光纤和光缆36801.pptx

第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆光光纤是一种玻璃是一种玻璃丝，其材料是石英（，其材料是石英（SiO2），是），是通信网通信网络的的优良良传输介介质，得到广泛的，得到广泛的应用。用。和和电缆相比，光相比，光纤具有信息具有信息传输容量大，中容量大，中继距距离离长，不受，不受电磁磁场干干扰，保密性能好和使用，保密性能好和使用轻便便等等优点。点。随着技随着技术的的进步，光步，光纤价格逐年下降，价格逐年下降，应用范用范围不断不断扩展。光展。光纤通信在高速率通信在高速率长距离干距离干线网和用网和用户接入网方面的接入网方面的发展潜力都很大。展潜力都很大。为保保证光光纤性能性能稳定，系定，系统运行可靠，必运行可靠，必须根据根据实际使用使用环境境设计各种各种结构的光构的光纤和光和光缆。本章从本章从应用的用的观点概述光点概述光纤的的传光原理、光光原理、光纤和和光光缆的的类型和特性，以供型和特性，以供设计光光纤系系统时选择。2.1 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导的同轴圆柱形电介质波导;根据光纤横截面上折射率的径向分布情根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型两种况，光纤分为阶跃型和渐变型两种;作为信息传输波导，实用光纤有两种基作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，它们是多模光纤和单模光纤。本类型，它们是多模光纤和单模光纤。光纤是一种光纤是一种纤芯折射率纤芯折射率比包层折射比包层折射率高的同轴率高的同轴圆柱形电介圆柱形电介质波导质波导阶跃阶跃(SI，StepIndex)多模光纤折多模光纤折射率射率n1在纤在纤芯保持不变，芯保持不变，到包层突然到包层突然变为变为n2阶跃多模光多模光纤结构构渐变渐变(GI,GradedIndex)多模多模光纤折射率光纤折射率不像阶跃多不像阶跃多模光纤是个模光纤是个常数，而是常数，而是在纤芯中心在纤芯中心最大，沿径最大，沿径向往外按抛向往外按抛物线形状逐物线形状逐渐变小，直渐变小，直到包层变为到包层变为n2渐变多模光多模光纤图2.1.1实用光用光纤三种基本三种基本类型型光纤拉丝装置 在鼓上的光纤光光纤结构构纤芯材料主要成分为掺杂的纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，含量达，含量达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如，其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等，等，以提高纤芯的折射率。以提高纤芯的折射率。纤芯直径约为纤芯直径约为8 m100 m。包层材料一般也为包层材料一般也为SiO2，外径为，外径为125 m，作用是，作用是把光强限制在纤芯中。把光强限制在纤芯中。为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在纤芯传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离纤芯传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离,并起一定的机械保护作用。并起一定的机械保护作用。2.1.1 2.1.1 多模光纤多模光纤可以传播数百到上千可以传播数百到上千个模式的光纤，称为个模式的光纤，称为多模多模(MM,Multimode)光纤。光纤。根据折射率在纤芯和根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。纤和渐变多模光纤。多模光纤的多模光纤的模间色散模间色散代代表表各各模模的的光光线线以以不不同同的的路路经经在在纤纤芯芯内内传传输输，在在传传输输速速度度相相同同的的情情况况下下(均均为为c/n1,c是是自自由由空空间间光光速速)，到到达达终终点点所需的时间也不同。所需的时间也不同。光光线线经经接接收收机机内内的的光光电电探探测测器器变变成成各各自自的的光光电电流流，这这些些光光电电流流在在时时域域内内叠叠加加后后，从从而而使使输输出出脉脉冲冲相相对对于于输输入入脉脉冲展宽了。冲展宽了。渐变多模光多模光纤（GI）性能介于性能介于SI光光纤和和单模光模光纤之之间阶阶跃跃（SI）多多模模光光纤纤的的主主要要缺缺点点是是存存在在大大的的模模间色散，光纤带宽很窄；间色散，光纤带宽很窄；而而单单模模光光纤纤没没有有模模间间色色散散，只只有有模模内内色色散散，所所以带宽很宽。