光纤与光缆.pptx

122.1 光纤概述光纤概述2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤几种常用于光纤通信系统的光纤本本章内容章内容3n光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，任何信号均能以相同速度任何信号均能以相同速度无损无畸变无损无畸变地传输。地传输。n但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗损耗和色散和色散，当信号强度较高时还存在，当信号强度较高时还存在非线性非线性。n？在实际系统中，在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输光信号到底如何传输？其传输特性、传输能力究竟如何？特性、传输能力究竟如何？本章讨论的要点。本章讨论的要点。要点要点4 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。5 通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15m50m，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8m10m。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。6光纤的构造光纤的构造纤芯：高纯度纤芯：高纯度SiOSiO2 2+掺杂剂如掺杂剂如GeOGeO2 2等，等，2a2a：950950m m包层：高纯度包层：高纯度SiOSiO2 2+掺杂剂如掺杂剂如B B2 2O O3 3，2b2b：125 125 m m 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙纤芯纤芯和和包层包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。行不同的掺杂来实现。n纤芯掺入纤芯掺入GeGe和和P P 折射率折射率 n包层掺入包层掺入B B 折射率折射率 2.1 光纤概述光纤概述71.根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同光纤的分类光纤的分类8三种主要类型光纤的比较三种主要类型光纤的比较9 阶跃型：阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。变光纤。这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：工控。但单模光纤由于模间色散于短途低速通讯，比如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的很小，所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。10 为了解决阶跃光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤，简称渐变光纤。11渐变型光纤：渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模间色小，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。的多模光纤多为渐变型光纤。渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。向逐渐减小。由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。小。12 同样的过程不断发生，直至光在某一折射率同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。在这以后。和上述完全相同的过程不断重复在这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。可以看出，光在进行，由此实现了光波的传输。可以看出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦。的地，这叫做自聚焦。132、从材料角度分、从材料角度分:按照材料分，按照材料分，有有石英系光纤、多组分玻璃光石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤光纤等。等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。它的特点是传输波长范围宽，数值孔径大、芯径较大，机械强度大、弯曲性能好，容易与光源的耦合。因此在工业和医学领域的激光通信中得到广泛应用。14 塑料光纤塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造成本低廉，接续简单，易于弯曲，施工容易。但成本低廉，接续简单，易于弯曲，施工容易。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。内通信等。15 光纤的工作波长有短波长0.80.9m、长波长1.31.6m、超长波长光纤2m以上。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85m的损耗为2.5dB/km,1.31m的损耗为0.35dB/km，1.55m的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65m以上的损耗趋向加大。由于氢氧根离子（OH）的吸收作用，0.901.30m和1.341.52m范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31m。