光纖通信與數(shù)字傳輸?shù)诰胖v：光纖的傳輸、機(jī)械、溫度特性

1/15一、光纖的傳輸特性

光纖的傳輸特性主要是指光纖的損耗特性和色散特性，另有機(jī)械特性和溫度特性。1．光纖的損耗特性光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，而光功率強(qiáng)度逐漸減弱，光纖對光波產(chǎn)生衰減作用，稱為光纖的損耗（或衰減）。

（1）衰減系數(shù)光纖的衰減系數(shù)是指光在單位長度光纖中傳輸時的衰耗量，單位一般用dB/km。它是描述光纖損耗的主要參數(shù)。（2）光纖損耗產(chǎn)生的原因及分類光纖的損耗限制了光信號的傳播距離。光纖的損耗主要取決于吸收損耗、散射損耗、彎曲損耗3種損耗。決定光纖衰減常數(shù)的損耗主要是吸收損耗和散射損耗，彎曲損耗對光纖衰減常數(shù)的影響不大。2/15光纖損耗產(chǎn)生的原因和分類損耗散射吸收材料固有吸收原子缺陷吸收雜質(zhì)吸收氫氧根離子吸收過渡金屬離子吸收紫外吸收紅外吸收瑞利散射光纖結(jié)構(gòu)不完善散射非線性效應(yīng)散射彎曲損耗3/15一、光纖的傳輸特性

（3）光纖總損耗譜在單模光纖中有兩個低損耗區(qū)域，分別在1310nm和1550nm附近，即通常說的1310nm窗口和1550nm窗口；1550nm窗口又可以分為C-band（1525nm～1562nm）和L-band（1565nm～1610nm）。光纖總損耗譜如圖所示。圖2光纖總損耗譜4/15圖3優(yōu)質(zhì)單模光纖損耗譜5/15一、光纖的傳輸特性

2．光纖的色散特性光脈沖中的不同頻率或模式在光纖中的群速度不同，這些頻率成分和模式到達(dá)光纖終端有先有后，使得光脈沖發(fā)生展寬，這就是光纖的色散，如圖4所示。色散一般用時延差來表示，所謂時延差，是指不同頻率的信號成分傳輸同樣的距離所需要的時間之差。圖4色散引起的脈沖展寬示意圖6/15一、光纖的傳輸特性光纖的色散可分為模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）模式色散多模光纖中不同模式的光束有不同的群速度，在傳輸過程中，不同模式的光束的時間延遲不同而產(chǎn)生的色散，稱模式色散。（2）色度色散由于光源的不同頻率(或波長)成分具有不同的群速度，在傳輸過程中，不同頻率的光束的時間延遲不同而產(chǎn)生色散稱為色度色散。色度色散包括材料色散和波導(dǎo)色散。圖5普通單模光纖的色度色散7/15一、光纖的傳輸特性①材料色散由于材料折射率隨光信號頻率的變化而不同，光信號不同頻率成分所對應(yīng)的群速度不同，由此引起的色散稱為材料色散。普通石英玻璃的色散系數(shù)為正值，用于色散矯正的特殊光纖的色散系數(shù)為負(fù)值。②波導(dǎo)色散由于光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)引起的色散稱為波導(dǎo)色散。其大小可以和材料色散相比擬，普通單模光纖在1.31μm處這兩個值基本相互抵消。注：模式色散主要存在于多模光纖。單模光纖無模式色散，只有材料色散和波導(dǎo)色散。當(dāng)波長在1.31μm附近，色散接近為零。色散系數(shù)就是單位波長間隔內(nèi)光波長信號通過單位長度光纖所產(chǎn)生的時延差，用D表示，單位是ps/（nm·km）。8/15一、光纖的傳輸特性（3）偏振模色散（PMD）由于光信號的兩個正交偏振態(tài)在光纖中有不同的傳播速度而引起的色散稱偏振模色散。圖6偏振模色散9/15一、光纖的傳輸特性（4）碼間干擾（ISI）色散將導(dǎo)致碼間干擾。由于各波長成分到達(dá)的時間先后不一致，因而使得光脈沖加長了（T+ΔT），這叫作脈沖展寬，如圖7。脈沖展寬將使前后光脈沖發(fā)生重疊，形成碼間干擾，碼間干擾將引起誤碼，因而限制了傳輸?shù)拇a速率和傳輸距離。圖7碼間干擾10/15三種基本類型光纖的傳輸情況11/15二、光纖的機(jī)械特性光纖的機(jī)械特性主要包括耐側(cè)壓力、抗拉強(qiáng)度、彎曲以及扭絞性能等，使用者最關(guān)心的是抗拉強(qiáng)度。（1）光纖的抗拉強(qiáng)度光纖的抗拉強(qiáng)度很大程度上反映了光纖的制造水平。影響光纖抗拉強(qiáng)度的主要因素是光纖制造材料和制造工藝。①預(yù)制棒的質(zhì)量。②拉絲爐的加溫質(zhì)量和環(huán)境污染。③涂覆技術(shù)對質(zhì)量的影響。④機(jī)械損傷。12/15存在氣泡、雜物的光纖，會在一定張力下斷裂，如圖所示。光纖表面有裂痕時σt≈3.8×10-3σ0/L1/2σt—有裂痕時理論斷裂強(qiáng)度σ0—無裂痕時理論斷裂強(qiáng)度L—裂痕深度當(dāng)L=1μm，σ0/σt≈100，即強(qiáng)度將降低為理論值的百分之一。

無裂痕硅玻璃斷裂應(yīng)力理論值kg/mm2實(shí)際值kg/mm2二氧化硅玻璃160050-600石墨1402鋼4000100-200鎢9000100-300（2）光纖斷裂分析圖2光纖斷裂和應(yīng)力關(guān)系示意圖13/15二、光纖的機(jī)械特性（3）光纖的壽命光纖的壽命，習(xí)慣稱使用壽命，當(dāng)光纖損耗加大以致系統(tǒng)開通困難時，稱其已達(dá)到了使用壽命。從機(jī)械性能講，壽命指斷裂壽命。（4）光纖的機(jī)械可靠性一般來說，二氧化硅包層光纖的機(jī)械可靠性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可。為了提高光纖的機(jī)