1、2.1 光纖結(jié)構(gòu)和類型 2.1.1 光纖結(jié)構(gòu) 2.1.2 光纖類型 2.2 光纖傳輸原理 2.2.1 幾何光學(xué)方法 2.2.2 光纖傳輸?shù)牟▌永碚?2.3 光纖傳輸特性 2.3.1 光纖色散 2.3.2 光纖損耗 2.3.3 光纖非線性 2.3.4 光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用 2.4 光纜 2.4.1 光纜基本要求 2.4.2 光纜結(jié)構(gòu)和類型 2.4.3 光纜特性 2.4.4 光纜的種類與型號 2.5 光纖特性測量方法 2.5.1 損耗測量 2.5.2 帶寬測量 2.5.3 色散測量 2.5.4 截止波長測量,第 2 章 光纖和光纜,2.1 光纖結(jié)構(gòu)和類型 2.1.1 光纖結(jié)構(gòu) 光纖（Optical Fi

2、ber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。 纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。 包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。 設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1n2。,2.1.2 光纖類型 光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖。 實(shí)用光纖主要有三種基本類型， 突變型多模光纖（Step-Index Fiber, SIF） 漸變型多模光纖（Graded-Index Fiber, GIF） 單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF） 相對于單模光纖而

3、言，突變型多模光纖和漸變型多模光纖的纖芯直徑都很大，可以容納數(shù)百個(gè)模式，所以稱為多模光纖。,三種基本類型的光纖 (a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖,典型特種單模光纖 (a) 雙包層； (b) 三角芯； (c) 橢圓芯,特種單模光纖 最有用的若干典型特種單模光纖的橫截面結(jié)構(gòu)和折射率分布示于下圖，這些光纖的特征如下： 雙包層光纖 色散平坦光纖（DispersionFlattened Fiber, DFF） 色散移位光纖（DispersionShifted Fiber, DSF） 三角芯光纖 橢圓芯光纖 雙折射光纖或偏振保持光纖。,主要用途： 突變型多模光纖只能用于

4、小容量短距離系統(tǒng)。 漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。 單模光纖用在大容量長距離的系統(tǒng)。 特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平 1.55m色散移位光纖實(shí)現(xiàn)了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超長距離系統(tǒng)。 色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。 三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率，增加傳輸距離。 偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)， 這種系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。 ,另介紹按照ITUT建議的分類方法：,按照ITUT建議，可以分為G.651光纖，G.652光纖，G.653光纖，G.654 光纖和G.65

5、5光纖： G.651光纖就是第一代工作在0.85um窗口的多模光纖。 G.652是普通的單模光纖，其零色散波長在1.31um附近，最低損耗窗口在1.55um附近，因此它可以工作在1.31um窗口，也可以工作在1.55um窗口，是目前使用最廣泛的光纖。 G.653光纖通過改變光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，將光纖的零色散點(diǎn)從1.31um移到1.55um，即所謂的色散位移光纖（DSF），使得光纖的零色散波長和最低損耗都在1.55um處。 G.654光纖在1.55um波長工作窗口具有極小的衰減，主要用于遠(yuǎn)距離無需插入有源器件的無中繼海底通信系統(tǒng)中。 在現(xiàn)代的密集波分復(fù)用系統(tǒng)中，G.653的非線性效應(yīng)相位匹配條件很容

6、易被滿足，因此G.653不適用于密集波分復(fù)用系統(tǒng)，這樣就發(fā)展了G.655光纖，它的零色散波長略小于1.55um，又叫做非零色散位移光纖（NZDSF）。,2.2 光纖傳輸原理,分析光纖傳輸原理的常用方法： 幾何光學(xué)法 麥克斯韋波動方程法,2.2.1 幾何光學(xué)方法 幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn) 數(shù)值孔徑 時(shí)間延遲 通過分析光束在光纖中傳播的空間分布和時(shí)間分布 幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)角度 突變型多模光纖 漸變型多模光纖,突變型多模光纖的光線傳播原理,1. 突變型多模光纖 數(shù)值孔徑 為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。 設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，

7、空氣的折射率n0=1， 纖芯中心軸線與z軸一致， 如下圖。 光線在光纖端面以小角度從空氣入射到纖芯(n0n2)。,改變角度，不同相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。 根據(jù)全反射原理， 存在一個(gè)臨界角c。 當(dāng)c時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。 由此可見，只有在半錐角為c的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。,根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角c的正弦值和相關(guān)介質(zhì)折射率的乘積為數(shù)值孔徑(Numerical Aperture, NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律： NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2) n0=1，由式（2.2）經(jīng)簡單計(jì)

8、算得到：,式中=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。 NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或c)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。 對于無損耗光纖，在c內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。 NA越大， 纖芯對光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好; 但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。 所以要根據(jù)實(shí)際使用場合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。,(2.3),當(dāng)光纖的數(shù)值孔徑角比光源發(fā)出的光的發(fā)散角小 的多時(shí)，要想增加耦合效率，可以利用光錐。光錐 是有一定錐度的光纖，或稱錐形光纖。光錐遵從一 個(gè)重要的規(guī)律，即 ，其中 、 、 、 分 別為光錐兩端的直徑和入射

