第2章光纖和光纜-3

上式右邊第一項(xiàng)為材料色散式中，λ的單位為nm。當(dāng)λ=1273nm時(shí)，M2(λ)=0。式(2.52)第二項(xiàng)為波導(dǎo)色散，其中δ=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)δ=0時(shí)，相應(yīng)于常規(guī)單模光纖。含V項(xiàng)的近似經(jīng)驗(yàn)公式為經(jīng)簡化，得到單位長度的單模光纖色散系數(shù)為(2.52)其值由實(shí)驗(yàn)確定。SiO2材料M2(λ)的近似經(jīng)驗(yàn)公式為圖2.13不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的C(λ)示于圖2.13，圖中曲線相應(yīng)于零色散波長在1.31μm的常規(guī)單模光纖，零色散波長移位到1.55μm的色散移位光纖，和在1.3~1.6μm色散變化很小的色散平坦光纖，這些光纖的結(jié)構(gòu)見圖2.2(c)和圖2.3(a)。式中，λ0為中心波長。利用σλ<<λ0，可以把時(shí)間延遲τ(λ)展開為泰勒級數(shù)τ(λ)=τ0+(λ-λ0)C0+(λ-λ0)2C′0/2(2.54)式中，τ0=τ(λ0)，C0=C(λ0)，C′0=。

光源的影響

存在色散［C(λ)≠0］的條件下，光源對光纖脈沖展寬的影響可以分為三種情況。

多色光源：設(shè)Δωλ(光源頻譜寬度)>>Δωs(調(diào)制帶寬)，且光譜不受調(diào)制的影響。這相當(dāng)于多縱模半導(dǎo)體激光器的情況。考慮rms譜線寬度為σλ的高斯型光源，其功率譜密度為(2.53)把rms脈沖寬度為σ1的高斯型光脈沖(用功率表示)輸入長度為L的單模光纖，在中心波長λ0遠(yuǎn)離零色散波長λd，即|λ0-λd|>>σλ/2的條件下，輸出光脈沖仍保持高斯型，設(shè)其rms脈沖寬度為σ2，由式(2.54)、式(2.53)和式(2.48)得到作為一級近似，σ≈|C0|Lσλ。由式(2.47)可以計(jì)算出3dB光帶寬，圖2.14示出常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系。(2.55b)由長度為L的單模光纖色度色散產(chǎn)生的脈沖展寬為σ22=σ21+(C0Ｌσλ)2+(2.55a)圖2.14常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系上式右邊第二項(xiàng)為光纖產(chǎn)生的脈沖展寬。和多色光源不同，單色光源脈沖展寬與輸入脈沖寬度σ1有關(guān)。根據(jù)式(2.56a)，可以選取使輸出脈沖寬度σ2最小的最佳輸入脈沖寬度σ1

單色光源：設(shè)Δωλ(光源頻譜寬度)<<Δωs(調(diào)制帶寬)且中心波長不受調(diào)制的影響。這相當(dāng)于鎖模激光器和穩(wěn)定的單頻激光器。在長度為L的單模光纖上，輸入和輸出的光脈沖都是高斯型，其rms脈沖寬度分別為σ1和σ2，經(jīng)計(jì)算得到(2.56a)(2.56b)由此得到最佳輸出脈沖寬度(σ2)最佳=(2.56c)

中等譜寬：設(shè)光源的頻譜寬度Δωλ和調(diào)制帶寬Δωs相近(Δωλ≈Δωs)，這相當(dāng)于頻譜寬度較大的單縱模激光器。在這種情況下，式中，ω為光源的rms頻譜寬度(用角頻率表示)。同樣可以選取使σ2最小的最佳σ1。(2.57)式中，nx和ny分別為x-和y-方向的等效折射率。偏振模色散本質(zhì)上是模式色散，由于模式耦合是隨機(jī)的，因而它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。目前雖沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但一般要求偏振模色散小于0.5ps/km。由于存在偏振模色散，即使在色度色散C(λ)=0的波長，帶寬也不是無限大，見圖2.14。

偏振模色散：實(shí)際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個(gè)偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時(shí)間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。

偏振模色散Δτ取決于光纖的雙折射，由Δβ=βx-βy≈nxk-nyk得到，(2.58)(2.61a)

2.3.2光纖損耗

損耗的存在光信號幅度減小限制系統(tǒng)的傳輸距離。在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示習(xí)慣上α的單位用dB/km，由式(2.60)得到損耗系數(shù)Po=Piexp(-αL)(2.60)設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)式(2.59)，輸出光功率應(yīng)為式中，α是損耗系數(shù)。(2.59)

