第2章 光纖通信傳輸介質

1第2章光纖通信傳輸介質

2.1光纖結構和類型2.2光纖傳光原理2.3光纖傳輸特性2.4光纖種類2.5光纖制造工藝2光纖是通信網(wǎng)絡的優(yōu)良傳輸介質，尤其以石英SiO2光纖得到的應用最為廣泛。和電纜相比，光纖具有信息傳輸容量大，中繼距離長，不受電磁場干擾，保密性能好和使用輕便等優(yōu)點。隨著技術的進步，光纖價格逐年下降，應用范圍不斷擴展。光纖通信在高速率長距離干線網(wǎng)和用戶接入網(wǎng)方面的發(fā)展?jié)摿Χ己艽蟆楸ＷC光纖性能穩(wěn)定，系統(tǒng)運行可靠，必須根據(jù)實際使用環(huán)境設計各種結構的光纖和光纜。本章從應用的觀點概述光纖的傳光原理、光纖和光纜的類型和特性，以供設計光纖系統(tǒng)時選擇。光纖和光纜3光纖由玻璃（石英SiO2）制成的纖芯和包層組成，為了保護光纖，包層外面還增加尼龍外層。實際光纖通信系統(tǒng)使用的光纖都是包在光纜內；光纜有許多光纖組成，光纖外面是松套管，松套管內是填充物。光纜的中心是一條增加強度用的鋼絲，最外面是保護用的護套。2.1光纖結構和類型4光纖結構纖芯折射率n1比包層折射率n2大。纖芯材料主要成分為摻雜的二氧化硅（SiO2），純度達99.999%，其余成分為極少量的摻雜劑如二氧化鍺（GeO2）等，以提高纖芯的折射率。纖芯直徑2a為8~100m。包層材料一般也為SiO2，外徑2b為125m，其作用是把光強限制在纖芯內。為了增強光纖的柔韌性、機械強度和耐老化特性，還在包層外增加一層涂覆層，其主要成分是環(huán)氧樹脂和硅橡膠等高分子材料。光在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射而被限制在纖芯內傳播，包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。52.1光纖類型

光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質波導;根據(jù)光纖橫截面上折射率的徑向分布情況，光纖分為階躍型和漸變型兩種;作為信息傳輸波導，實用光纖有兩種基本類型，它們是多模光纖和單模光纖。62.1.1多模光纖可以傳播數(shù)百到上千個模式的光纖，稱為多模光纖。根據(jù)折射率在纖芯和包層的徑向分布情況，又可分為階躍多模光纖和漸變多模光纖。7光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質波導階躍(SI)多模光纖折射率n1在纖芯保持不變，到包層突然變?yōu)閚2

階躍多模光纖結構計算機與信息工程學院

8漸變(GI)多模光纖折射率不像階躍多模光纖是個常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2漸變多模光纖9圖3.1.3多模光纖和單模光纖的比較102.2光纖傳光原理從光線理論考慮，光纖傳光原理是基于光的反射和折射，所以我們首先回憶一下光的反射和折射。計算機與信息工程學院

112.2.1光的反射和折射圖2.2.1光的反射和折射a）入射光、反射光和折射光

b）插入水中的筷子變得向上彎曲了計算機與信息工程學院

12光的反射和折射光在同一種物質中傳播時，光是直線傳播的。但是光波從折射率較大的介質入射到折射率較小的介質時，在一定的入射角度范圍內，光在邊界會發(fā)生反射和折射，如圖2.2.1a所示。入射光與法平面的夾角i叫入射角，反射光與法平面的夾角r

叫反射角，折射光與法平面的夾角t

t

叫折射角。把筷子傾斜地插入水中，可以看到筷子與水面的相交處發(fā)生彎折，原來的一根直直的筷子似乎變得向上彎了。這就是光的折射現(xiàn)象，如圖2.2.1b所示。因為水的折射率要比空氣的大，所以折射角t要比入射角i大，所以我們看到水中的筷子向上翹起來了。計算機與信息工程學院

13

圖2.2.2由于光線在界面的反射和折射，在水下不同位置的潛水員看到的景色是不一樣的水下的潛水員在某些位置可以看到岸上的人，如圖2.2.2入射角為i1的情況，但是當他離開岸邊向遠處移動時，當入射角i2等于或大于某一角度c時，他就感到晃眼，什么也看不見，此時的入射角c我們就叫臨界角。計算機與信息工程學院