9、或出射角。,如圖所示，其中 ， 是在光錐側(cè)面光線反射角或入射角的余角。反射表面是光錐的側(cè)面，并不和光錐的軸線平行，因此 。這樣當(dāng)光線從光錐直徑小的一端射入，那么隨著光錐直徑越來越大，光線和光錐軸線的夾角越來越小，光線越來越準(zhǔn)直。反之，當(dāng)光線從光錐直徑大的一端射入，那么，隨著光錐直徑越來越小，光線準(zhǔn)直情況越來越差，光線與光錐軸線間的夾角越來越大，甚至發(fā)展到有可能在光錐側(cè)面的某一點(diǎn)入射角小于臨界角，光線從光錐側(cè)面穿出。因此，如果光線從光錐直徑大的一端射入時(shí)，如果入射角超過了光錐直徑大的一端的接收角，那么，雖然看起來光線似乎進(jìn)入了光錐，但實(shí)際上在光錐側(cè)面上經(jīng)過多次反射后，它在光錐側(cè)面上的入射角會變得

10、小于臨界角而從光錐側(cè)面穿出。當(dāng)然，如果小發(fā)散角的準(zhǔn)直光從光錐直徑大的一端射入，那么，當(dāng)光從光錐直徑小的一端出射時(shí)，單位面積上的出射光通量有可能增大，但這是一犧牲發(fā)散角為代價(jià)的。一般人容易犯這樣的錯(cuò)誤，就是用光錐直徑大的一端去對著一個(gè)發(fā)散角大的光源，如發(fā)光二極管或者半導(dǎo)體激光器，而用光錐直徑小的一端和光纖相接，以為這樣就可以象漏斗或者喇叭一樣把所有的光都收集會聚起來注入光纖。其實(shí)這是錯(cuò)誤的。因?yàn)橐话愕陌l(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器的發(fā)散角都比光纖接收角或光纖的數(shù)值孔徑NA大，如果企圖用光錐直徑大的一端去對著一個(gè)發(fā)散角大的光源，經(jīng)過光錐以后，發(fā)散角越來越大，所以應(yīng)該用光錐直徑大的一端去對著光纖，直徑小的

11、一端對著光源。這種方法佳叫做錐型耦合法。,時(shí)間延遲 根據(jù)前圖，入射角為的光線在長度為L(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)， 在不大的條件下，其傳播時(shí)間即時(shí)間延遲為,式中c為真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光線之間時(shí)間延遲差近似為,(2.4),(2.5),這種時(shí)間延遲差在時(shí)域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號畸變。 由此可見，突變型多模光纖的信號畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后，其時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的。,式中，n1和n2分別為纖芯中心和包層的折射率， r和a分別為徑向坐標(biāo)和纖芯半徑，=(n1-n2)/n1為相對折射率差，g為折射率分布指數(shù) g， (

12、r/a)0的極限條件下，式(2.6)表示突變型多模光纖的折射率分布 g=2，n(r)按平方律(拋物線)變化，表示常規(guī)漸變型多模光纖的折射率分布。具有這種分布的光纖，不同入射角的光線會聚在中心軸線的一點(diǎn)上，因而脈沖展寬減小,2. 漸變型多模光纖 漸變型多模光纖具有能減小脈沖展寬、增加帶寬的優(yōu)點(diǎn)。 漸變型光纖折射率分布的普遍公式為,由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，纖芯各點(diǎn)數(shù)值孔徑不同，所以要定義局部數(shù)值孔徑NA(r)和最大數(shù)值孔徑NAmax,分析漸變光纖中的光線傳輸，可以將光纖纖芯 分成無數(shù)個(gè)同心的薄圓柱層，每一層的厚度趨近于 零，折射率為一個(gè)常數(shù)，相鄰層有一個(gè)很小的階 躍，入射光

13、線在每一層的分界面處發(fā)生折射和反 射，每一層的入射角逐漸增大，當(dāng)?shù)侥骋粚尤肷浣?大于該層與外面層的全反射臨界角時(shí)，光線發(fā)生全 反射，就這樣光線被限制在芯層中間傳輸。,當(dāng)光線剛好被限制纖芯中傳輸時(shí)，最外面一層和 包層的分界面上入射角應(yīng)該剛好等于臨界角，此時(shí)有 ，則 ，而 光線從端面入射進(jìn)光纖時(shí)有 ，故 此時(shí)的 為可以將光線限制在光纖中傳 輸?shù)淖畲蠼恰?上面用無限分割的方法分析計(jì)算了光線在 漸變型光纖中傳輸時(shí)入射光需要滿足的條件， 而實(shí)際中漸變光纖中的光線傳輸軌跡是蛇行傳 輸?shù)那€，如圖所示。,漸變型多模光纖的光線傳播軌跡,2.2.2 光纖傳輸?shù)牟▌永碚?光纖傳輸?shù)牟▌永碚摰膬蓚€(gè)出發(fā)點(diǎn) 波動方程和