以带宽很宽。但但是是随随之之出出现现的的问问题题是是，因因单单模模光光纤纤芯芯径径很很小小，所以把光耦合进光纤很困难。所以把光耦合进光纤很困难。那那么么能能否否制制造造一一种种光光纤纤，既既没没有有模模间间色色散散，带带宽宽较较宽宽，芯芯径径较较大大，又又使使光光耦耦合合容容易易，这这就就是是渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。渐变多模光多模光纤-色散色散较小小渐渐变变(GI,GradedIndex)多多模模光光纤纤折折射射率率n1不不像像阶阶跃跃多多模模光光纤纤是是个个常常数数，而而是是在在纤纤芯芯中中心心最最大大，沿沿径径向向往往外外按按抛抛物物线线形形状状逐逐渐渐变变小小，直直到到包包层层变为变为n2。这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。色色散散较较小小的的理理由由：虽虽然然各各模模光光线线以以不不同同的的路路经经在在纤纤芯芯内内传传输输，但但是是这这种种光光纤纤的的纤纤芯芯折折射射率率不不再再是是一一个个常常数数，所所以以各各模模的的传传输输速速度度也也互互不不相相同同。沿沿光光纤纤轴轴线线传传输输的的光光线线速速度度最最慢慢，因因折折射射率率最最大大；越越远远离离轴轴线线，到到达达终终点点传传输输的的距距离离越越长长，但但传传输输速速度度越越快快，这这样样到到达达终终点点所所需需的的时时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。间几乎相同，输出脉冲展宽不大。2.1.2单模光纤单模光纤-色散最小色散最小只能传播一个模式的光纤称为单模光纤只能传播一个模式的光纤称为单模光纤标标准准单单模模(SM,SingleMode)光光纤纤折折射射率率分分布布和和阶阶跃跃型型光光纤纤相相似似，只只是是纤纤芯芯直直径径比比多多模模光光纤纤小小得多，模场直径只有（得多，模场直径只有（910）m光光线线沿沿轴轴线线直直线线传传播播,色色散散使使输输出出脉脉冲冲信信号号展展宽最小。宽最小。单模光模光纤结构构表表2.1.1阶跃多模光纤、渐变多模阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性比较光纤和阶跃单模光纤的特性比较为为调调整整工工作作波波长长或或色色散散特特性性，改改变变折折射射率率分分布布，可可以以设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：多模光纤多模光纤(G.651)普通单模光纤普通单模光纤(G.652)色散移位光纤色散移位光纤(G.653)非零色散移位光纤（非零色散移位光纤（G.655）色散补偿光纤色散补偿光纤在在1.55 m衰减最小的光纤（衰减最小的光纤（G.654）全波光纤。全波光纤。光光纤纤种种类类2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.2.1斯奈尔定律和全反射斯奈尔定律和全反射图图1.3.1光波从光波从折射率折射率较大的较大的介质入介质入射进入射进入折射率折射率较小的较小的介质，介质，在边界在边界反射和反射和折射折射光纤波导传输光的原理光纤波导传输光的原理-临界角临界角 i c）时时，没没有有透透射射光光，只只有有反反射射光光，这这种种现现象象叫叫做做全全反反射射(TIR，TotalInternalReflection),如如图图2.2.2(c)所所示示，这这就就是是多模光纤波导传输光的原理。多模光纤波导传输光的原理。图2.2.2光波从折射率光波从折射率较大的介大的介质以三种不同的入以三种不同的入射角射角进入折射率入折射率较小的介小的介质,出出现三种不同的情况三种不同的情况光光纤传输-全反射条件全反射条件2.2.2传输条件传输条件全反射条件全反射条件我我们们已已经经知知道道,光光波波从从折折射射率率较较大大的的介介质质入入射射进进入入折折射射率率较较小小的的介介质质时时，在在边边界界将将发发生生反反射射和和折折射射,当当入入射射角角超超过过临界角时，将发生全反射。临界角时，将发生全反射。相干加强条件相干加强条件对对于于特特定定的的光光纤纤结结构构，只只有有满满足足一一定定条条件件的的电电磁磁波波可可以以在在光光纤纤中中进进行行有有效效的的传传输输。这这些些特特定定的的电电磁磁波波称称为为光光纤纤模式模式。光光纤纤中中可可传传导导的的模模式式数数量量取取决决于于光光纤纤的的具具体体结结构构和和折折射射率率的的径径向向分分布布。