14光纖波導傳輸光的原理---臨界角計算機與信息工程學院

15i

<c的光線將有部分光能進入包層泄漏出去,如圖2.2.2(a)所示。當i=c時，光線在波導內以c入射到纖芯與包層交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為t)，如圖2.2.2(b)所示。當入射角超過臨界角（i>c

）時，沒有透射光，只有反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射(TIR，TotalInternalReflection),如圖2.2.2(c)所示，這就是多模光纖波導傳輸光的原理。圖2.2.3光波從折射率較大的介質以三種不同的入射角進入折射率較小的介質,出現(xiàn)三種不同的情況計算機與信息工程學院

16漸變多模光纖階躍多模光纖的主要缺點是存在大的模間色散，光纖帶寬很窄；而單模光纖沒有模間色散，只有模內色散，所以帶寬很寬。但是隨之出現(xiàn)的問題是，因單模光纖芯徑很小，所以把光耦合進光纖很困難。那么是不是制造一種光纖，既沒有模間色散，帶寬較寬，芯徑較大，又使光耦合容易，我們說這就是如圖2.1.1b所示的漸變折射率多模光纖，簡稱漸變多模光纖。

172.2.2光纖傳光原理以漸變（GI）多模光纖為例，進一步傳光原理。漸變（GI）多模光纖折射率不像階躍多模光纖是個常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)椋鐖D2.1.2b所示。這樣的折射率分布可使光纖內的光線同時到達終點，其理由是，雖然各模光線以不同的路徑在纖芯內傳輸，但是因為這種光纖的纖芯折射率不再是一個常數(shù)，所以各模的傳輸速度也互不相同。沿光纖軸線傳輸?shù)墓饩€速度最慢（因折射率n最大，所以速度c/n最慢）；光線3到達末端傳輸?shù)木嚯x最長，但是它的傳輸速度最快（因n最小，所以速度c/n最快），這樣到達終點所需的時間幾乎相同。計算機與信息工程學院

18圖2.2.4漸變（GI）多模光纖內光線傳輸路徑不同但同時到達終點說明

漸變多模光纖折射率n1不像階躍多模光纖是個常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。雖然各模光線以不同的路經在纖芯內傳輸，但是這種光纖的纖芯折射率不再是一個常數(shù)，所以各模的傳輸速度也互不相同。沿光纖軸線傳輸?shù)墓饩€速度最慢，因折射率最大；越遠離軸線，到達終點傳輸?shù)木嚯x越長，但傳輸速度越快，這樣到達終點所需的時間幾乎相同，輸出脈沖展寬不大。計算機與信息工程學院

19漸變多模光纖---色散較小漸變(GI,GradedIndex)多模光纖折射率n1不像階躍多模光纖是個常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。這樣的折射率分布可使模間色散降低到最小。色散較小的理由：雖然各模光線以不同的路經在纖芯內傳輸，但是這種光纖的纖芯折射率不再是一個常數(shù)，所以各模的傳輸速度也互不相同。沿光纖軸線傳輸?shù)墓饩€速度最慢，因折射率最大；越遠離軸線，到達終點傳輸?shù)木嚯x越長，但傳輸速度越快，這樣到達終點所需的時間幾乎相同，輸出脈沖展寬不大。計算機與信息工程學院

20單模光纖---色散最小只能傳播一個模式的光纖稱為單模光纖；標準單模光纖折射率分布和階躍型光纖相似，只是纖芯直徑比多模光纖小得多，模場直徑只有（9~10）m；光線沿軸線直線傳播,色散使輸出脈沖信號展寬最小。計算機與信息工程學院

21從電磁波理論解釋光纖傳光原理本質上，光是一種電磁波，一種密切相關的電場和磁場交替變化形成的偏振橫波，它是電波和磁波的結合，由麥克斯韋于1867年證實。光的傳播就是通過電場、磁場的狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律表現(xiàn)出來。麥克斯韋把這種變化列成了數(shù)學方程，后來人們就叫它為麥克斯韋波動方程，這種統(tǒng)一電磁波的理論獲得了極大的成功。同樣用它也完美地解釋了光波在光纖中的傳輸。計算機與信息工程學院