14、電磁場表達(dá)式 特征方程和傳輸模式 光纖傳輸?shù)牟▌永碚摰膬蓚€(gè)角度 多模漸變型光纖的模式特性 單模光纖的模式特性,式中，E和H分別為電場和磁場在直角坐標(biāo)中的任一分量， c為光速。選用圓柱坐標(biāo)(r，z)，使z軸與光纖中心軸線一致， 如圖2.6所示。 將式(2.18)在圓柱坐標(biāo)中展開，得到電場的z分量Ez 的波動方程為,(2.18a),(2.18b),(2.19),1. 波動方程和電磁場表達(dá)式 設(shè)光纖沒有損耗，折射率n變化很小，在光纖中傳播的是角頻率為的單色光，電磁場與時(shí)間t的關(guān)系為exp(jt)，則標(biāo)量波動方程為,光纖中的圓柱坐標(biāo),磁場分量Hz的方程和式(2.19)完全相同，不再列出。 解方程(2.

15、19)，求出Ez 和Hz，再通過麥克斯韋方程組求出其他電磁場分量，就得到任意位置的電場和磁場。 把Ez(r, , z)分解為Ez(r)、Ez()和Ez(z)。設(shè)光沿光纖軸向(z軸)傳輸，其傳輸常數(shù)為，則Ez(z)應(yīng)為exp(-jz)。 由于光纖的圓對稱性，Ez()應(yīng)為方位角的周期函數(shù)， 設(shè)為exp( jv)，v為整數(shù)。 現(xiàn)在Ez(r)為未知函數(shù)，利用這些表達(dá)式， 電場z分量可以寫成 Ez(r, z)=Ez(r)ej(v-z) (2.20) 把式(2.20)代入式(2.19)得到,式中，k=2/=2f /c=/c，和f為光的波長和頻率。 這樣就把分析光纖中的電磁場分布，歸結(jié)為求解貝塞爾(Bess

16、el)方程(2.21)。 設(shè)纖芯(0ra)折射率n(r)=n1，包層(ra)折射率n(r)=n2，實(shí)際上突變型多模光纖和常規(guī)單模光纖都滿足這個(gè)條件。 為求解方程(2.21)，引入無量綱參數(shù)u, w和V。,(2.21),因?yàn)楣饽芰恳诶w芯(0ra)中傳輸， 在r=0處，電磁場應(yīng)為有限實(shí)數(shù)；在包層(ra)，光能量沿徑向r迅速衰減，當(dāng)r時(shí)， 電磁場應(yīng)消逝為零。 根據(jù)這些特點(diǎn)，式(2.23a)的解應(yīng)取v階貝塞爾函數(shù)Jv(ur/a)，而式(2.23b)的解則應(yīng)取v階修正的貝塞爾函數(shù)Kv(wr/a)。,式中，腳標(biāo)1和2分別表示纖芯和包層的電磁場分量，A和B為待定常數(shù)，由激勵(lì)條件確定。Jv(u)和Kv(w)

17、如圖2.7所示，Jv(u)類似振幅衰減的正弦曲線，Kv(w)類似衰減的指數(shù)曲線。 式(2.24)表明，光纖傳輸模式的電磁場分布和性質(zhì)取決于特征參數(shù)u、w和的值。 u和w決定纖芯和包層橫向(r)電磁場的分布，稱為橫向傳輸常數(shù)；決定縱向(z)電磁場分布和傳輸性質(zhì)，所以稱為(縱向)傳輸常數(shù)。,(a)貝賽爾函數(shù)；(b)修正的貝賽爾函數(shù),Jv(u),1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6,4 3 2 1 0,2 4 6 8 10 u,v=1,v=0,v=2,(a),(b),v=1,1 2 3 4 5 w,kv(w),2. 特征方程和傳輸模式 由式(2.24)確定光纖傳輸

18、模式的電磁場分布和傳輸性質(zhì)， 必須求得u, w和的值。 由式(2.22)看到，在光纖基本參數(shù)n1、n2、a和k已知的條件下， u和w只和有關(guān)。利用邊界條件，導(dǎo)出滿足的特征方程， 就可以求得和u、w的值。 由式(2.24)確定電磁場的縱向分量Ez和Hz后，就可以通過麥克斯韋方程組導(dǎo)出電磁場橫向分量Er、Hr和E、H的表達(dá)式。 因?yàn)殡姶艌鰪?qiáng)度的切向分量在纖芯包層交界面連續(xù)，在r=a處應(yīng)該有 Ez1=Ez2 Hz1=Hz2 E1=E2 H1=H2 (2.25),由式(2.24)可知，Ez和Hz已自動滿足邊界條件的要求。 由E和H的邊界條件導(dǎo)出滿足的特征方程為,這是一個(gè)超越方程，由這個(gè)方程和式(2.2