如如果果光光纤纤中中只只支支持持一一个个传传导导模模式式，则称该光纤为则称该光纤为单模光纤单模光纤相反，支持多个传导模式的光纤称为相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤多模光纤光光线线在在光光纤纤端端面面以以不不同同角角度度 从从空空气气入入射射到到纤纤芯芯，不不是是所所有有的的光光线线能能够够在在光光纤纤内内传传输输，只只有有一一定定角度范围内的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。角度范围内的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。假假如如在在光光纤纤端端面面的的入入射射角角是是 ，在在波波导导内内光光线线与与垂垂直直于于光光纤纤轴轴线线的的夹夹角角是是 。此此时时，c(临临界界角角)的光线将发生全反射，而的光线将发生全反射，而 c的光线将进入包层泄漏出去。的光线将进入包层泄漏出去。于于是是，为为了了光光能能够够在在光光纤纤中中传传输输，入入射射角角 必必须须要要能能够够使使进进入入光光纤纤的的光光线线在在光光纤纤内内发发生生全全发发射射而而返回纤芯，并以曲折形状向前传播。返回纤芯，并以曲折形状向前传播。图2.2.3不同入射角的光不同入射角的光线 全反射条件数值孔径数值孔径(NA)NA表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力NA(或或sin max)越越大大，光光纤纤接接收收光光的的能能力力越强。越强。从从光光源源到到光光纤纤的的耦耦合合效效率率越越高高。对对无无损损耗耗光光纤纤，在在 max内内的的入入射射光光都都能能在在光光纤纤中中传传输输。NA越越大大，纤纤芯芯对对光光能能量量的的束束缚缚越越强强，光纤抗弯曲性能越好。光纤抗弯曲性能越好。但但NA越越大大，经经光光纤纤传传输输后后产产生生的的输输出出信信号号展展宽宽越越大大，因因而而限限制制了了信信息息传传输输容容量量。所以要根据使用场合，选择适当的所以要根据使用场合，选择适当的NA。相干加相干加强条件条件在光在光纤中中传输的光的光线必必须与它自己相与它自己相长干涉，干涉，否否则相消干涉将相互抵消相消干涉将相互抵消n2n2d=2aqqk1LightABClbkEqn1zyx(HE11)电力力线和磁力和磁力线在光在光纤波波导中的分布中的分布2.3光光纤传输特性特性衰减衰减色散色散带宽非非线性性在在传输高高强度光功率度光功率时，还要考要考虑光光纤的非的非线性影响性影响光光纤纤是是熔熔融融 SiO2制制成成的的，光光信信号号在在光光纤纤中中传传输输时时，由由于于吸吸收收、散散射射和和波波导导缺缺陷陷等等机机理理产产生生功功率率损损耗耗，从从而而引引起起衰减。衰减。2.3.1衰减衰减瑞利瑞利（18771919）瑞利散瑞利散射射发明明家家1904年年获得得诺贝尔奖率减系数率减系数引起衰减的原因引起衰减的原因光光纤纤是是熔熔融融SiO2制制成成的的，光光信信号号在在光光纤纤中中传传输输时时，由由于于吸吸收收、散散射射和和波波导导缺缺陷陷等等机机理理产产生生功功率率损损耗耗，从从而而引引起起衰减。衰减。吸收损耗是可以改善的吸收损耗是可以改善的。目目前前由由于于超超纯纯石石英英光光纤纤工工艺艺的的改改进进，已已消消除除了了这这一一波波长长附附近近的的损损耗耗峰峰，使使(13501450)nm波波段段的的损损耗耗也也降降低低到到0.3dB/km左左右右，该该波波段段就就是是光光纤纤传传输输的的第第五五个个窗窗口口，它它位位于于第第二二个个窗窗口口和和第第三三个个窗窗口口之之间间。这这种种能能够够在在12001650nm整整个个范范围围内内都都可可用用来来进进行行DWDM光光纤纤通通信信的的光光纤纤就是全波光纤就是全波光纤图2.3.2典型光典型光纤衰减衰减谱2.3.2色散色散光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传光纤色散：信号能量中的各种分量由于在光纤中传输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展输速度不同，而引起的信号畸变。将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。