222.3光纖傳輸特性2.3.1衰減2.3.2色散2.3.3光纖帶寬2.34光纖比特率計算機與信息工程學院

23圖2.3.1光纖傳輸線的各種損耗

光纖是熔融SiO2制成的，光信號在光纖中傳輸時，由于吸收、散射和波導缺陷等機理產生功率損耗，從而引起衰減。吸收損耗有純SiO2材料引起的內部吸收和雜質引起的外部吸收。內部吸收是由于構成SiO2的離子晶格在光波（電磁波）的作用下發(fā)生振動損失的能量。外部吸收主要由OH離子雜質引起。散射損耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纖制造過程中材料密度的不均勻（造成折射率不均勻）產生的。計算機與信息工程學院

24瑞利（1877~1919）瑞利散射發(fā)明家1904年獲得諾貝爾獎計算機與信息工程學院

25率減系數(shù)計算機與信息工程學院

26圖2.3.2典型光纖衰減譜計算機與信息工程學院

272.3.2色散各模群速度不等引起脈沖展寬色散種類：

模式色散 色度色散 高階色散 偏振模色散計算機與信息工程學院

28三角棱鏡分光就是色散現(xiàn)象1666年，英國物理學家牛頓做了一次非常著名的實驗，他用三角棱鏡將太陽白光分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的七色彩帶，如圖2.3.3a所示。色散是日常生活中經常會碰到的一種物理現(xiàn)象。一束白光通過一塊玻璃三角棱鏡時，在棱鏡的另一側被散開，變成五顏六色的光帶。在光學中稱這種現(xiàn)象為色散。計算機與信息工程學院

29太陽光通過棱鏡因色散產生

彩色光帶為什么會產生這種現(xiàn)象呢？原因很簡單，白光本身就是由不同顏色的光組成，也就是說由不同波長的光組成，如紅光波長最長是620~760nm，紫光波長最短是400～435nm。各單色光的偏折角sin

r=sin

r/n也不同。其中，紫光在玻璃中的折射率在這七色中最大（n紫光=1.532），而紅光則最?。╪紅光=1.513），所以紫光在玻璃中的折射角r紫最小，因此紫光就位于光譜的下端；紅光的折射角r紅最大，因此紅光位于光譜的上端，如圖3.4.1（a）所示。橙、黃、綠、青、藍等色光，按波長的長短，依次排列在紅光和紫光之間。棱鏡就是這樣把白光分解成七色光譜的。計算機與信息工程學院

30光纖中的色散起因及其限制當光信號通過光纖時，也要產生色散現(xiàn)象。色散是由于不同成分的光信號在光纖中傳輸時，因傳輸?shù)娜核俣炔煌a生不同的時間延遲而引起的一種物理效應。光信號分量包括發(fā)送信號調制和光源譜寬中的頻率分量，以及光纖中的不同模式分量。如果信號是模擬調制，色散限制了帶寬；如果信號是數(shù)字脈沖，色散使脈沖展寬，產生碼間干擾，從而限制了光纖通信系統(tǒng)的傳輸速率和容量。計算機與信息工程學院

31光纖中的光速

要比真空中的光速慢n倍在光纖中的光速v=c/n，折射率為n光纖波導中的光速要比真空中的光速慢n倍。玻璃的n=1.5，因而在光纖中的光速度要比在真空中的慢33%。計算機與信息工程學院

32光纖色散種類模式色散色度色散偏振模色散。

色度色散又分為材料色散和波導色散。對于多模光纖，模式色散是主要的，材料色散相對較小，波導色散一般可以忽略。對于單模光纖，由于只有一個模式在光纖中傳輸，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，波導色散相對較小。對于制造良好的單模光纖，偏振模色散最小。計算機與信息工程學院

33模式色散是由于在多模光纖中，不同模式的光信號在光纖中傳輸?shù)娜核俣炔煌?，引起到達光纖末端的時間延遲不同，經光電探測后各模式混合使輸出光生電流脈沖相對于輸入脈沖展寬圖2.3.4多模光纖模式色散計算機與信息工程學院

34模式色散引起的脈沖展寬計算機與信息工程學院

35色度色散（或色散）色度色散是由于不同波長（顏色）的光以不同的速度在光纖中傳輸引起不同的時間延遲而產生的。色度色散又分為材料色散和波導色散，常簡稱為色散。計算機與信息工程學院

36光脈沖經光纖傳輸后使輸出脈沖展寬計算機與信息工程學院

37色散對光纖所能傳輸?shù)淖畲蟊忍厮俾蔅的影響可利用相鄰脈沖間不產生重疊的原則來確定例題：n1=1.486,n2=1.472,僅考慮模式色散，計算階躍折射率多模光纖沒km的脈沖展寬。計算機與信息工程學院