19、2)定義的特征參數(shù)V聯(lián)立，就可求得值。 但數(shù)值計(jì)算十分復(fù)雜，其結(jié)果示于后圖。 圖中縱坐標(biāo)的傳輸常數(shù)取值范圍為 n2kn1k (2.27) 相當(dāng)于歸一化傳輸常數(shù)b的取值范圍為0b1，,(2.26),橫坐標(biāo)的V稱為歸一化頻率， 根據(jù)式(2.22),(2.28),(2.29),圖中每一條曲線表示一個(gè)傳輸模式的隨V的變化， 所以方程(2.26)又稱為色散方程。,若干低階模式歸一化傳輸常數(shù)隨歸一化頻率變化的曲線,兩種重要的模式特性 模式截止: 電磁場介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)， 這個(gè)狀態(tài)稱為模式截止 模式遠(yuǎn)離截止: 當(dāng)V時(shí)， w增加很快，當(dāng)w時(shí)，u只能增加到一個(gè)有限值，這個(gè)狀態(tài)稱為模式遠(yuǎn)離截止,模

20、式截止 由修正的貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)可知， 當(dāng) 時(shí)， ， 要求在包層電磁場消逝為零， 即 0， 必要條件是w0。,如果w0， 電磁場將在包層振蕩， 傳輸模式將轉(zhuǎn)換為輻射模式，使能量從包層輻射出去。 w=0(=n2k)介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)， 這個(gè)狀態(tài)稱為模式截止。 其u、 w和值記為uc、wc和c，此時(shí)V=Vc=uc。 對于每個(gè)確定的v值，可以從特征方程(2.26)求出一系列uc值，每個(gè)uc值對應(yīng)一定的模式，決定其值和電磁場分布。,當(dāng)v=0時(shí)，電磁場可分為兩類。一類只有Ez、Er和H分量，Hz=Hr=0，E=0， 這類在傳輸方向無磁場的模式稱為橫磁模(波)，記為TM0。 另一類只有Hz、

21、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，這類在傳輸方向無電場的模式稱為橫電模(波)，記為TE0。 當(dāng)v0時(shí)，電磁場六個(gè)分量都存在，這些模式稱為混合模(波)。 混合模也有兩類， 一類EzHz，記為HEv，另一類HzEz，記為EHv。下標(biāo)v和都是整數(shù)。 第一個(gè)下標(biāo)v是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示在纖芯沿方位角繞一圈電場變化的周期數(shù)。 第二個(gè)下標(biāo)是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序數(shù)， 稱為徑向模數(shù)，它表示從纖芯中心(r=0)到纖芯與包層交界面(r=a)電場變化的半周期數(shù)。 ,模式遠(yuǎn)離截止 當(dāng)V時(shí)， w增加很快，當(dāng)w時(shí)，u只能增加到一個(gè)有限值，這個(gè)狀態(tài)稱為模式遠(yuǎn)離截止，其u值記為u。 波動方

22、程和特征方程的精確求解都非常繁雜，一般要進(jìn)行簡化。 大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層相對折射率差都很小(例如0.01)，因此有n1n2n和=nk的近似條件。這種光纖稱為弱導(dǎo)光纖，對于弱導(dǎo)光纖滿足的本征方程可以簡化為,（2.30）,由此得到的混合模HEv+1和EHv-1(例如HE31和EH11)傳輸常數(shù)相近，電磁場可以線性疊加。 用直角坐標(biāo)代替圓柱坐標(biāo)，使電磁場由六個(gè)分量簡化為四個(gè)分量，得到Ey、 Hx、 Ez、 Hz或與之正交的Ex、Hy、Ez、Hz。這些模式稱為線性偏振(Linearly Polarized)模，并記為LPv。 LP0即HE1，LP1由HE2和TE0、TM0組成，包含4重簡并， L

23、Pv(v1)由HEv+1和EHv-1組成，包含4重簡并。 若干低階LPv模簡化的本征方程和相應(yīng)的模式截止值uc和遠(yuǎn)離截止值u列于表2.1，這些低階模式和相應(yīng)的V值范圍列于表2.2，圖2.9示出四個(gè)低階模式的電磁場矢量結(jié)構(gòu)圖。,四個(gè)低階模式的電磁場矢量結(jié)構(gòu)圖,3. 多模漸變型光纖的模式特性 傳輸常數(shù) 多模漸變型光纖傳輸常數(shù)的普遍公式為,(2.31),式中， n1、 g和k前面已經(jīng)定義了，M是模式總數(shù)， m()是傳輸常數(shù)大于的模式數(shù)。,經(jīng)計(jì)算,由式(2.32)看到： 對于突變型光纖，g，M=V2/2； 對于平方律漸變型光纖，g=2，M=V2/4。 根據(jù)計(jì)算分析，在漸變型光纖中， 凡是徑向模數(shù)和方位