1 1、色散定义、色散定义随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽随着脉冲在光纤中传输，脉冲的宽度被展宽2.3.2色散色散2 2、色散类型、色散类型（1）模间色散：）模间色散：多模光纤各模传输路径不同引多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽起脉冲展宽2.3.2色散色散2 2、色散类型、色散类型（2）色度色散（）色度色散（ChrometicDispersion）：）：由由光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同光源发射进入光纤的光脉冲能量包含许多不同的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的的频率分量，脉冲的不同频率分量将以不同的群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲群速度传播，因而在传输过程中必将出现脉冲展宽，这种现象称为群速色散（展宽，这种现象称为群速色散（GVD）、模内）、模内色散或简言之光纤色散。包括材料色散和波导色散或简言之光纤色散。包括材料色散和波导色散。色散。2.3.2色散色散色度色散色度色散材料色散材料色散DM，纤芯材料的折射率随波长变化导致，纤芯材料的折射率随波长变化导致了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相了这种色散，这样即使不同波长的光经历过完全相同的路径，也会发生脉冲展宽。同的路径，也会发生脉冲展宽。波导色散波导色散DW，由于单模光纤中只有约，由于单模光纤中只有约80的光功的光功率在纤芯中传播，率在纤芯中传播，20在包层中传播的光功率其速在包层中传播的光功率其速率要更大一些，这样就出现了色散。波导色散的大率要更大一些，这样就出现了色散。波导色散的大小取决于光纤的设计，因为模式传播常数小取决于光纤的设计，因为模式传播常数 是是a/的的函数函数(a纤芯半径，纤芯半径，a/是光纤相当于波长的尺度是光纤相当于波长的尺度).单模光纤的色散单模光纤的色散零色散零色散零色散零色散波长波长波长波长D=DD=DMM+D+DWWDispersion of“Standard”Dispersion of“Standard”Single-Mode FiberSingle-Mode Fiber 0,D D反常色散区反常色散区 20兰快红慢兰快红慢零色散零色散零色散零色散波长波长波长波长DD零色散零色散零色散零色散波长波长波长波长17ps/nm.k17ps/nm.km1550nmm1550nmD=DD=DMM+D+DWW色散位移色散位移波导色散波导色散DW对对D(2)的影响依赖于光纤设计参数，的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯半径和芯包层折射率差如纤芯半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行特性，可改变光纤的色散情况，进行色散位移色散位移。G.653色散位移光纤（色散位移光纤（DSF）EDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm)20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652非线性大非线性大色散非常小色散非常小1550nm窗口窗口不同信道的不同信道的WDM信号传输速度相近信号传输速度相近四波混频四波混频FWM严重严重ProblemG.655非零色散位移光纤（非零色散位移光纤（NZ-DSF）17ps/nm.kmEDFAEDFA频带频带频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减衰减衰减 (dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长波长波长(nm)(nm)20 10 0-10-20色散色散色散色散(ps/nm.km)(ps/nm.km)G.653G.652G.655G.655标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散平坦光纤（色散平坦光纤（DFF）和色散补偿光纤（）和色散补偿光纤（DCF）的色散特性）的色散特性色散平坦光色散平坦光纤的的色散系数和折射率分布色散系数和折射率分布（3）偏振模色散）偏振模色散(PMD）：）：在理想的单模光纤中，在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果基模是由两个相互垂直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，由于某种因素使这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而出纤后两偏振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏振模色散。