光纖通信系統(tǒng)（第4版）

光纖與光纜光纖與光纜光纖是光纖通信系統(tǒng)的傳輸媒質(zhì)，其材料、結(jié)構(gòu)和傳輸特性等直接影響整個系統(tǒng)的性能。本章首先介紹光纖光纜的基本結(jié)構(gòu)和類型，包括制造光纖的主要工藝及應(yīng)用場景；然后分別應(yīng)用射線光學(xué)和波動光學(xué)理論分析光纖傳輸原理，引出光纖單模傳輸條件及相關(guān)特性參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，對光纖的損耗、色散和非線性等傳輸特性參數(shù)進(jìn)行介紹，介紹現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用的主要光纖類型。2.1光纖光纜的結(jié)構(gòu)2.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖的基本結(jié)構(gòu)由以下幾部分組成：折射率相對較高的纖芯部分、折射率相對較低的包層部分以及表面（一次）涂覆層。纖芯和包層的主要構(gòu)成材料是高度提純的SiO2，物理上是一個完整的整體，一般不能通過機(jī)械或化學(xué)等方法進(jìn)行分離，折射率的差異主要是制造時通過摻雜不同的材料成分以實(shí)現(xiàn)。表面涂覆層材料一般為紫外固化的聚酯或樹脂類材料，主要用途是為光纖提供基本的物理及機(jī)械保護(hù)，去除涂覆層后的部分也稱為裸光纖。通信用光纖的纖芯直徑一般為7~9μm（單模光纖）或50~80μm（多模光纖），包層直徑一般均為125μm。1.按纖芯-包層折射率分布按照纖芯和包層的折射率差異關(guān)系，可以分為階躍折射率光纖（SI型光纖）和漸變折射率光纖（GI型光纖）。漸變折射率光纖截面折射率分布階躍折射率光纖截面折射率分布2.按纖芯結(jié)構(gòu)（纖芯數(shù)量）一般的，一根光纖中只有一根纖芯。為了提高光纖的傳輸容量，近年來研究提出了多芯光纖，因此根據(jù)單根光纖中線芯數(shù)量的多少，可以分為單芯光纖和多芯光纖。3.按光纖的二次涂覆層按照二次涂覆層的構(gòu)成形式，可以分為緊套光纖和松套光纖。緊套光纖是指二次涂覆層與一次涂覆層緊密結(jié)合在一起。松套光纖是指一次涂覆層光纖與二次涂覆層相對獨(dú)立，即具有一次涂覆保護(hù)的光纖能在二次涂覆層內(nèi)自由活動（通過填充油膏方式懸浮其中或通過填充芳綸纖維緩沖）。4.按光纖構(gòu)成材料SiO2（石英）光纖硅酸鹽光纖鹵化物光纖硫?qū)倩衔锊ＡЮw維塑料光纖液芯光纖5.按光纖傳導(dǎo)模式按照光纖中光信號的傳導(dǎo)模式，可以分為多模光纖（即能同時傳輸多種模式的光纖）和單模光纖（即只能傳輸一種模式的光纖）。模式的數(shù)學(xué)意義是電磁場在光纖波導(dǎo)中傳播時波動方程的解，物理意義則是對應(yīng)的電磁場的存在形式。通過光纖纖芯材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以制造出不同類型的多模和單模光纖。2.1.2光纖類型國際上對光纖類型進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的工作主要是由國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)化組織(ITU-T)和國際電工委員會(IEC)負(fù)責(zé)，ITU-T涉及光纖的標(biāo)準(zhǔn)主要是G.65x系列，IEC則是標(biāo)準(zhǔn)60793系列。ITU-T光纖型號G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657……IEC光纖型號A類、B類2.1.3光纖制造工藝光纖制造主要包括兩種基本方法：氣相氧化方法和直接熔融法。直接熔融法是參考傳統(tǒng)的玻璃制造工藝，將處于熔融狀態(tài)并經(jīng)過純化處理的石英玻璃組件直接制造出光纖。氣相氧化過程是將高純度的氣相金屬鹵化物（如SiCL4和GeCl4）與氧氣（O2）反應(yīng)以得到SiO2沉積物，再通過不同的工藝將其收集（沉積）在玻璃基棒的表面后通過高溫?zé)Y(jié)形成光纖預(yù)制棒（光棒）。進(jìn)一步地，光纖則是通過預(yù)制棒加熱熔融后拉制而成。MCVD法制造光纖預(yù)制棒2.1.4光纜光纜是以光纖為主要通信元件、并集成了包括加強(qiáng)元件和外護(hù)層等組合成的整體。光纖是光纖通信系統(tǒng)的傳輸媒質(zhì)，光纜則是保證光纖完成光信號傳輸?shù)耐ㄐ旁O(shè)施，因此光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝必須要保證處于其中的光纖具有穩(wěn)定的傳輸特性。針對不同應(yīng)用場景中可能存在的環(huán)境參數(shù)變化，光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計中一般包括了加強(qiáng)元件（包括金屬或非金屬加強(qiáng)元件）、防潮層、填充油膏、外護(hù)套以及鎧裝層等。典型光纜結(jié)構(gòu)（a）層絞式（b）骨架式（c）層絞式鎧裝光纜（d）水底光纜（e）光纖帶（f）帶狀光纜（g）中心束管式光纜。2.2光纖傳輸原理光的波粒二象性（dualnature）對于光的本質(zhì)的理解幾乎貫穿了近現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展過程，尤其是近代量子物理理論的提出及完善，主要驅(qū)動力之一也是基于人們對于光的本質(zhì)理解的不斷深入。近現(xiàn)代物理學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)都已充分說明光具有波粒二象性，其中表征光具有粒子性的三個主要特征是光的直線傳播、反射（reflection）及折射（refraction），表征光具有波動性的三個特征是光的干涉（interfere）、衍射（diffraction）和極化（polarization）。2.2.1射線光纖分析法考慮一個點(diǎn)光源，其發(fā)出的光通過一塊無限大不透明板上的一個極小的孔，板后面會出現(xiàn)的一條光的軌跡，即為光線。如果光波長極短且可以忽略，并使小孔小到無窮小，則通過的光的軌跡形成一條尖銳的線即為光射線（lightray）。也可以說，對于一條極細(xì)的光束而言其軸線就是光射線。光射線也可以被理解為數(shù)量非常眾多的微小粒子組成，每一個微粒都遵循相同的運(yùn)動規(guī)律，因此射線光學(xué)符合光的粒子說理論。用光射線代表光信號傳輸軌跡的方法稱為射線光學(xué)理論分析方法，其成立的近似條件是相比于光纖的纖芯尺寸，光信號的波長非常短且趨于0。由于射線光學(xué)理論分析方法是用幾何方法定性地描述光射線的傳輸路徑以及光與其他介質(zhì)的相互關(guān)系，所以也稱為幾何光學(xué)。1.斯涅爾定律（1）反射定律（2）折射定律