3、按光纤的工作波长分：、按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。16常用光纤规格 单模：8/125m，9/125m，10/125m 多模：50/125m 欧洲标准 62.5/125m 美国标准 工业，医疗和低速网络：100/140m，200/230m 塑料光纤：98/1000m 用于汽车控制。174、按传输模式分：单模光纤和多模光纤。（1）多模光纤）多模光纤(Multi Mode Fiber)理论上讲，当光的传输媒体，即纤芯直径较大远大于光波波长时，光将从不同的位置，以各种不同的角度进入媒体，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。每一个角度都定义了一条路径或一种模式，以这种方式传输光波的光纤称为多模光纤。18多模光纤：中心玻璃芯较粗多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或或62.5m)，包层外直径包层外直径125m，可传多种模式的光。但其模间，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光的光纤在纤在2KM时则只有时则只有300MB的带宽了。因此，多模光的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。19（2）单模光纤）单模光纤(Single Mode Fiber)在多模光纤中，光波以有限的模式向前在多模光纤中，光波以有限的模式向前传播，模式的具体数目是由纤芯所用媒体的传播，模式的具体数目是由纤芯所用媒体的直径和光的波长决定的。减少纤芯的直径可直径和光的波长决定的。减少纤芯的直径可以降低光线撞击边界面的角度数目，即模式以降低光线撞击边界面的角度数目，即模式数目减少了。如果纤芯直径减少到一定程度，数目减少了。如果纤芯直径减少到一定程度，光纤内将只有一种模式传播的光波，这就是光纤内将只有一种模式传播的光波，这就是单模光纤（单模光纤（Single Mode FiberSingle Mode Fiber），），20单模光纤：中心玻璃芯很细单模光纤：中心玻璃芯很细(芯径一般芯径一般为为9 9或或10m)10m)，包层外直径，包层外直径125m125m，只能传，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。21 后来又发现在后来又发现在1.31m1.31m波长处，单模光纤的材波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在相等。这就是说在1.31m1.31m波长处，单模光纤的总波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31m1.31m处正处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31m1.31m波长波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31m1.31m常规单模光纤常规单模光纤的主要参数是由国际电信联的主要参数是由国际电信联盟盟ITUITUT T在在G652G652建议中确定的，因此这种光纤又建议中确定的，因此这种光纤又称称G652G652光纤光纤。22 我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55m1.55m波波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在但是实际上并不是这么简单。常规单模光纤在1.31m1.31m处的色散比在处的色散比在1.55m1.55m处色散小得多。这处色散小得多。这种光纤如工作在种光纤如工作在1.55m1.55m波长区，虽然损耗较低，波长区，虽然损耗较低，但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严但由于色散较大，仍会给高速光通信系统造成严重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒重影响。因此，这种光纤仍然不是理想的传输媒介。介。23 为了使光纤较好地工作在为了使光纤较好地工作在1.55m1.55m处，人们设处，人们设计出一种新的光纤，叫做计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤（色散位移光纤（DSFDSF）。这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从从1.31m1.31m处移到处移到1.55m1.55m附近。这种光纤又称为附近。这种光纤又称为1.55m1.55m零色散单模光纤，零色散单模光纤，代号为代号为G653G653。G653 G653光纤是单信道、超高速传输的极好的传输光纤是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用媒介。现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。系统中。24 G653光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。扰。特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。为此，人们又研制了一种为此，人们又研制了一种非零色散位移光纤即非零色散位移光纤即G655G655光纤光纤，将光纤的零色散点移到，将光纤的零色散点移到1.55m 1.55m 工作区以外工作区以外的的1.60m1.60m以后或在以后或在1.53m1.53m以前，但在以前，但在1.55m1.55m波长波长区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光纤不不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。