形成偏振模色散。单模光纤中的偏振模色散单模光纤中的偏振模色散单模光纤中的偏振模色散单模光纤中的偏振模色散2.3.2色散色散2、色散类型、色散类型2.3.42.3.4 带宽带宽由由于于光光纤纤色色散散，光光脉脉冲冲经经光光纤纤传传输输后后使使输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽下面就光纤光带宽和电带宽加以分析。下面就光纤光带宽和电带宽加以分析。(a)图表示传输模拟信号的光纤线路，图表示传输模拟信号的光纤线路，(b)图表示频率为图表示频率为f的光纤输入和的光纤输入和输出光信号，输出光信号，(c)图表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光图表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光/电带电带宽减小的情况。宽减小的情况。光带宽对应光纤的截止频率，可粗略地认为它对应光纤能够传输的最光带宽对应光纤的截止频率，可粗略地认为它对应光纤能够传输的最大比特速率大比特速率B。光光纤纤带带宽宽3dB光光带宽和和电带宽2.3.5 2.3.5 光纤传输特性测量光纤传输特性测量损耗耗测量量带宽测量量色散色散测量量只只要要测测量量长长度度L2的的输输出出光光功功率率Pout,在在注注入入条条件件不不变变的的情情况况下下，在在离离光光源源23m附附近近剪剪断断光光纤纤，测测量量长长度度L1的的输输出出光光功功率率，可可以以认认为为该该功功率率就就是是长长度度L光纤的输入光功率光纤的输入光功率Pin。这样由式。这样由式(2.3.14)就可以计算出光纤的衰减系数。就可以计算出光纤的衰减系数。图图2.3.11剪断法测量光纤损耗系数剪断法测量光纤损耗系数光源通常采用谱线足够窄的激光器光源通常采用谱线足够窄的激光器注注入入器器的的作作用用是是，在在测测量量多多模模光光纤纤的的损损耗耗系系数数时时使使多多模模光光纤纤在在短短距距离离内内达达到到稳稳态态模模式式分分布布；在在测测量量单单模模光光纤纤的的损损耗耗系系数时应保证全长为单模传输。数时应保证全长为单模传输。光功率计用来测量光纤输出端的光功率。光功率计用来测量光纤输出端的光功率。图图2.3.11剪断法测量光纤损耗系数剪断法测量光纤损耗系数系统配置系统配置瑞瑞利利散散射射光光功功率率与与传传输输光光功功率率成成正正比比。后后向向散散射射法法就就是是利利用用与与传传输输光光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。图图2.3.12后向散射法（后向散射法（OTDR）测量光纤损耗系数测量光纤损耗系数后向散射法测量损耗系数和后向散射法测量损耗系数和确定光纤的长度确定光纤的长度OTDR 的用途利利用用后后向向散散射射原原理理设设计计的的测测量量仪仪器器叫叫光光时时 域域 反反 射射 机机（OTDR，Optical TimeDomainReflectometer）这这种种仪仪器器采采用用单单端端输输入入和和输输出出，不不破破坏坏光纤，使用非常方便。光纤，使用非常方便。OTDR不不仅仅可可以以测测量量光光纤纤损损耗耗系系数数和和光光纤纤长长度度，而而且且还还可可以以测测量量连连接接器器和和熔熔接接头头的的损损耗耗，观观测测光光纤纤沿沿线线的的均均匀匀性性和和确确定定光光纤纤故故障障点点的的位位置置，在在工工程程上上获获得得了了广泛地使用。广泛地使用。2.带宽测量带宽测量图图2.3.13时域法测量光纤带宽时域法测量光纤带宽3.色散测量色散测量对对于于单单模模光光纤纤，色色散散与与光光源源的的谱谱线线宽宽度度密切相关。密切相关。光光源源的的谱谱宽宽越越窄窄，光光纤纤的的色色散散越越小小，带带宽越大。宽越大。光光纤纤色色散散测测量量有有相相移移法法和和脉脉冲冲时时延延法法，前前者者是是测测量量单单模模光光纤纤色色散散的的基基准准方方法法，所以这里只介绍相移法。所以这里只介绍相移法。相移法色散测量原理图图2.3.14相移法测量光纤色散系统框图相移法测量光纤色散系统框图2.3.5 非线性光学效应2.4单模光纤的进展和应用单模光纤的进展和应用自自从从1970年年美美国国贝贝尔尔实实验验室室，根根据据英英籍籍华华人人高高锟锟提提出出的的利利用用光光导导纤纤维维可可以以通通信信的的理理论论，成成功功地地试试制制出出用用于于通通信信的的光光纤纤以来，光纤光缆得到迅速的发展。