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1、第三章 光纤的传输特性3.1 3.1 光纤的损耗特性光纤的损耗特性3.2 3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性3.3 3.3 成缆对光纤特性的影响成缆对光纤特性的影响3.4 3.4 典型光纤参数典型光纤参数3.1 光纤的损耗特性3.1.1 吸收损耗吸收损耗是由制造光纤材料本身以及 其中的过渡金属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光的吸收而产生的损耗，前者是 由光纤材料本身的特性所决定的，称为本 征吸收损耗。1. 本征吸收损耗 本征吸收损耗在光学波长及其附近有 两种基本的吸收方式。 (1) 紫外吸收损耗 紫外吸收损耗是由光纤中传输的光子 流将光纤材料中的电子从低能级激发到高 能级时，光子流中的能量
2、将被电子吸收， 从而引起的损耗。(2) 红外吸收损耗 红外吸收损耗是由于光纤中传播的光 波与晶格相互作用时，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损 耗。 2. 杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离 子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等和OH 。3. 原子缺陷吸收损耗通常在光纤的制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时将会发生某个 共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很 容易在光场的作用下产生振动，从而吸收 光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为 630nm左右。3.1.2 散射损耗 1. 线性散射损耗 任何光纤波导都不可能是完美无缺的 ，无论是材料、尺寸、形状和折射率分布 等
3、等，均可能有缺陷或不均匀，这将引起 光纤传播模式散射性的损耗，由于这类损 耗所引起的损耗功率与传播模式的功率成 线性关系，所以称为线性散射损耗。(1) 瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。对于短波长光纤，损耗主要取决于瑞利散射损耗。值得强调的是：瑞利散射损 耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗 一起构成光纤损耗的理论极限值。(2) 光纤结构不完善引起的散射损耗(波导 散射损耗)在光纤制造过程中，由于工艺、技术问题以及一些随机因素，可能造成光纤结 构上的缺陷，如光纤的纤芯和包层的界面 不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中 残留气泡和裂痕等等。2. 非线性散射损耗光纤中存在两种非
4、线性散射，它们都与石英光纤的振动激发态有关，分别为受激喇曼散射和受激布里渊散射。3.1.3 弯曲损耗光纤的弯曲有两种形式：一种是曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲，我们习惯称为弯曲或宏弯；另一种是光纤轴线产生微米级的弯曲，这种高频弯曲习惯称为微弯。在光缆的生产、接续和施工过程中，不可避免地出现弯曲。微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变化时，光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一致而引起的，其损耗机理和弯曲一致，也是由模式变换引起的。3.1.4 光纤损耗系数为了衡量一根光纤损耗特性的好坏，在此引入损耗系数(或称为衰减系数)的概念，即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数，一般
5、用表示损耗系数，单位是dB/km。用数学表达式表示为：式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率，以mW或W为单位。3.2 光纤的色散特性3.2.1 色散的概念3.2.2 模式色散所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。1. 阶跃型光纤中的模式色散在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线 和以临界角c入射的光线，如图3.6所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光 线和光线到达终端的时延差。图3.6 阶跃型光纤的模式色散2. 渐变型光纤中的模式色散在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布，
6、使光线在光纤中传播时速度得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲展宽将很小。3.2.3 材料色散一般情况下，材料色散往往是用色散系数这个物理量来衡量，色散系数定义 为单位波长间隔内各频率成份通过单位长 度光纤所产生的色散，用D()表示，单位 是ps/（nmkm）。2. 材料色散 在已知材料色散系数的前提下，材料 色散的表达式可根据色散系数的定义导出 ，材料色散用m表示。 m()=Dm()L 式(3-25)中：为光源的谱线宽度， 即光功率下降到峰值光功率一半时所对应 的波长范围；L是光纤的传播长度。3.2.4 波导色散 式(3-23)中的第二项与波导的归一化 传播常数b和波导的归一化频率V有关，而b