全反射現(xiàn)象

2.光纖的傳光原理

2.2.2波動光學(xué)分析法1.波動光學(xué)方法射線光纖理論分析方法雖直觀地給出了光纖中光的傳輸原理，但其是假定光波長趨于0時的近似分析方法，無法對光在光纖中的傳輸狀態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格的定量分析，因此需要引入波動光學(xué)理論分析方法。波動光學(xué)分析方法是把光看做電磁波，研究電磁波在特定結(jié)構(gòu)的介質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)（光纖）中的傳輸規(guī)律，通過分析和計算得到光纖中光的傳播模式、場的分布、傳輸常數(shù)和截止條件等一系列重要結(jié)論。波動光學(xué)理論分析方法的基礎(chǔ)是麥克斯韋方程組，其核心是考察圓柱坐標(biāo)系下場的分布及截止情況，即通過求解波動方程獲知何種類型的場可以在光纖中存在，以及其相關(guān)的邊界截止條件及傳播形式等。波動光學(xué)分析法的思路

2.階躍折射率光纖傳輸原理為簡化分析，可以假設(shè)光纖包層的半徑b足夠大（趨于無窮），也即使得包層內(nèi)場在包層和空氣的界面處衰減趨于0，此時波動方程的求解即可簡化為只需考慮纖芯-包層界面的1個邊界條件進(jìn)行討論。通過這樣的簡化，不僅便于波動方程的求解，同時也符合前述光纖作為傳輸媒質(zhì)的特點(diǎn)，即場只存在于圓柱介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)部。對的波動方程采用分離變量法求解，經(jīng)過必要的數(shù)學(xué)處理和后，可得以下形式