38計算機與信息工程學院

392.3.3光纖帶寬由于光纖色散，光脈沖經光纖傳輸后使輸出脈沖展寬，從而影響到光纖的帶寬。光纖帶寬用f3dB,op表示，它對應光纖傳輸特性曲線縱坐標從1下降1/2或3dB的頻率。計算機與信息工程學院

401．光纖帶寬圖2.3.5（a）表示傳輸模擬信號的光纖線路，圖2.3.5（b）表示頻率為f

的光纖輸入和輸出光信號，圖2.3.5（c）表示光纖的傳輸特性及由于光纖色散使輸出光帶寬減小的情況。

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413dB光帶寬計算機與信息工程學院

422.光纜段總帶寬例題：計算上例題中的帶寬。計算機與信息工程學院

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442.3.4光纖比特率在數(shù)字通信中，沿光纖傳輸?shù)耐ǔＪ谴硇畔⒌墓饷}沖。在發(fā)射端，信息首先被轉變成脈沖形式的電信號，如圖2.3.5所示，代表信息的數(shù)字比特脈沖通常都很窄。電脈沖驅動光發(fā)射機（如LD）使其在二進制“1”碼時發(fā)光，“0”碼時不發(fā)光。光纖能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)字速率。這個速率稱為光纖的比特率容量B（bit/s），它直接與光纖的色散特性有關。計算機與信息工程學院

45圖2.3.6數(shù)字光纖系統(tǒng)和光纖色散

使輸出脈沖展寬為了把兩個連續(xù)的輸出脈沖分開，即碼間不要互相干擾，要求它們峰-峰間的時間間隔至少為21/2。為此，我們最好是每隔21/2秒在輸入端輸入一個脈沖。計算機與信息工程學院

46圖2.3.6最大比特速率由色散引起的脈沖展寬決定計算機與信息工程學院

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色散對光纖所能傳輸?shù)淖畲蟊忍厮俾蔅的影響可利用相鄰脈沖間不產生重疊的原則來確定計算機與信息工程學院

48 2.4光纖種類

2.4.1多模光纖和單模光纖單模光纖當光纖的芯徑很小時，光纖只允許與光纖軸線一致的光線通過，即只允許通過一個基模。只能傳播一個模式的光纖稱為單模光纖。標準單模（SM）光纖折射率分布和階躍型光纖相似，只是纖芯直徑比多模光纖小得多，模場直徑只有9~10m，光線沿軸線直線傳播，傳播速度最快，色散使輸出脈沖信號展寬最小。計算機與信息工程學院

49多模光纖可以傳播數(shù)百到上千個模式的光纖，稱為多模光纖。根據(jù)折射率在纖芯和包層的徑向分布情況，又可分為階躍多模光纖和漸變多模光纖。計算機與信息工程學院

50圖2.4.1多模光纖和單模光纖傳播速度的差異多模光纖和單模光纖傳播速度的差異可以用圖2.4.1形象的表示，三種汽車各有不同的外形和速度，代表不同的模式。計算機與信息工程學院

512.4.2單模光纖種類事實上，為調整工作波長或改變色散特性，可以設計出各種結構復雜的單模光纖。已經開發(fā)的有色散移位光纖、非零色散移位光纖、色散補償光纖，以及在1.55m衰減最小的光纖等。計算機與信息工程學院

52表2.4.1階躍多模光纖、漸變多模光纖和

階躍單模光纖的特性比較計算機與信息工程學院

53單模光纖的進展和應用

自從1970年美國貝爾實驗室，根據(jù)英籍華人高錕提出的利用光導纖維可以通信的理論，成功地試制出用于通信的光纖以來，光纖光纜得到迅速的發(fā)展。40年來，光纖光纜的新產品層出不窮，而且得到通信業(yè)的廣泛應用?，F(xiàn)就人們目前常用的幾種光纖和今后將廣泛使用的新光纖的性能做一個介紹。計算機與信息工程學院