24、角模數(shù)v的組合滿足 q=2+v (2.33) 的模式，都具有相同的傳輸常數(shù)，這些簡并模式稱為模式群。,q稱為主模數(shù)，表示模式群的階數(shù)，第q個(gè)模式群有2q個(gè)模式， 把各模式群的簡并度加起來，就得到模式數(shù)m()=q2。 模式總數(shù)M=Q2，Q稱為最大主模數(shù)，表示模式群總數(shù)。 用q和Q代替m()和M，從式(2.31)得到第q個(gè)模式群的傳輸常數(shù),(2.34),光強(qiáng)分布 多模漸變型光纖端面的光強(qiáng)分布(又稱為近場)P(r)主要由折射率分布n(r)決定，,(2.35),式中P(0)為纖芯中心(r=0)的光強(qiáng)，C為修正因子。,4. 單模光纖的模式特性 單模條件和截止波長 從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式數(shù)

25、目隨V值的增加而增多。 當(dāng)V值減小時(shí)，不斷發(fā)生模式截止， 模式數(shù)目逐漸減少。 特別值得注意的是當(dāng)V2.405時(shí)，只有HE11(LP01)一個(gè)模式存在，其余模式全部截止。 HE11稱為基模，由兩個(gè)偏振態(tài)簡并而成。 由此得到單模傳輸條件為,V=2.405 或c=,由式(2.36)可以看到，對于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個(gè)臨界波長c，當(dāng)c時(shí)，是單模傳輸，這個(gè)臨界波長c稱為截止波長。由此得到,(2.36),光強(qiáng)分布和模場半徑 通常認(rèn)為單模光纖基模HE11的電磁場分布近似為高斯分布,式中，A為場的幅度，r為徑向坐標(biāo)，w0為高斯分布1/e點(diǎn)的半寬度，稱為模場半徑。 實(shí)際單模光纖的模場半徑w0

26、是用測量確定的，常規(guī)單模光纖用纖芯半徑a歸一化的模場半徑的經(jīng)驗(yàn)公式為,w0/a與V(或/c)的關(guān)系示于后圖。 圖中是基模HE11的注入效率。 由圖可見，在3V1.4(0.896%。,用對LP01模給出最佳注入效率的高斯場分布時(shí)，歸一化模場半徑w0/a和注入效率與歸一化波長/c或歸一化頻率V的函數(shù)關(guān)系, 雙折射和偏振保持光纖 實(shí)際光纖難以避免的形狀不完善或應(yīng)力不均勻，必定造成折射率分布各向異性，使兩個(gè)偏振模具有不同的傳輸常數(shù)(xy)。 在傳輸過程要引起偏振態(tài)的變化， 我們把兩個(gè)偏振模傳輸常數(shù)的差(x-y)定義為雙折射， 通常用歸一化雙折射來表示，,式中， =(x+y) / 2為兩個(gè)傳輸常數(shù)的平均

27、值。,(2.39), 合理的解決辦法是通過光纖設(shè)計(jì)，引入強(qiáng)雙折射，把值增加到足以使偏振態(tài)保持不變，或只保存一個(gè)偏振模式，實(shí)現(xiàn)單模單偏振傳輸。 強(qiáng)雙折射光纖和單模單偏振光纖為偏振保持光纖。,兩個(gè)正交偏振模的相位差達(dá)到2的光纖長度定義為拍長Lb,(2.40),2.3 光纖傳輸特性,產(chǎn)生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散，損耗、色散和非線性是光纖最重要的傳輸特性： 損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離 色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量 現(xiàn)代高速通信系統(tǒng)中非線性逐漸成為限制系統(tǒng)性能提高的主要因素,2.3.1 光纖色散 1. 色散、 帶寬和脈沖展寬 色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時(shí)間延

28、遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。 色散的種類： 模式色散 材料色散 波導(dǎo)色散,模式色散 不同模式間同一波長的色散，只存在于多模光纖，用幾何 光學(xué)解釋，與芯軸不同夾角的光線（代表不同模式）在同一段 光纖中傳輸路徑不同，故通過時(shí)間不同，造成延時(shí)，引起色散。,材料色散 由于制造光纖的材料折射率隨波長變化而變化引起的色 散，nn（），引起同一模式不同波長傳輸速度不同，造成 延時(shí)，引起色散。,波導(dǎo)色散 光纖為圓柱形波導(dǎo)，只要是波導(dǎo)材料就有波導(dǎo)色散，與波 導(dǎo)尺寸大小有關(guān)，關(guān)鍵參數(shù)a/，由于a/影響傳播常數(shù)，從 而影響速度，造成延時(shí)，引起色散，a/越小，波導(dǎo)色散越 大，因此同一光纖內(nèi)，a一定，波長越長，色散越大