以来，光纤光缆得到迅速的发展。30年年来来，光光纤纤光光缆缆的的新新产产品品层层出出不不穷穷，而且得到通信业的广泛应用。而且得到通信业的广泛应用。现现就就人人们们目目前前常常用用的的几几种种光光纤纤和和今今后后将将广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。单模光纤的种类单模光纤的种类G.651标准多模光纤标准多模光纤G.652标准单模光纤标准单模光纤G.653色散移位光纤色散移位光纤G.654衰减最小光纤衰减最小光纤G.655非零色散光纤非零色散光纤全波光纤全波光纤色散补偿光纤色散补偿光纤G.652标准单模光纤标准单模光纤 标准单模光纤是指零色散波长在标准单模光纤是指零色散波长在1.3 m窗口的单模光纤，国际电信联盟窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITU-T)把这种光纤规范为把这种光纤规范为G.652光纤。这属于光纤。这属于第一代单模光纤。第一代单模光纤。其特点是当工作波长在其特点是当工作波长在1.3 m时，光纤时，光纤色散很小，系统的传输距离只受一个因色散很小，系统的传输距离只受一个因素，即光纤衰减所限制。素，即光纤衰减所限制。G.652光纤在光纤在1.3 m波段的损耗较大，约为波段的损耗较大，约为0.30.4dB/km；在；在1.55 m波段的损耗较小，约为波段的损耗较小，约为0.20.25dB/km。色散在色散在1.3 m波段为波段为 3.5ps/nm km，在，在1.55 m波段较大，约为波段较大，约为20ps/nm km。这种光纤可支持用于在这种光纤可支持用于在1.55 m波段的波段的2.5Gb/s的干线系统，但由于色散较大，若传输的干线系统，但由于色散较大，若传输10Gb/s的信号，传输距离超过的信号，传输距离超过50km时，就要求使用价时，就要求使用价格昂贵的色散补偿模块。格昂贵的色散补偿模块。另外另外,使用它增加了线路损耗，缩短了中继距离，使用它增加了线路损耗，缩短了中继距离，所以不适用于所以不适用于DWDM系统。系统。G.652标准单模光纤标准单模光纤G.653色散移位光纤色散移位光纤G.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在同一工作波长上，这不仅使工程应用受到一定同一工作波长上，这不仅使工程应用受到一定的限制，而且在的限制，而且在1.3 m的光纤放大器开发应用的光纤放大器开发应用之前，使不经过光之前，使不经过光-电转换过程的全光通信无法电转换过程的全光通信无法实现。实现。为此，在为此，在80年代中期，开发成功了一种把零色年代中期，开发成功了一种把零色散波长从散波长从1.3 m移到移到1.55 m的色散移位光纤的色散移位光纤(DSF,Dispersion-ShiftedFiber)。ITU把这种光把这种光纤的规范为纤的规范为G.653。这属于第二代单模光纤。这属于第二代单模光纤。光纤的色散特性光纤的色散特性由色散移位光由色散移位光纤到非零色散光到非零色散光纤然而，色散移位光纤在然而，色散移位光纤在1.55 m色散为零，不色散为零，不利于多信道的利于多信道的WDM传输，因为当复用的信道传输，因为当复用的信道数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种称为四波混频称为四波混频(FWM，FourWaveMixing)的的非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致信道间发生串扰。信道间发生串扰。如果光纤线路的色散为零，如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会的干扰就会十分严重；如果有微量色散，十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而干扰反而还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一种新型光纤，即非零色散光纤种新型光纤，即非零色散光纤(NZ-DSF)。G.654衰减最小光纤衰减最小光纤为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学家们开发了一种应用于家们开发了一种应用于1.55 m波长的纯石波长的纯石英芯单模光纤。英芯单模光纤。在在1.55 m波长附近衰减最小，仅为波长附近衰减最小，仅为0.185dB/km。