波動中場存在的形式與條件分析

2.2.3單模傳輸條件

截止波長和模場直徑

2.3光纖傳輸特性2.3.1損耗

1.吸收損耗吸收損耗是由于光纖組成材料和雜質(zhì)對光能的吸收引起的。（1）本征吸收損耗本征吸收是由構(gòu)成光纖材料對特定波長的固有吸收所引起的，構(gòu)成光纖的材料（如SiO2）中存在著紫外光區(qū)域光譜的吸收和紅外光區(qū)域的吸收等引起的能量損失。（2）雜質(zhì)吸收損耗光纖中的雜質(zhì)包括兩部分，一部分是人為摻入的特定元素（摻雜），另一部分是由于制造工藝缺陷不可避免帶入的其他元素（雜質(zhì)）。雜質(zhì)引起的吸收損耗示例離子類型吸收峰處損耗1dB/km的雜質(zhì)離子濃度OH-1.25×10-6Cu2+2.5×10-9Fe2+1.0×10-9Cr3+1.0×10-9雜質(zhì)引起的吸收衰減產(chǎn)生1dB/km的雜質(zhì)離子濃度2.散射損耗散射損耗主要是由于光纖材料和結(jié)構(gòu)中存在的不均勻及缺陷（特別是缺陷的尺度與光波長相近的裂隙、氣痕和氣泡等），導(dǎo)致光信號的散射現(xiàn)象而引起的損耗。（1）瑞利散射損耗瑞利散射是由于光纖內(nèi)部的密度不均勻引起的，從而使纖芯的折射率沿縱向產(chǎn)生不均勻的變化。（2）波導(dǎo)散射損耗光纖在制造過程中，即使采取了各種高精度的測量和控制技術(shù)，但是仍然不可避免地會產(chǎn)生某些工藝上的缺陷。例如，纖芯尺寸上的細(xì)微變化、纖芯內(nèi)部或纖芯-包層分界面上的微小氣泡等缺陷，都可能使得光纖的纖芯部分沿z軸（傳播方向）發(fā)生變化或不均勻，這也會產(chǎn)生散射損耗。瑞利散射原理示例回憶：為什么天是藍(lán)色的？光纖中的瑞利散射

3.輻射損耗實(shí)際中當(dāng)光纖受到外力作用時，可能會產(chǎn)生一定的彎曲或形變。彎曲后的光纖雖然仍然可以繼續(xù)傳光，但光線的傳播途徑會發(fā)生改變。光纖中的傳播模式由于外力引起的形變轉(zhuǎn)換為輻射模和引起能量的泄漏，這種由應(yīng)力及形變導(dǎo)致能量泄漏產(chǎn)生的損耗稱為輻射損耗。光纖受力彎曲有兩類：（1）曲率半徑比光纖直徑大得多的彎曲，稱為宏彎（macrobending）。例如當(dāng)光纜敷設(shè)中沿著道路或河流拐彎時，就會產(chǎn)生這樣的較大半徑的彎曲；（2）光纜成纜和敷設(shè)時產(chǎn)生的極小的隨機(jī)性彎曲，稱為微彎（microbending）。例如在拉絲、成纜或敷設(shè)環(huán)節(jié)中引入的附加應(yīng)力導(dǎo)致的光纖細(xì)微彎曲等。宏彎和微彎示例2.3.2色散光纖中傳輸?shù)墓庑盘柨赡馨ú煌念l率成分或模式成分，這些包含不同頻率或不同模式成分的光脈沖在光纖中傳輸?shù)乃俣炔煌?，從而可能產(chǎn)生時延差并引起光脈沖形狀的變化（失真）。定義色散（Dispersion）為單位波長間隔內(nèi)不同波長成分的光脈沖傳輸單位距離后脈沖前后沿的時延變化量，其單位為ps/nm·km。色散是導(dǎo)致光纖中傳輸信號畸變的主要性能參數(shù)，會使光脈沖隨著傳輸距離延長而出現(xiàn)展寬現(xiàn)象，進(jìn)一步地產(chǎn)生碼間干擾（ISI）并影響系統(tǒng)的誤碼率或信噪比性能。色散導(dǎo)致光脈沖畸變示例色散分類光纖中的色散可以分為模式色散和模內(nèi)色散兩大類。模式色散也稱為模間色散或模式時延，只出現(xiàn)在多模光纖中。模式色散的產(chǎn)生是由于多模光纖中不同的傳輸模式在同一光源頻率下傳輸系數(shù)不同，因而群速度*不同而引起的色散。模內(nèi)色散也稱為色度色散，是指在一個單獨(dú)的模式內(nèi)發(fā)生的脈沖展寬。產(chǎn)生這種展寬現(xiàn)象的原因是所用的光源發(fā)射的光脈沖本身具有一定的譜寬，而群速度是波長的函數(shù)，所以光源的譜寬越大，對信號的畸變也越大，也稱為群速度色散（GVD）。引起模內(nèi)色散的主要原因包括材料色散和波導(dǎo)色散。材料色散是由于制造光纖材料本身的折射率隨頻率而變化，導(dǎo)致傳輸光信號不同頻率的群速度不同引起的色散。波導(dǎo)色散是特定模式本身傳輸時引起的色散。對于光纖中某一模式而言，由于光源發(fā)出的光包含了不同頻率成分，其傳輸系數(shù)不同引起的群速度不同導(dǎo)致傳輸時延差所致。單模光纖中，波導(dǎo)色散的影響較大。*這里群速度是指光纖中脈沖能量沿光纖傳播的速度。1.單模光纖色散及其影響