要，又兼顾将来发展的理想传输媒介。25 还有一种单模光纤是色散平坦型单模还有一种单模光纤是色散平坦型单模光纤。这种光纤在光纤。这种光纤在1.31m1.31m到到1.55m1.55m整个波整个波段上的色散都很平坦，接近于零。但是这种段上的色散都很平坦，接近于零。但是这种光纤的损耗难以降低，体现不出色散降低带光纤的损耗难以降低，体现不出色散降低带来的优点，所以目前尚未进入实用化阶段。来的优点，所以目前尚未进入实用化阶段。262.2 光纤的传输原理光纤的传输原理光线传播理论（几何光学方法）光线传播理论（几何光学方法）把光看作把光看作射线射线，并引用几何光学中反射与折射原理解，并引用几何光学中反射与折射原理解释光在光纤中传播的物理现象释光在光纤中传播的物理现象27光的反射与折射光的全反射现象光线传播理论光线传播理论28光在阶跃光纤中的传播轨迹光在阶跃光纤中的传播轨迹光学参数光学参数数值孔径折射率差光线传播理论光线传播理论单模光纤中光线传播路径单模光纤中光线传播路径29NA表示光纤接收和传输光的能力。NA（或a）越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间的耦合效率越高。NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须适当选择NA。单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。数值孔径概念数值孔径概念 数值孔径数值孔径就是能够使光线在光纤中以全内反射的形就是能够使光线在光纤中以全内反射的形式进行传播的的入射角式进行传播的的入射角a的正弦值。的正弦值。30光在渐变光纤中传播的定性解释将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:光线传播理论光线传播理论31光在渐变光纤光在渐变光纤以不同角度入以不同角度入射的光线族皆射的光线族皆以以正弦曲线正弦曲线轨轨迹在光纤中传迹在光纤中传播，且播，且近似成近似成聚焦状聚焦状理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：2n1n光线传播理论光线传播理论32色散色散损耗损耗光纤非线性效应光纤非线性效应2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 33 光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真失真)，因而输出信号和输入信号不同。对，因而输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存展宽。产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。在色散。损耗和色散损耗和色散是光纤最重要的传输特是光纤最重要的传输特性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制性。损耗限制系统的传输距离，色散则限制系统的传输带宽。本节讨论光纤的色散和损系统的传输带宽。本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据。供依据。2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 34色散的基本概念色散的基本概念色散的基本概念色散的基本概念色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因光纤的色散光纤的色散35z=0z=L色散光光纤纤的的色色散散是是在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号，随随传传输输距距离离增增加加，由由于于不不同同成成分分的的光光传传输输时时延延不不同引起的脉冲展宽同引起的脉冲展宽的物理效应。的物理效应。光光纤纤的的色色散散将将引引起起光光脉脉冲冲展展宽宽和和码码间间串串扰扰，最终影响通信距离和容量。最终影响通信距离和容量。色色散散的的大大小小常常用用时时延延差差表表示示，时时延延差差是是光光脉脉冲冲中中不不同同模模式式或或不不同同波波长长成成分分传传输输同同样样距距离离而产生的时间差。单位：而产生的时间差。单位：ps/nm.kmps/nm.km色散的基本概念色散的基本概念36 色散类型色散类型模式色散模式色散：不同模式对应有不同的模折射率，不同模式对应有不同的模折射率，导致群速度不同和脉冲展宽导致群速度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有）（仅多模光纤有）波导色散波导色散 ：传播常数随频率变化：传播常数随频率变化材料色散材料色散 ：折射率随频率变化：折射率随频率变化偏振模色散偏振模色散PMDPMD波长色散波长色散波长色散波长色散色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因37模模式式色色散散是是由由于于光光纤纤不不同同模模式式在在同同一一波波长长下下传传播播速速度度不不同同，使使传传播播时时延延不不同同而而产产生生的的色色散。散。只只有有多多模模光光纤纤才才存存在在模模式式色色散散，它它主主要要取取决决于光纤的折射率分布。于光纤的折射率分布。模式色散模式色散38波导色散波导色散D DW W由于光纤中某一导模在不同光由于光纤中某一导模在不同光波长下，波长下，相位常数（传播常数相位常数（传播常数）不同，不同，群速度群速度不同而引起的色散。不同而引起的色散。波导色散取决于波导的结构参数和波长。波导色散取决于波导的结构参数和波长。