在在1.3 m波长区域色散为零，但在波长区域色散为零，但在1.55 m波长区域色散较大，约为波长区域色散较大，约为1720ps/(nm km)。ITU把这种光纤规范为把这种光纤规范为G.654光纤。光纤。G.655非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤实质上是一种改进的色散非零色散光纤实质上是一种改进的色散移位光纤。移位光纤。其零色散波长不在其零色散波长不在1.55 m，而是在，而是在1.525 m或或1.585 m处。处。在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的量，使它大到足以抑制高密度波分复用量，使它大到足以抑制高密度波分复用系统中的四波混频，小到足以允许单信系统中的四波混频，小到足以允许单信道数据速率达到道数据速率达到10Gb/s，而不需要色散，而不需要色散补偿。补偿。G.655非零色散光纤非零色散光纤消除了色散效应和四波混频效应；消除了色散效应和四波混频效应；而标准光纤和色散移位光纤都只能克服而标准光纤和色散移位光纤都只能克服这两种缺陷中的一种；这两种缺陷中的一种；所以非零色散光纤综合了标准光纤和色所以非零色散光纤综合了标准光纤和色散移位光纤最好的传输特性，既能用于散移位光纤最好的传输特性，既能用于新的陆上网络，又可对现有系统进行升新的陆上网络，又可对现有系统进行升级改造，它特别适合于高密度级改造，它特别适合于高密度WDM系统系统的传输，所以非零色散光纤是新一代光的传输，所以非零色散光纤是新一代光纤通信系统的最佳传输介质。纤通信系统的最佳传输介质。非零色散光纤举例非零色散光纤举例AT&T研制的真波光纤研制的真波光纤(TrueWaveTM)美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤(LeafFiber)阿尔卡特的特锐光纤阿尔卡特的特锐光纤(TeraLightTM)国内长飞公司的大保实光纤等国内长飞公司的大保实光纤等全波光纤全波光纤全波光纤全波光纤为为了了将将DWDM系系统统应应用用于于城城域域网网，仅仅使使用用现现有有的的波波段段还还是是不不够够的的，为为此此光光纤纤制制造造商商在在1380nm波波长长附附近近，把把OH离离子子浓浓度度降降到到了了10-8以以下下，消消除除了了（13601460）nm波波段段的的损损耗耗峰峰，使使该该波波段段的的损损耗耗也也降降低低到到0.3dB/km左左右右，可可应应用用于于光光纤纤通通信信，而而且且色色散散值值也也小小，所所以以在在相相同同比比特特率率下下传传输输的的距距离离更更长长。该该波波段段就就是是E波波段段(Extendedwavelengthband)，它位于，它位于O波段和波段和S波段之间。波段之间。全全波波光光纤纤，顾顾名名思思义义，就就是是在在光光纤纤的的整整个个波波段段，从从1280nm开开始始到到1675nm终终止止，都都可可以以用用来来通通信信，与与常常规规光光纤纤相相比比，全全波波光光纤纤应应用用于于DWDM，可可使使信信道道数数增增加加50%，这这就就为为DWDM系统应用于城域网创造了条件。系统应用于城域网创造了条件。色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF,DispersionCompensatingFiber)是具是具有大的负色散光纤。有大的负色散光纤。它是针对现已敷设的它是针对现已敷设的1.3 m标准单模光纤而设计的一种标准单模光纤而设计的一种单模光纤。单模光纤。为了使现已敷设的为了使现已敷设的1.3 m光纤系统采用光纤系统采用WDM/EDFA技技术，就必须将光纤的工作波长从术，就必须将光纤的工作波长从1.3 m改为改为1.55 m。而标准光纤在而标准光纤在1.55 m波长的色散不是零，而是正的波长的色散不是零，而是正的1720ps/(nm km),并且具有正的色散斜率，所以必须在并且具有正的色散斜率，所以必须在这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实现高速率、大容量、长距离的通信。现高速率、大容量、长距离的通信。光纤的选择光纤的选择对光纤的基本要求是：对光纤的基本要求是：从发射光源耦合进光纤的光功率最大；从发射光源耦合进光纤的光功率最大；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体的设计要根据使用条件进行折衷。具体的设计要根据使用条件进行折衷。