第三章 光纤的传输特性
3.1 光纤的损耗特性
3.2 光纤的色散特性
3.3 成缆对光纤特性的影响
3.4 典型光纤参数
3.1 光纤的损耗特性
3.1.1
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,光子流中的能量将被电子吸收,
从而引起的损耗 。
(2)
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.
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.
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
1.
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,
光纤中存在两种非线性散射，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
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
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,一般用 α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 μW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.
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
① 和以临界角 θc入射的光线 ②,如图 3.6所示 。 因此,在阶跃型光纤中最大色散是光线 ① 和光线 ② 到达终端的时延差 。
图 3.6 阶跃型光纤的模式色散
2.
在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布,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
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(λ)表示,单位是 ps/（ nm·km） 。
2.
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 τm表示 。
τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L
式 (3-25)中,Δλ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
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(λ)表示 。
3.2.5
极化色散也称为偏振模色散,用 τp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 βx和 βy
不相等 。 对于弱导光纤,βy和 βx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,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.
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,Δλ是光源的谱线宽度,单位是
nm； L是光纤的长度,单位是 km； D(λ)是材料色散和波导色散的色散系数 (即波长色散系数 ),单位是 ps/(nm·km),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
BT=B·L-γ
式中,L是光纤的制造长度 (km),γ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 0.5～ 1.0之间
(多模光纤取 0.5～ 0.9,单模光纤 γ＝ 1)。
3.3 成缆对光纤特性的影响
3.3.1
1.
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 100～ 400kg范围 。
2,
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 100～ 400kg/10cm
3,
弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差 Δ以及光缆的材料和结构。
4.
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.
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。
3.
这一点是很显然的 。 一般光纤的断点强度约为 1～ 5kg,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 1.31μm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 1.55μm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 1.31μm处色散为零,在 1.55μm
处色散为 17～ 20ps/nm·km,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 。
3.1 光纤的损耗特性
3.2 光纤的色散特性
3.3 成缆对光纤特性的影响
3.4 典型光纤参数
3.1 光纤的损耗特性
3.1.1
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,光子流中的能量将被电子吸收,
从而引起的损耗 。
(2)
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.
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.
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
1.
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,
光纤中存在两种非线性散射，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
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
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,一般用 α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 μW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.
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
① 和以临界角 θc入射的光线 ②,如图 3.6所示 。 因此,在阶跃型光纤中最大色散是光线 ① 和光线 ② 到达终端的时延差 。
图 3.6 阶跃型光纤的模式色散
2.
在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布,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
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(λ)表示,单位是 ps/（ nm·km） 。
2.
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 τm表示 。
τm(λ)=Dm(λ)·Δλ·L
式 (3-25)中,Δλ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
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(λ)表示 。
3.2.5
极化色散也称为偏振模色散,用 τp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 βx和 βy
不相等 。 对于弱导光纤,βy和 βx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,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.
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,Δλ是光源的谱线宽度,单位是
nm； L是光纤的长度,单位是 km； D(λ)是材料色散和波导色散的色散系数 (即波长色散系数 ),单位是 ps/(nm·km),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
BT=B·L-γ
式中,L是光纤的制造长度 (km),γ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 0.5～ 1.0之间
(多模光纤取 0.5～ 0.9,单模光纤 γ＝ 1)。
3.3 成缆对光纤特性的影响
3.3.1
1.
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 100～ 400kg范围 。
2,
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 100～ 400kg/10cm
3,
弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折射率差 Δ以及光缆的材料和结构。
4.
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.
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。
3.
这一点是很显然的 。 一般光纤的断点强度约为 1～ 5kg,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 1.31μm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 1.55μm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 1.31μm处色散为零,在 1.55μm
处色散为 17～ 20ps/nm·km,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 。