波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如波导色散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。根据光纤纤芯半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改变光纤的色散情况，进的这种特性，可改变光纤的色散情况，进行行色散位移色散位移（非零色散位移光纤）（非零色散位移光纤）。波导色散波导色散39材料色散材料色散D DM M是由于光纤的是由于光纤的折射率随波长而改变折射率随波长而改变，实际光源不是纯单色光，模内不同波长成分的光，实际光源不是纯单色光，模内不同波长成分的光，其时间延迟不同而产生的。其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源的这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。谱线宽度。合理设计成将零色散波长移到合理设计成将零色散波长移到1550nm1550nm的色散移位的色散移位光纤，使光纤，使1300nm1300nm和和1550nm1550nm处色散皆为零的色散平处色散皆为零的色散平坦光纤，或坦光纤，或1550nm1550nm处具有负色散值的色散补偿光处具有负色散值的色散补偿光纤纤材料色散材料色散40单模光纤材料色散和波导色散随波长的变化关系单模光纤材料色散和波导色散随波长的变化关系D=DD=DMM+D+DWW41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，从而形成偏振模色散(PMD)。PMD是一个统计量，它对传输有线电视(CATV)的模拟系统和长距离、高速率的数字系统，例如海底光缆系统的影响是不可忽视的。当数据传输速率小于10Gbit/s时，基本上不必考虑它的影响。偏振模色散偏振模色散42在多模光纤中模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。单模光纤波导色散的作用不能忽略，它与材料色散有同样的数量级。波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如纤心半径a，芯包层折射率差。由此可改变光纤的色散系数。G.652G.653 G.655色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因43损耗定义:光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光纤损耗是通信距离的固有限制，在光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大很大程度上决定着传输系统的中继距离程度上决定着传输系统的中继距离，损耗的降，损耗的降低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。低依赖于工艺的提高和对石英材料的研究。光波在光纤传输过程中，随着传输距离的增加，其强度（或光功率）逐渐下降，这就是光纤损耗，可见光纤对光波的传输有衰减作用。例如：低损耗光纤在例如：低损耗光纤在900nm900nm波长处的损耗为波长处的损耗为3dB/km3dB/km，这表示，这表示传输传输1km1km后信号光功率将损失后信号光功率将损失5050，2km2km后损失达后损失达7575(损失损失了了6dB6dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的。之所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的损耗具有损耗具有可加性可加性。44示例示例n对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的损耗系数为应的损耗系数为0dB/km0dB/km，但在实际中这是，但在实际中这是不可能的。目前，不可能的。目前，1.311.31m m光纤的损耗在光纤的损耗在0.5dB/km0.5dB/km以下，而以下，而1.55 1.55 m m光纤的损耗在光纤的损耗在0.2dB/km0.2dB/km以下以下,基本接近的光纤损耗的理论基本接近的光纤损耗的理论极限。极限。45第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射0.20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 长长 (nm)(nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗第三传输窗口第三传输窗口在在1.551.55 m m处最小损耗处最小损耗约为约为0.20.2dB/kmdB/km46光纤的损耗机理光纤的损耗机理(1)n材料吸收材料吸收n物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。吸收就是光纤材料中的杂质粒子因其固有频率而对某些波长的光产生强烈的吸收。47n光纤材料的固有吸收叫做光纤材料的固有吸收叫做本征吸收本征吸收，它与电子，它与电子及分子的谐振有关。对于石英及分子的谐振有关。对于石英(SiO2)材料，固材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域。有吸收区在红外区域和紫外区域。红外区红外区的中心波长在的中心波长在 8m8m12m 12m 范围内，范围内，对光对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km1dB/km。紫外区紫外区中心波长在中心波长在0.16m0.16m附近，尾部拖到附近，尾部拖到lmlm左右，左右，已延伸到光纤通信波段已延伸到光纤通信波段(即即0.8m0.8m1.7m1.7m的波段的波段)。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dB1dBkmkm。