1.損耗的機(jī)理圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。

吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。

散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。

瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。圖2.15單模光纖損耗譜，示出各種損耗機(jī)理2.實(shí)用光纖的損耗譜根據(jù)以上分析和經(jīng)驗(yàn)，光纖總損耗α與波長λ的關(guān)系可以表示為α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A為瑞利散射系數(shù)，B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗。由圖2.16看到：從多模突變型(SIF)、漸變型(GIF)光纖到單模(SMF)光纖，損耗依次減小。從色散的討論中看到：從多模SIF、GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(帶寬依次增大)。

單模石英光纖的零色散波長在1.31μm，還可以把零色散波長從1.31μm移到1.55μm，實(shí)現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。正因?yàn)檫@些特性，使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長(0.85μm)“窗口”發(fā)展到長波長(1.31μm和1.55μm)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。圖2.16光纖損耗譜(a)三種實(shí)用光纖；(b)優(yōu)質(zhì)單模光纖2.3.3光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用

G.651多模漸變型(GIF)光纖應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。

G.652常規(guī)單模光纖是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.31μm色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。

G.653色散移位光纖是第二代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.55μm色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。

G.6541.55μm損耗最小的單模光纖其特點(diǎn)是在波長1.31μm色散為零，在1.55μm色散為17~20ps/(nm·km)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.20dB/km以下。

色散補(bǔ)償光纖其特點(diǎn)是在波長1.55μm具有大的負(fù)色散。

G.655非零色散光纖是一種改進(jìn)的色散移位光纖。表2.3光纖特性的標(biāo)準(zhǔn)2.4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，要立即用軟塑料進(jìn)行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖，并對成品光纖用硬塑料進(jìn)行二次被覆。二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀線光纖四種，見圖2.18。

應(yīng)力篩選條件直接影響光纖的使用壽命。設(shè)對光纖進(jìn)行拉伸應(yīng)力篩選時(shí)，施加的應(yīng)力為σp，作用時(shí)間為tp(設(shè)為1s)；長期使用時(shí)，容許施加的應(yīng)力為σr，作用時(shí)間為tr，斷裂概率為106km一個(gè)斷裂點(diǎn)。理論推算得到的容許作用時(shí)間(光纖使用壽命)tr和應(yīng)力比σr/σp的關(guān)系示于圖2.17。圖2.17光纖使用壽命和應(yīng)力比的關(guān)系

圖2.18二次被覆光纖(芯線)簡圖(a)緊套；(b)松套；(c)大套管；(d)帶狀線

2.4.2光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有鎧裝。

1.纜芯纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強(qiáng)件兩部分。

被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。

加強(qiáng)件起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時(shí)配置在護(hù)套中。圖2.20光纜類型的典型實(shí)例(a)6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b)12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c)12芯骨架式光纜(直埋)；(d)6~48芯束管式光纜(直埋)；(e)108芯帶狀光纜；(f)LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g)淺海光纜；(h)架空地線復(fù)合光纜(OPGW)光纜的基本型式層絞式

把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。骨架式

把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。

中心束管式

把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)件配置在套管周圍而構(gòu)成。帶狀式

把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。

2.護(hù)套

護(hù)套起著對纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)成。

根據(jù)使用條件光纜可以分為：

室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的架空地線復(fù)合光纜(OPGW)，跨越海洋的海底光纜，易燃易爆環(huán)境使用的阻燃光纜以及各種不同條件下使用的軍用光纜等。

2.4.3光纜特性拉力特性壓力特性彎曲特性溫度特性2.5光纖特性測量方法光纖的特性參數(shù)很多，基本上可分為幾何特性、光學(xué)特性和傳輸特性三類。

幾何特性包括纖芯與包層的直徑、偏心度和不圓度；

光學(xué)特性主要有折射率分布、數(shù)值孔徑、模場直徑和截止波長；

傳輸特性主要有損耗、帶寬和色散。

損耗測量光纖損耗測量有兩種基本方法：一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。

帶寬測量光纖帶寬測量有時(shí)域和頻域兩種基本方法。

時(shí)域法是測量通過光纖的光脈沖產(chǎn)生的脈沖展寬，又稱脈沖法；

頻域法是測量通過光纖的頻率響應(yīng)，又稱掃頻法。

色散測量光纖色散測量有相移法、脈沖時(shí)延法和干涉法等。

截止波長測量