54單模光纖的種類G.651標準多模光纖G.652標準單模光纖G.653色散移位光纖G.654衰減最小光纖G.655非零色散光纖G.656寬帶全波光纖

G.657接入網(wǎng)用光纖

色散補償光纖計算機與信息工程學院

552.4.1G.652標準單模光纖

標準單模光纖是指零色散波長在1.3m窗口的單模光纖，國際電信聯(lián)盟(ITU-T)把這種光纖規(guī)范為G.652光纖。這屬于第一代單模光纖。其特點是當工作波長在1.3m時，光纖色散很小，系統(tǒng)的傳輸距離只受一個因素，即光纖衰減所限制。計算機與信息工程學院

56G.652光纖在1.3m波段的損耗較大，約為0.3~0.4dB/km；在1.55m波段的損耗較小，約為0.2~0.25dB/km。色散在1.3m波段為3.5ps/nmkm，在1.55m波段較大，約為20ps/nmkm。這種光纖可支持用于在1.55m波段的2.5Gb/s的干線系統(tǒng)，但由于色散較大，若傳輸10Gb/s的信號，傳輸距離超過50km時，就要求使用價格昂貴的色散補償模塊。另外,使用它增加了線路損耗，縮短了中繼距離，所以不適用于DWDM系統(tǒng)。G.652標準單模光纖計算機與信息工程學院

57G.653色散移位光纖G.652光纖的最大缺點是低衰減和零色散不在同一工作波長上，為此，在80年代中期，開發(fā)成功了一種把零色散波長從1.3m移到1.55m的色散移位光纖(DSF,Dispersion-ShiftedFiber)。ITU把這種光纖的規(guī)范為G.653。這屬于第二代單模光纖。計算機與信息工程學院

58圖2.4.2標準光纖、色散移位光纖、非零色散移位光纖、色散平坦光纖和色散補償光纖的色散特性計算機與信息工程學院

59由色散移位光纖到非零色散光纖色散移位光纖在1.55m色散為零，不利于多信道的WDM傳輸，因為當復用的信道數(shù)較多時，信道間距較小，這時就會發(fā)生一種稱為的非線性光學效應，這種效應使兩個或三個傳輸波長混合，產生新的、有害的頻率分量，導致信道間發(fā)生串擾。如果光纖線路的色散為零，F(xiàn)WM的干擾就會十分嚴重；如果有微量色散，F(xiàn)WM干擾反而還會減小。針對這一現(xiàn)象，科學家們研制了一種新型光纖，即非零色散光纖(NZ-DSF)。計算機與信息工程學院

60G.654衰減最小光纖為了滿足海底光纜長距離通信的需求，科學家們開發(fā)了一種應用于1.55m波長的純石英芯單模光纖。在1.55m波長附近衰減最小，僅為0.151dB/km。在1.3m波長區(qū)域色散為零，但在1.55m波長區(qū)域色散較大，約為17~20ps/(nmkm)。ITU把這種光纖規(guī)范為G.654光纖。計算機與信息工程學院

61G.655非零色散光纖非零色散光纖實質上是一種改進的色散移位光纖。其零色散波長不在1.55m，而是在1.525m或1.585m處。在光纖制作過程中，適當控制摻雜劑的量，使它大到足以抑制高密度波分復用系統(tǒng)中的四波混頻，小到足以允許單信道數(shù)據(jù)速率達到10Gb/s，而不需要色散補償。計算機與信息工程學院

62G.655非零色散光纖消除了色散效應和四波混頻效應；而標準光纖和色散移位光纖都只能克服這兩種缺陷中的一種；所以非零色散光纖綜合了標準光纖和色散移位光纖最好的傳輸特性，既能用于新的陸上網(wǎng)絡，又可對現(xiàn)有系統(tǒng)進行升級改造，它特別適合于高密度WDM系統(tǒng)的傳輸，所以非零色散光纖是新一代光纖通信系統(tǒng)的最佳傳輸介質。計算機與信息工程學院

63G.656寬帶全波光纖

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64G.656寬帶全波光纖

為了將DWDM系統(tǒng)應用于城域網(wǎng)，僅使用現(xiàn)有的波段還是不夠的，為此光纖制造商在1380nm波長附近，把OH離子濃度降到了10-8以下，消除了（1360~1460）nm波段的損耗峰，使該波段的損耗也降低到0.3dB/km左右，可應用于光纖通信，而且色散值也小，所以在相同比特率下傳輸?shù)木嚯x更長。該波段就是E波段(Extendedwavelengthband)，它位于O波段和S波段之間。全波光纖，顧名思義，就是在光纖的整個波段，從1280nm開始到1675nm