在长波长范围内，引起的光纤损耗小在长波长范围内，引起的光纤损耗小0.1dB0.1dBkmkm。光纤的损耗机理光纤的损耗机理(1)48n n原子缺陷吸收原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于是由于加热过程或者由于强烈的辐射造成，强烈的辐射造成，玻璃材料会受激而产玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损生原子的缺陷，引起吸收光能，造成损耗。耗。光纤的损耗机理光纤的损耗机理(1)49光纤的损耗机理光纤的损耗机理(1)n杂质吸收杂质吸收n由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、钒、铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收杂质吸收。n金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度（目前，光纤中杂质吸收主要由于水的氢氧根离子的振动）。nOH离子吸收：O-H键的基本谐振波长为2.73 m，与Si-O键的谐振波长相互影响，在光纤通信波段内产生一系列的吸收峰，影响较大的是在1.39、1.24、0.95 m，峰之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。n减低OH离子浓度，减低这些吸收峰全波光纤（AllWave 康宁）50光纤的损耗机理光纤的损耗机理(2)n瑞利瑞利(Rayleigh)散射散射是一种基本损耗机理。是一种基本损耗机理。n由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤中出由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀，使得光纤中出现折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功现折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部。率散射到光纤外部。n大小与大小与 4成反比，成反比，RC/4（dB/km）因而主要作用在短波长区。因而主要作用在短波长区。n瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的瑞利散射损耗对光纤来说是其本身固有的，因而它确定了光纤损耗的最终极限。最终极限。n在在1.55 m波段，波段，瑞利散射瑞利散射引起的损耗仍达引起的损耗仍达0.120.16 dB/km，是，是该段损耗的主要原因。该段损耗的主要原因。n物质在强大的电场作用下，会呈现非线性，物质在强大的电场作用下，会呈现非线性，即出现新的频率或输入的即出现新的频率或输入的频率得到改变。这种由非线性激发的散射有两种即频率得到改变。这种由非线性激发的散射有两种即受激喇曼受激喇曼(Raman)和和受激布里渊受激布里渊(Brillouin)散射。散射。51光纤的损耗机理光纤的损耗机理(3)n辐射损耗又称弯曲损耗辐射损耗又称弯曲损耗，包括两类：一是弯曲半径远大于，包括两类：一是弯曲半径远大于光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。光纤直径，二是光纤成缆时轴向产生的随机性微弯。n定性解释定性解释：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）：导模的部分能量在光纤包层中（消失场拖尾）于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消于纤芯中的场一起传输。当发生弯曲时，离中心较远的消失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前失场尾部须以较大的速度行进，以便与纤芯中的场一同前进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速进。这有可能要求离纤芯远的消失场尾部以大于光速的速度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而度前进，由于这是不可能的，因此这部分场将辐射出去而损耗掉。损耗掉。52 本节介绍光纤损耗、本节介绍光纤损耗、带宽带宽(色散色散)和截和截止波长的测量原理和测量方法。这些特性参止波长的测量原理和测量方法。这些特性参数的测量的共同的特点是用特定波长的光通数的测量的共同的特点是用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、功率或幅度、相位等物理量的变化，再经相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理来实现。测量系统一般包过相应的数据处理来实现。测量系统一般包括发射光源、括发射光源、注入装置和接收与数据处理注入装置和接收与数据处理设备。测量仪器要求稳定、设备。测量仪器要求稳定、可靠，并有足可靠，并有足够的精确度。够的精确度。531 1 损耗测量损耗测量光纤损耗测量有两种基本方法：光纤损耗测量有两种基本方法：一一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。向散射光功率，称后向散射法。1.1.剪断法剪断法光纤损耗系数由下式确定，即光纤损耗系数由下式确定，即 (1)54 式中，式中，L L为被测光纤长度为被测光纤长度(km)(km)，P P1 1和和P P2 2分别为输分别为输入光功率和输出光功率入光功率和输出光功率(mW(mW或或W)W)。由此可见，只要。