衰衰减减在选定的波长在选定的波长,衰减要足够小，以使在满衰减要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离尽可能大。中继距离尽可能大。设计系统时，要考虑连接器、接头和耦设计系统时，要考虑连接器、接头和耦合器的损耗和系统工作所需的余量。合器的损耗和系统工作所需的余量。为此，要正确选择工作波长和光纤类型为此，要正确选择工作波长和光纤类型。耦合损耗耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗包括光源耦合损耗和检测器耦合损耗;纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损纤芯尺寸和数值孔径大，可减小光源的耦合损耗；但要增加检测器耦合损耗耗；但要增加检测器耦合损耗;为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸为了减小和检测器的耦合损耗，要求纤芯尺寸和数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检和数值孔径要足够小，以使出射光完全落在检测器上。测器上。为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求为了提高接收机响应速度，降低噪声，则要求检测器面积小，所以不能采用增大检测器光敏检测器面积小，所以不能采用增大检测器光敏面的办法来减小耦合损耗。面的办法来减小耦合损耗。纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，纤芯尺寸和数值孔径大的光纤，其传输带宽小，适合于采用发光管适合于采用发光管(LED)的系统。的系统。连接器损耗连接器损耗包括连接器和接头的损耗。包括连接器和接头的损耗。纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层纤芯直径的公差、不圆度和纤芯与包层同心度误差要尽可能小，以得到最小连同心度误差要尽可能小，以得到最小连接损耗。接损耗。提高光纤的几何精度，要增加制造成本；提高光纤的几何精度，要增加制造成本；增大纤芯尺寸和数值孔径，可以减小几增大纤芯尺寸和数值孔径，可以减小几何公差对连接损耗的不利影响，但与增何公差对连接损耗的不利影响，但与增大带宽相矛盾。大带宽相矛盾。色散和带宽色散和带宽为使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长，为使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长，光纤色散要足够小。光纤色散要足够小。正确选择光纤类型和工作波长正确选择光纤类型和工作波长:长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到1.55 m的的G.654单模光纤。单模光纤。波分复用系统要选择色散系数虽然很小、但不为波分复用系统要选择色散系数虽然很小、但不为零的零的G.655单模光纤，以减小四波混频的影响。单模光纤，以减小四波混频的影响。用于城域网的用于城域网的DWDM系统要选择全波光纤。系统要选择全波光纤。采用发光管采用发光管(LED)的系统的系统,要充分考虑材料色散的要充分考虑材料色散的影响等。影响等。表表2.5.2成缆单模光纤典型特性成缆单模光纤典型特性对光缆的基本要求对光缆的基本要求对光缆的基本要求是保护光纤固有的机对光缆的基本要求是保护光纤固有的机械特性和光学特性，防止施工过程和使械特性和光学特性，防止施工过程和使用期间光纤断裂，保持传输特性稳定。用期间光纤断裂，保持传输特性稳定。为此，必须根据使用环境，选择不同结为此，必须根据使用环境，选择不同结构的光缆，以免光纤受应力的作用和有构的光缆，以免光纤受应力的作用和有害物质的侵蚀。害物质的侵蚀。光缆结构和类型光缆结构和类型光缆由缆芯和护套两部分组成；光缆由缆芯和护套两部分组成；缆缆芯芯一一般般包包括括被被覆覆光光纤纤(芯芯线线)和和加加强强件件,有有时时加加强强件件分分布布在在护护套套中中,这这时时缆缆芯芯主主要要就就是是芯芯线线。芯芯线线是是光光缆缆的的核核心心，决决定定着着光光缆缆的的传传输特性；输特性；加强件承受光缆的张力；加强件承受光缆的张力；护护套套一一般般由由聚聚乙乙烯烯(或或聚聚氯氯乙乙烯烯)和和钢钢带带或或铝铝带带组组成成,对对缆缆芯芯起起机机械械保保护护和和环环境境保保护护作作用用,要求有良好的抗压能力和密封性能。要求有良好的抗压能力和密封性能。二次被覆光纤二次被覆光纤(芯线芯线)简图简图基本光缆结构简图基本光缆结构简图复习思考题复习思考题总 结总 结总 结