29、，同一傳 播波長，a越小，色散越大。,色散對光纖傳輸系統(tǒng)的影響，在時(shí)域和頻域的表示方法不同。 如果信號是模擬調(diào)制的，色散限制帶寬(Bandwith)； 如果信號是數(shù)字脈沖，色散產(chǎn)生脈沖展寬(Pulse broadening)。 所以， 色散通常用3 dB光帶寬f3dB或脈沖展寬表示。 用脈沖展寬表示時(shí)， 光纖色散可以寫成 =(2n+2m+2w)1/2 (2.41) n 模式色散； m材料色散； w 波導(dǎo)色散 所引起的脈沖展寬的均方根值。 ,光纖帶寬的概念來源于線性非時(shí)變系統(tǒng)的一般理論。 如果光纖可以按線性系統(tǒng)處理，其輸入光脈沖功率Pi(t)和輸出光脈沖功率Po(t)的一般關(guān)系為,Po(t)=

30、(2.42),當(dāng)輸入光脈沖Pi(t)=(t)時(shí)，輸出光脈沖Po(t)=h(t)，式中(t)為函數(shù)，h(t)稱為光纖沖擊響應(yīng)。 沖擊響應(yīng)h(t)的傅里葉(Fourier)變換為,(2.43),一般，頻率響應(yīng)|H(f)|隨頻率的增加而下降，這表明輸入信號的高頻成分被光纖衰減了。 受這種影響，光纖起了低通濾波器的作用。 將歸一化頻率響應(yīng)|H(f) / H(0)|下降一半或減小3dB的頻率定義為光纖3dB光帶寬f3 dB，由此得到 |H(f3dB)/H(0)|= 1/2 (2.44a) 或 T(f)=10 lg|H(f3 dB)/H(0)|=-3 (2.44b) 一般， 光纖不能按線性系統(tǒng)處理， 但如

31、果系統(tǒng)光源的頻譜寬度比信號的頻譜寬度s大得多，光纖就可以近似為線性系統(tǒng)。 光纖傳輸系統(tǒng)通常滿足這個(gè)條件。,光纖實(shí)際測試表明，輸出光脈沖一般為高斯波形，設(shè) Po(t)=h(t)=exp (2.45),式中，為均方根(rms)脈沖寬度。 對式(2.45)進(jìn)行傅里葉變換，代入式(2.44a)得到 exp（-222f 23dB）=1/2 (2.46) 由式(2.46)得到3dB光帶寬為,式(2.47)脈沖寬度和是信號通過光纖產(chǎn)生的脈沖展寬，單位為ns。 ,由此得到， 信號通過光纖后產(chǎn)生的脈沖展寬= 或= ，1和2分別為輸入脈沖和輸 出脈沖的FWHM。 ,輸入脈沖一般不是函數(shù)。設(shè)輸入脈沖和輸出脈沖為式(

32、2.45)表示的高斯函數(shù)，其rms 脈沖寬度分別為1和2，頻率響應(yīng)分別為H1(f)和H2(f)，根據(jù)傅里葉變換特性得到,(2.48),光纖3dB光帶寬f3dB和脈沖展寬、的定義示于下圖。,光纖帶寬和脈沖展寬的定義,2. 多模光纖的色散 多模光纖折射率分布的普遍公式用式(2.6)n(r)表示，第q階模式群的傳輸常數(shù)用式(2.34)的q表示。 單位長度光纖第q階模式群產(chǎn)生的時(shí)間延遲,(2.49),(2.50a),式中，c為光速，k=2/，為光波長。 設(shè)光源的功率譜很陡峭，其rms 譜線寬度為，每個(gè)傳輸模式具有相同的功率， 經(jīng)計(jì)算，得到長度為L的多模光纖rms 脈沖展寬為,模間為模式色散產(chǎn)生的rms

33、 脈沖展寬。 當(dāng)g時(shí)，相應(yīng)于突變型光纖，由式(2.50a)簡化得到,當(dāng)g=2+時(shí)，相應(yīng)于rms 脈沖展寬達(dá)到最小值的漸變型光纖，由式(2.50a)簡化得到,(2.50b),(2.50c),由此可見，漸變型光纖的rms脈沖展寬比突變型光纖減小/2倍。,模內(nèi)為模內(nèi)色散產(chǎn)生的rms 脈沖展寬，其中第一項(xiàng)為材料色散，第三項(xiàng)為波導(dǎo)色散，第二項(xiàng)包含材料色散和波導(dǎo)色散的影響。 對于一般多模光纖，第一項(xiàng)是主要的，其他兩項(xiàng)可以忽略，由式(2.50b)簡化得到,下圖示出三種不同光源對應(yīng)的rms脈沖展寬和折射率分布指數(shù)g的關(guān)系。 由圖可見，rms脈沖展寬隨光源譜線寬度增大而增大，并在很大程度上取決于折射率分布指數(shù)g