由此可见，只要测量长度为测量长度为L L2 2的长光纤输出光功率的长光纤输出光功率P P2 2，保持注入条，保持注入条件不变，在注入装置附近剪断光纤，保留长度为件不变，在注入装置附近剪断光纤，保留长度为L L1 1(一般为一般为2 23 m)3 m)的短光纤，测量其输出光功率的短光纤，测量其输出光功率P P1 1(即长度为即长度为L L=L L2 2L L1 1这段光纤的输入光功率这段光纤的输入光功率)，根据，根据式式(1)(1)就可以计算出就可以计算出值。值。55问题是由于高阶模式的损耗比低阶模式的更大，问题是由于高阶模式的损耗比低阶模式的更大，在光纤中传输的在光纤中传输的(对数对数)光功率光功率lgP与光纤长度与光纤长度L的关的关系不是线性关系。如图系不是线性关系。如图2.21所示，测得的所示，测得的值与注入值与注入条件和光纤长度有关，但不能惟一代表光纤的本征条件和光纤长度有关，但不能惟一代表光纤的本征特性。由图可见，只有在稳态模式分布特性。由图可见，只有在稳态模式分布(注入光束注入光束数值孔径数值孔径NAb和被测光纤数值孔径和被测光纤数值孔径NAf相匹配相匹配)的注的注入条件下，入条件下，lgP与与L才是线性关系。在满注入才是线性关系。在满注入(NAbNAf)或欠注入或欠注入(NAbNAf)的条件下，被测短的条件下，被测短光纤的长度要等于或大于光纤耦合长度光纤的长度要等于或大于光纤耦合长度(L1Lc)，才，才能获得稳态模式分布。只有在稳态模式分布的条件能获得稳态模式分布。只有在稳态模式分布的条件下，才能得到惟一代表光纤本征特性的下，才能得到惟一代表光纤本征特性的值。值。56图图 2.21光功率和光纤长度的关系光功率和光纤长度的关系57图图2.22示出剪断法光纤损耗测量系统的框图。示出剪断法光纤损耗测量系统的框图。光源一般采用光谱宽度足够窄的激光器。在整个测光源一般采用光谱宽度足够窄的激光器。在整个测量过程中，光源位置、量过程中，光源位置、强度和波长应保持稳定。注强度和波长应保持稳定。注入装置的功能是保证多模光纤在短距离内达到稳态入装置的功能是保证多模光纤在短距离内达到稳态模式分布。对于单模光纤，应保证全长为单模传输。模式分布。对于单模光纤，应保证全长为单模传输。接收一般包括光敏面积足够大的光检测器、接收一般包括光敏面积足够大的光检测器、放大器放大器和电平测量或数据显示，通常用光功率计来实现。和电平测量或数据显示，通常用光功率计来实现。根据测得的根据测得的P1和和P2计算计算值。值。58图 2.22剪断法光纤损耗测量系统框图59对于损耗谱的测量要求采用光谱宽度很宽的光源对于损耗谱的测量要求采用光谱宽度很宽的光源(例如卤灯或发光管例如卤灯或发光管)和波长选择器和波长选择器(例如单色仪或滤光例如单色仪或滤光片片)，测出不同波长的光功率，测出不同波长的光功率P1()和和P2()，然后计算，然后计算()值。值。剪断法是根据损耗系数的定义，直接测量传输光剪断法是根据损耗系数的定义，直接测量传输光功率而实现的，所用仪器简单，测量结果准确，因而功率而实现的，所用仪器简单，测量结果准确，因而被确定为基准方法。但这种方法是破坏性的，不利于被确定为基准方法。但这种方法是破坏性的，不利于多次重复测量。在实际应用中，可以采用插入法作为多次重复测量。在实际应用中，可以采用插入法作为替代方法。插入法是在注入装置的输出和光检测器的替代方法。插入法是在注入装置的输出和光检测器的输入之间直接连接，测出光功率输入之间直接连接，测出光功率P1，然后在两者之间，然后在两者之间插入被测光纤，再测出光功率插入被测光纤，再测出光功率P2，据此计算，据此计算值。这值。这种方法可以根据工作环境，灵活运用，但应对连接损种方法可以根据工作环境，灵活运用，但应对连接损耗作合理的修正。耗作合理的修正。60瑞利散射光功率与传输光功率成比例。瑞利散射光功率与传输光功率成比例。利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。确定光纤损耗系数的方法，称为后向散射法。设在光纤中正向传输光功率为设在光纤中正向传输光功率为P P，经过，经过L L1 1和和L L2 2点点(L L1 1 P P2 2)，从这，从这两点返回输入端两点返回输入端(L L=0)=0)。光检测器的后向散射。光检测器的后向散射光功率分别为光功率分别为P Pd d(L L1 1)和和P Pd d(L L2 2)，经分析推导得，经分析推导得到，正向和反向平均损耗系数到，正向和反向平均损耗系数2.2.后向散射法后向散射法61式中右边分母中因子式中右边分母中因子2 2是光经过正向和反向两是光经过正向和反向两次传输产生的结果。次传输产生的结果。62后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光后向散射法不仅可以测量损耗系数，还可利用光在光纤中传输的时间来确定光纤的长度在光纤中传输的时间来确定光纤的长度L。显然，。显然，式中，式中，c为真空中的光速，为真空中的光速，n1为光纤的纤芯折射为光纤的纤芯折射率，率，t为光脉冲的往返传播时间。为光脉冲的往返传播时间。63图图 2.232.23后向散射法光纤损耗测量系统框图后向散射法光纤损耗测量系统框图64图图2.232.23示出后向散射法光纤损耗测量系示出后向散射法光纤损耗测量系统的框图。光源应采用特定波长稳定的大功统的框图。光源应采用特定波长稳定的大功率激光器，调制的脉冲宽度和重复频率应和率激光器，调制的脉冲宽度和重复频率应和所要求的长度分辨率相适应。耦合器件把光所要求的长度分辨率相适应。耦合器件把光脉冲注入被测光纤，又把后向散射光注入光脉冲注入被测光纤，又把后向散射光注入光检测器。光检测器应有很高的灵敏度。检测器。光检测器应有很高的灵敏度。65图图 2.242.24后向散射功率曲线的示例后向散射功率曲线的示例66图图 2.242.24是后向散射功率曲线的示例，图是后向散射功率曲线的示例，图中中(a)(a)输入端反射区；输入端反射区；(b)(b)恒定斜率区，用以恒定斜率区，用以确定损耗系数；确定损耗系数；(c)(c)连接器、接头或局部缺陷连接器、接头或局部缺陷引起的损耗；引起的损耗；(d)(d)介质缺陷介质缺陷(例如气泡例如