2.高階色散和色散斜率

3.隨機(jī)雙折射與偏振模色散偏振模色散主要是由于光纖的隨機(jī)雙折射效應(yīng)引起的。單模光纖中，基?？梢苑纸鉃橐粚φ黄穹至縇P01x和LP01y

，這里的x、y表示其極化方向是互相垂直的。經(jīng)典的波動光學(xué)理論分析方法中，假設(shè)光纖的橫截面形狀是理想的圓形且折射率分布是均勻的，因此LP01x模和LP01y模的傳輸常數(shù)β在光纖中處處相等，即這兩個模式是完全簡并的，也即在傳播過程中不會出現(xiàn)時延差。但實(shí)際中的光纖總有某種不同程度的不完善，如纖芯幾何形狀的橢圓度、光纖在拉制和預(yù)涂覆時未能完全釋放的內(nèi)部殘余應(yīng)力、光纖在光纜中的彎曲扭絞等都可能引起折射率指數(shù)的各向異性，最終可能使得LP01x

模和LP01y模的完全簡并條件受到破壞，其傳輸常數(shù)βx和βy不再處處相等，這種現(xiàn)象稱為隨機(jī)雙折射。用LP01x、LP01y兩個模式單位長度上的時延差Δτ來表征差分群時延（DGD）的大小，稱為偏振模色散或極化模色散(PMD)2.3.3非線性效應(yīng)構(gòu)成光纖的材料（SiO2）本身并不是一種非線性材料，但光纖的結(jié)構(gòu)使得入射光信號的較高能量聚集在很小的纖芯截面上。當(dāng)入纖光功率較高時可能會引起較明顯的非線性光學(xué)效應(yīng)，對光纖傳輸系統(tǒng)的性能和傳輸特性產(chǎn)生影響。波動光學(xué)理論指出：任何處于高強(qiáng)度電磁場中的電介質(zhì)，其響應(yīng)特性會出現(xiàn)非線性效應(yīng)，光纖也不例外，這種非線性響應(yīng)可以分為受激散射和非線性折射兩種類型。受激散射可以分為彈性散射和非彈性散射。彈性散射中，被散射光的頻率（或光子能量）保持不變，相反在非彈性散射中被散射光的頻率將會降低。光纖中最常見的非彈性散射現(xiàn)象包括受激拉曼散射（SRS）和受激布里淵散射（SBS），這兩種散射都可以理解為一個高能量的光子被散射成一個低能量的光子，同時產(chǎn)生一個能量為兩個光子能量差的另一能量子。非線性折射效應(yīng)是指材料的折射率與入射光功率相關(guān)。在較高入纖功率情況下，由于非線性折射效應(yīng)的影響，SiO2材料的折射率不再是一個常數(shù)，將會產(chǎn)生一個非線性相位移。2.4通信光纖型號及性能1.G.652光纖G.652光纖是工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的單模光纖，在各類通信網(wǎng)絡(luò)、廣播電視網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中都得到了普遍應(yīng)用，是從骨干網(wǎng)到接入網(wǎng)中最常見的通信光纖類型。G.652光纖可以工作在1310nm或1550nm兩個波長窗口，其在1310nm處損耗系數(shù)較大，同時具有最低色散（可低至零）；在1550nm處損耗最小，但具有較高的色散值（可達(dá)+17~20ps/nm·km）。ITU-T針對適用于不同應(yīng)用場合的G.652光纖進(jìn)行了性能指標(biāo)的細(xì)化，包括以下四個亞型號：（1）G.652A：僅能支持2.5Gbit/s及其以下速率的系統(tǒng)（對光纖的PMD性能不作要求）；（2）G.652B：可以支持10Gbit/s速率的系統(tǒng)（要求光纖的PMD系數(shù)小于0.5ps/km1/2）；（3）G.652C：基本屬性與G.652A相同，但在1550nm的損耗系數(shù)更低；同時通過析氫技術(shù)改進(jìn)有效降低了1380nm附近的OH-吸收峰，可以工作在整個1360~1530nm波段；（4）G.652D：屬性與G.652B光纖基本相同，而損耗性能與G.652C光纖相同，即系統(tǒng)可以工作在1360~1530nm波段。2.G.653光纖G.653光纖是針對1550nm工作波長進(jìn)行傳輸性能優(yōu)化的光纖。