34、。 當(dāng)g=g0時(shí)，達(dá)到最小值。 g的最佳值g0=2+，取決于光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料的波長特性。 當(dāng)用分布反饋激光器時(shí)，最小約為0.018 ns，相應(yīng)的帶寬達(dá)到10 GHzkm。,三種不同光源的均方根脈沖展寬與折射率分布指數(shù)的關(guān)系,由于纖芯和包層的相對折射率差1，即n1n2，由式(2.28)可以得到基模HE11的傳輸常數(shù) =n2 k (1+b) (2.51) 參數(shù)b在0和1之間。由式(2.51)可以推導(dǎo)出單位長度光纖的時(shí)間延遲,3. 單模光纖的色散 色度色散 材料色散和波導(dǎo)色散總稱為色度色散(Chromatic Dispersion)，常簡稱為色散，它是時(shí)間延遲隨波長變化產(chǎn)生的結(jié)果。 ,式中，c為光

35、速，k=2/，為光波長。,上式右邊第一項(xiàng)為材料色散,式中，的單位為nm。 當(dāng)=1273nm時(shí)，M2()=0。式(2.52)第二項(xiàng)為波導(dǎo)色散，其中=(n3-n2)/(n1-n3)，是W型單模光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，當(dāng)=0時(shí)，相應(yīng)于常規(guī)單模光纖。含V項(xiàng)的近似經(jīng)驗(yàn)公式為,經(jīng)簡化，得到單位長度的單模光纖色散系數(shù)為,(2.52),其值由實(shí)驗(yàn)確定。SiO2材料M2()的近似經(jīng)驗(yàn)公式為,不同結(jié)構(gòu)單模光纖的色散特性,不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的C()示于下圖，圖中曲線相應(yīng)于零色散波長在1.31m的常規(guī)單模光纖，零色散波長移位到1.55m的色散移位光纖，和在1.31.6m色散變化很小的色散平坦光纖，這些光纖的結(jié)構(gòu)見前圖。 ,式中，0

36、為中心波長。利用 0，可以把時(shí)間延遲()展開為泰勒級數(shù) ()=0+(-0)C0+(-0)2C0/2 (2.54) 式中，0=(0)，C0=C(0)，C0= 。 ,光源的影響 存在色散C()0的條件下，光源對光纖脈沖展寬的影響可以分為三種情況。 多色光源：設(shè) (光源頻譜寬度) s (調(diào)制帶寬) ，且光譜不受調(diào)制的影響。 這相當(dāng)于多縱模半導(dǎo)體激光器的情況。 考慮rms 譜線寬度為的高斯型光源，其功率譜密度為,(2.53),把rms 脈沖寬度為1的高斯型光脈沖(用功率表示)輸入長度為L的單模光纖，在中心波長0遠(yuǎn)離零色散波長d，即|0-d|/2的條件下，輸出光脈沖仍保持高斯型，設(shè)其rms 脈沖寬度為2

37、，由式(2.54)、式(2.53) 和式(2.48)得到,作為一級近似，|C0|L。由式(2.47)可以計(jì)算出3dB光帶寬，下圖示出常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系。 ,(2.55b),由長度為L的單模光纖色度色散產(chǎn)生的脈沖展寬為,22=21+(C0)2+ (2.55a),常規(guī)單模光纖帶寬和波長的關(guān)系,上式右邊第二項(xiàng)為光纖產(chǎn)生的脈沖展寬。 和多色光源不同， 單色光源脈沖展寬與輸入脈沖寬度1有關(guān)。根據(jù)式(2.56a)， 可以選取使輸出脈沖寬度2最小的最佳輸入脈沖寬度1,單色光源：設(shè) (光源頻譜寬度) s (調(diào)制帶寬) 且中心波長不受調(diào)制的影響。 這相當(dāng)于鎖模激光器和穩(wěn)定的單頻激光器。 在長度為L的單

38、模光纖上，輸入和輸出的光脈沖都是高斯型，其 rms 脈沖寬度分別為1和2，經(jīng)計(jì)算得到,(2.56a),(2.56b),中等譜寬：設(shè)光源的頻譜寬度和調(diào)制帶寬s相近(s)，這相當(dāng)于頻譜寬度較大的單縱模激光器。 在這種情況下，,式中，為光源的 rms頻譜寬度(用角頻率表示)。同樣可以選取使2最小的最佳1。,(2.57),式中，nx和ny分別為x-和y-方向的等效折射率。 偏振模色散本質(zhì)上是模式色散，由于模式耦合是隨機(jī)的， 因而它是一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。 目前雖沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但一般要求偏振模色散小于0.5ps/km。 由于存在偏振模色散，即使在色度色散C()=0的波長，帶寬也不是無限大，見前圖。 ,偏振模

39、色散：實(shí)際光纖不可避免地存在一定缺陷，如纖芯橢圓度和內(nèi)部殘余應(yīng)力，使兩個(gè)偏振模的傳輸常數(shù)不同，這樣產(chǎn)生的時(shí)間延遲差稱為偏振模色散或雙折射色散。 ,偏振模色散取決于光纖的雙折射，由=x-ynxk-nyk得到，,(2.58),色散引起的后果：,后果：造成碼間串?dāng)_，使誤碼率增加， 波形失真。 原因：連續(xù)的光脈沖因展寬而重疊，使 接收端無法分辨，形成誤碼。,(2.61a),習(xí)慣上的單位用dB/km， 由式(2.60)得到損耗系數(shù),Po=Pi exp(-L) (2.60),設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，根據(jù)式(2.59)，輸出光功率應(yīng)為,式中，是損耗系數(shù)。,(2.59),1. 損耗的機(jī)理

