躍型光纖中，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和以臨界角c入射的光線，如圖3.6所示。因此，在階躍型光纖中最大色散是光線和光線到達終端的時延差。圖圖3.6 階躍型光纖的模式色散階躍型光纖的模式色散 2. 漸變型光纖中的模式色散在漸變型光纖中合理地設計光纖折射率分布，使光線在光纖中傳播時速度得到補償，從而模式色散引起的光脈沖展寬將很小。 3.2.3 材料色散一般情況下，材料色散往往是用色散系數(shù)這個物理量來衡量，色散系數(shù)定義

6、為單位波長間隔內各頻率成份通過單位長度光纖所產生的色散，用D()表示，單位是ps/（nmkm）。 2. 材料色散在已知材料色散系數(shù)的前提下，材料色散的表達式可根據(jù)色散系數(shù)的定義導出，材料色散用m表示。m()=Dm()L式(3-25)中：為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應的波長范圍；L是光纖的傳播長度。 3.2.4 波導色散式(3-23)中的第二項與波導的歸一化傳播常數(shù)b和波導的歸一化頻率V有關，而b和V又都是光纖折射率剖面結構參數(shù)的函數(shù)，所以式(3-23)中的第二項稱之為波導色散系數(shù)，用Dw()表示。）（ 26. 3 )(221dVVbdVCnDw 3.2.5 極化色散極化

7、色散也稱為偏振模色散，用p表示。從本質上講屬于模式色散，這里僅給出粗略的概念。單模光纖中可能同時存在LP01x和LP01y兩種基模，也可能只存在其中一種模式，并且可能由于激勵和邊界條件的隨機變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。當光纖中存在著雙折射現(xiàn)象時，兩個極化正交的LP01x和LP01y模傳播常數(shù)x和y不相等。對于弱導光纖，y和x之差可以近似地表示為： 式中：nx和ny分別為x方向和y方向的折射率。）（ 27. 3 xyxynnC 3.2.6 總色散光纖的總色散為：值得說明的是，單模光纖一般只給出色散系數(shù)D，其中包含了材料色散和波導色散的共同影響。多模光纖）（ 31. 3 )(22wmM單模光纖）（

8、 32. 3 wm 3.2.7 光纖的色散和帶寬對通信容量的影響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域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經過光纖傳輸后脈沖在時間坐標軸上展寬了多少；而帶寬特性是在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對于調制信號而言，光纖可以看作是一個低通濾波器，當調制信號的高頻分量通過光纖時，就會受到嚴重衰減，如圖3.12所示。圖圖3.12 光纖的帶寬光纖的帶寬(f為調制信號頻率為調制信號頻率)通常把調制信號經過光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時的頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降3dB對應的頻率，故也稱為3dB光帶寬?？捎檬?3-33)表示。

9、 ）（光光33. 3 30lg01dBPfPc光功率總是要用光電子器件來檢測，而光檢測器輸出的電流正比于被檢測的光功率，于是：從式(3-34)中可以看出，3dB光帶寬對應于6dB電帶寬。 ）（光光電電電電34. 3 60lg200lg200lg10dBPfPIfIPfPccc 1. 色散與帶寬的關系既然脈沖展寬、色散和帶寬描述著光纖的同一個特性，那么它們之間必然存在著一定的聯(lián)系。 2. 模式畸變帶寬和波長色散帶寬由于總色散包括模式色散、材料色散和波導色散，所以光纖的總帶寬也可表示為：式中：BM是由模式色散引起的模式畸變帶寬；Bc是由材料色散和波導色散引起的波長色散帶寬。）（ 47. 3 21

10、22cMTBBB波長色散帶寬定義為：式中：是光源的譜線寬度，單位是nm；L是光纖的長度，單位是km；D()是材料色散和波導色散的色散系數(shù)(即波長色散系數(shù))，單位是ps/(nmkm)，其中材料色散占主導地位。 ）（ 48. 3 441GHzLDBc 3. 鏈路總帶寬對通信容量的影響光纖鏈路總帶寬與光纖長度之間的關系要分光纖鏈路中間有無接頭。對于無接頭的一個制造長度的光纖總帶寬BT與其單位公里帶寬B的關系如下： BT=BL-式中：L是光纖的制造長度(km)，為帶寬距離指數(shù)，它的取值與光纖的剖面分布及模耦合狀態(tài)有關，一般在0.51.0之間(多模光纖取0.50.9，單模光纖1)。 3.3.1 光纜特性

11、 1. 拉力特性光纜能承受的最大拉力取決于加強構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100400kg范圍。3.3 成纜對光纖特性的影響 2. 壓力特性光纜能承受的最大側壓力取決于護套的材料和結構，多數(shù)光纜能承受的最大側壓力在100400kg/10cm。 3. 彎曲特性彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差以及光纜的材料和結構。 4. 溫度特性光纖本身具有良好的溫度特性。 3.3.2 成纜對光纖特性的影響 1. 成纜的附加損耗不良的成纜工藝，把光纖制成光纜后，會帶來附加損耗，稱之為成纜損耗。 2. 成纜可以改善光纖的溫度特性套塑光纖或帶有表面涂層的光纖，它的損耗隨溫度

12、變化如圖3.14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，溫度特性會得到相當大的改善，如圖3.14中的實線所示。 3. 機械強度增加這一點是很顯然的。一般光纖的斷點強度約為15kg，而由于光纜結構中加入了加強構件、護套、甚至鎧裝層等，因此其斷點強度遠大于上述值；不僅如此，光纜的抗側壓、抗沖擊和抗扭曲性能都有明顯增強。目前，ITU-T(國際電信聯(lián)盟電信標準化機構)分別對G.651光纖、G.652光纖、G.653光纖、G.654光纖、G.655光纖的主要參數(shù)特性進行了標準化。G.651光纖稱為漸變型多模光纖，這種光纖在光纖通信發(fā)展初期廣泛應用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)中。3.

13、4 典型光纖參數(shù)G.652光纖稱為常規(guī)單模光纖，其特點是在波長1.31m處色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離一般只受損耗的限制。G.653光纖稱為色散位移光纖，其特點是在波長1.55m處色散為零，損耗又最小。G.654光纖稱為截止波長光纖，其特點是在波長1.31m處色散為零，在1.55m處色散為1720ps/nmkm，和G.652光纖相同。G.655光纖稱為非零色散位移光纖，是一種改進的色散位移光纖。表 3.1傳輸光纖的參數(shù)指標光纖類型多模漸變型G.651 光纖常規(guī)單模G.652 光纖色散位移G.653 光纖截止波長G.654 光纖非零色散位移光纖G.655纖芯直徑（ m）506%包層直徑（ m）1252.4%纖芯不圓度（%）6包層不圓度（%）22222同芯誤差（%）6幾何尺寸模場同心誤差（%）1111折射率分布近似拋物線數(shù)值孔徑（0.180.24）0.02模場直徑（ m）（910）10%（78.3）10%10.510%8112m 光纖截止波長C（ m）11001280待研究135016001470光學特性22m 光纜截止波長CC（ m）1