通過改變折射率分布形狀和剖面結(jié)構(gòu)參數(shù)等手段以改變光纖的波導(dǎo)色散，可以將G.652光纖在1310nm附近的零色散點(diǎn)移至1550nm處，故稱為色散位移光纖。G.653光纖在1550nm波長處的損耗系數(shù)和色散系數(shù)均很小，可以用于單信道長距離海底或陸地通信干線。需要特別注意的是：當(dāng)G.653光纖應(yīng)用于波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中時，由于多個位于零色散工作波長區(qū)域內(nèi)的光信號間易受到非線性效應(yīng)——四波混頻（FWM）效應(yīng)的影響，容易產(chǎn)生寄生頻率對初始信號形成干擾。因此，G.653光纖一般不能用于多信道系統(tǒng)。3.G.654光纖G.654光纖是截止波長位移光纖（1550nm波長最低損耗光纖），其針對1550nm處的損耗性能進(jìn)行了優(yōu)化，可以達(dá)到小于0.2dB/km。ITU-TG.654光纖標(biāo)準(zhǔn)共包含A、B、C和D四個子類，主要區(qū)別在于模場直徑（MFD）范圍和宏彎性能上。在G.654最新的標(biāo)準(zhǔn)版本修訂中，針對陸地高速相干通信系統(tǒng)應(yīng)用（400Gbit/s及以上），增加了E子類。G.654.E標(biāo)準(zhǔn)相對于原有的G.654.B和D標(biāo)準(zhǔn)，對光纖彎曲性能的要求更為嚴(yán)格，可以在保持與現(xiàn)有陸地應(yīng)用單模光纖基本性能一致前提下，進(jìn)一步地增大光纖有效面積，同時降低光纖損耗系數(shù)，從而提升系統(tǒng)傳輸性能。4.G.655光纖G.655光纖稱為非零色散位移光纖，也是針對1550nm波長進(jìn)行性能優(yōu)化的單模光纖。G.655光纖在1550nm波長處有較低的色散（但不是零色散），在降低色散對系統(tǒng)性能影響的同時有效抑制了四波混頻現(xiàn)象，適用于傳輸速率高于10Gbit/s的使用光纖放大器的多信道系統(tǒng)。ITU-T針對適用于不同應(yīng)用場合的G.655光纖進(jìn)行了性能指標(biāo)的細(xì)化，具體而言包括以下三個亞型號：（1）G.655A：支持200GHz及其以上間隔的DWDM系統(tǒng)在C波段的應(yīng)用；（2）G.655B：支持以10Gbit/s為基礎(chǔ)的100GHz及其以下間隔的DWDM系統(tǒng)在C和L波段的應(yīng)用；（3）G.655C：能滿足100GHz及其以下間隔DWDM系統(tǒng)在C、L波段的應(yīng)用，又能使N×10Gbit/s系統(tǒng)傳送3000km以上，或支持N×40Gbit/s系統(tǒng)傳送80km以上，除了PMDQ為0.20ps/km1/2之外，其他同G.655B。5.G.656光纖為充分開發(fā)和利用光纖的有效帶寬，提供更高的系統(tǒng)傳輸容量，需要光纖在整個光纖通信的波長段（1310～1550nm）能有一個較低的色散，G.656光纖是一種能在1310～1550nm波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)低的色散（≤1ps/nm·km）的一種光纖。6.G.657光纖單模光纖由于其纖芯尺寸較小，彎曲時會引起輻射損耗，一般在現(xiàn)場敷設(shè)及安裝時需要留有足夠大的彎曲半徑以減小附件損耗，因此對于敷設(shè)和施工要求較高，特別是對于空間狹窄的光纖接入環(huán)境而言受限較多。為此ITU-T開發(fā)了適用于接入環(huán)境的低彎曲損耗敏感的G.657光纖，G.657光纖的彎曲半徑可以小于10mm且僅產(chǎn)生極小的附加損耗，可以像銅纜一樣沿著建筑物內(nèi)很小的拐角安裝（甚至進(jìn)行直角拐彎），有效降低了光纖布線的施工難度和成本。ITU-T將G.657分為兩個亞型號：（1）G.657A光纖可用在D、E、S、C和L五個波段，可以