7、和V又都是光纤折射率剖面结构参数的函数 ，所以式(3-23)中的第二项称之为波导色散 系数，用Dw()表示。3.2.5 极化色散极化色散也称为偏振模色散，用p表 示。从本质上讲属于模式色散，这里仅给 出粗略的概念。单模光纤中可能同时存在LP01x和 LP01y两种基模，也可能只存在其中一种模 式，并且可能由于激励和边界条件的随机 变化而出现这两种模式的交替。当光纤中存在着双折射现象时，两个 极化正交的LP01x和LP01y模传播常数x和y 不相等。对于弱导光纤，y和x之差可以近 似地表示为：式中：nx和ny分别为x方向和y方向的折射率 。3.2.6 总色散 光纤的总色散为：值得说明的是，单模光
8、纤一般只给出 色散系数D，其中包含了材料色散和波导 色散的共同影响。3.2.7 光纤的色散和带宽对通信 容量的影响 光纤的色散和带宽描述的是光纤的同 一特性。其中色散特性是在时域中的表现 形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时 间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在 频域中的表现形式，在频域中对于调制信 号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器 ，当调制信号的高频分量通过光纤时，就 会受到严重衰减，如图3.12所示。图3.12 光纤的带宽(f为调制信号频率)通常把调制信号经过光纤传播后，光 功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小， 定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下 降3dB对应的频率，
9、故也称为3dB光带宽。 可用式(3-33)表示。光功率总是要用光电子器件来检测， 而光检测器输出的电流正比于被检测的光 功率，于是：从式(3-34)中可以看出，3dB光带宽对 应于6dB电带宽。1. 色散与带宽的关系既然脉冲展宽、色散和带宽描述着光 纤的同一个特性，那么它们之间必然存在 着一定的联系。 2. 模式畸变带宽和波长色散带宽由于总色散包括模式色散、材料色散 和波导色散，所以光纤的总带宽也可表示 为：式中：BM是由模式色散引起的模式畸变带宽；Bc是由材料色散和波导色散引起的波长色散带宽。波长色散带宽定义为：式中：是光源的谱线宽度，单位是 nm；L是光纤的长度，单位是km；D()是 材料
10、色散和波导色散的色散系数(即波长色 散系数)，单位是ps/(nmkm)，其中材料色 散占主导地位。3. 链路总带宽对通信容量的影响 光纤链路总带宽与光纤长度之间的关 系要分光纤链路中间有无接头。对于无接头 的一个制造长度的光纤总带宽BT与其单位 公里带宽B的关系如下： BT=BL- 式中：L是光纤的制造长度(km)，为 带宽距离指数，它的取值与光纤的剖面分布 及模耦合状态有关，一般在0.51.0之间(多 模光纤取0.50.9，单模光纤1)。3.3 成缆对光纤特性的影响3.3.1 光缆特性1. 拉力特性光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和横截面积，一般要求大于1km光缆的重量，多数光缆在1
11、00400kg范围。2. 压力特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套 的材料和结构，多数光缆能承受的最大侧 压力在100400kg/10cm。 3. 弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相 对折射率差以及光缆的材料和结构。 4. 温度特性 光纤本身具有良好的温度特性。3.3.2 成缆对光纤特性的影响1. 成缆的附加损耗不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，称之为成缆损耗。 2. 成缆可以改善光纤的温度特性套塑光纤或带有表面涂层的光纤，它 的损耗随温度变化如图3.14中虚线所示。图3.14 光纤和光缆的温度特征把光纤制成光缆，温度特性会得到相 当大的改善，如图3.14中的实线所示
12、。 3. 机械强度增加 这一点是很显然的。一般光纤的断点 强度约为15kg，而由于光缆结构中加入 了加强构件、护套、甚至铠装层等，因此 其断点强度远大于上述值；不仅如此，光 缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性能都有明 显增强。3.4 典型光纤参数目前，ITU-T(国际电信联盟电信标 准化机构)分别对G.651光纤、G.652光纤、 G.653光纤、G.654光纤、G.655光纤的主要 参数特性进行了标准化。 G.651光纤称为渐变型多模光纤，这 种光纤在光纤通信发展初期广泛应用于中 小容量、中短距离的通信系统中。G.652光纤称为常规单模光纤，其特点是在波长1.31m处色散为零，系统的传输距离一般只受损耗的限制。G.653光纤称为色散位移光纤，其特点是在波长1.55m处色散为零，损耗又最小。G.654光纤称为截止波长光纤，其特点是在波长1.31m处色散为零，在1.55m处色散为1720ps/nmkm，和G.652光纤相同。G.655光纤称为非零色散位移光纤，是一种改进的色散位移光纤。