40、下圖是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 吸收損耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。 散射損耗 主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh )散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷引起的散射產(chǎn)生的。 瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。 除了以上兩種損耗外還有一種彎曲（輻射）損耗。,單模光纖損耗譜， 示出各種損耗機(jī)理,固有吸收,又稱為本征吸收，是指制造光纖的基本材料所引 入的吸收效應(yīng)，它是決定光纖在某個(gè)特定的頻譜區(qū)域 具有傳輸窗口的主要物理因素。即使光纖材料完美無 缺，不含任何雜質(zhì)、沒有任何

41、密度的變化及不均勻 性，這種吸收效應(yīng)也仍然存在。因此對于任何一種特 定材料的光纖，本征吸收是最基本的，但它的影響也 是比較小的。本征吸收的產(chǎn)生有兩個(gè)原因，其一是在 紫外線頻段的電子吸收帶，其二是在近紅外線波段原 子的振動吸收帶。,紫外吸收損耗是電子與光子發(fā)生相互作用 被激勵(lì)到更高的能級時(shí)，能量由電子吸收產(chǎn)生 損耗。這種損耗對波長小于0.4um的紫外區(qū)中 的光波表現(xiàn)得特別強(qiáng)烈，其吸收損耗曲線可延 伸到光纖通信波段（0.81.7um波段）。在短 波長范圍內(nèi)，引起的光纖損耗小于0.1dB/km。,紅外吸收損耗是由于光纖中傳輸?shù)墓獠ㄅc 晶格相互作用時(shí)，一部分光波能量傳遞給晶 格，使其振動加劇，從而引起

42、的損耗。這種吸 收損耗對紅外區(qū)中2um以上的光波表現(xiàn)得特別 強(qiáng)烈。它對光纖通信波段影響不太大，對短波 長不引起損耗。,雜質(zhì)吸收,直接熔融法制造的光纖中，雜質(zhì)所引入的吸收在幾種吸收作 用中占據(jù)主導(dǎo)地位。光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子， 如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和 離子。如果在制造光纖的 原料中過渡金屬離子的含量達(dá)到1到10ppb（ppb表示十億分之 一），則會由此產(chǎn)生1到10dB/km的損耗。對于用氣相沉積法 制造的光纖，過渡金屬離子的濃度比直接熔融法通常要低一兩 個(gè)數(shù)量級。但是雜質(zhì)吸收損耗仍然不可避免，因?yàn)殡x子內(nèi)部的 亞層并未完全充滿，電子可以在不同的能級之間躍遷，或因?yàn)?不同離子之間有

43、電荷交換。由于多種離子、多種因素的影響， 吸收峰可以很寬，而且多個(gè)吸收峰可能發(fā)生重疊，這樣就使得 受影響的波長區(qū)域變得更寬。降低材料中過渡金屬離子比較容 易，目前已可以使它們的影響減小到最小程度。,光預(yù)制棒中 離子的存在，主要是因?yàn)樵牧现?含有 、 和 在發(fā)生水解反應(yīng)的過程中使用 了氫氧焰。如果要使光纖的損耗小于20dB/km，那么 的濃度必須低于幾個(gè)ppb。早期的光纖中 離子 濃度很高，這使得在波長1390nm、1240nm和950nm 處產(chǎn)生了較大的吸收峰。 離子的本征吸收峰在 2.73um處。在這些吸收峰之間為低損耗區(qū)域。,根據(jù)損耗曲線的波峰和波谷，可以設(shè)計(jì)出光纖的 幾個(gè)“傳輸窗口”。

44、如果能有效的去除光纖中的水分 子，則可得到?jīng)]有吸收峰的損耗曲線。現(xiàn)在的商用單 模光纖能把 OH 離子的濃度降1ppb，這樣1.31um波 長窗口和1.55um波長窗口不再被OH吸收峰隔開，得 到一個(gè)很寬的低損耗波長窗口。有這種損耗曲線的光 纖叫做全波光纖（低水峰光纖），它很適合用于波分 復(fù)用系統(tǒng)。,瑞利(Rayleigh )散射,瑞利散射是一種最基本的散射過程。光纖制造過 程中，熱騷動使原子產(chǎn)生壓縮性的不均勻或壓縮性的 起伏，這使物質(zhì)的密度不均勻，從而使折射率不均 勻，這種不均勻性或起伏在冷卻過程中被固定下來。 這些不均勻尺寸比光波長還小，當(dāng)光纖中傳播的光照 射在這些不均勻微粒上時(shí)，就會向各個(gè)

45、方向散射。人 們把這種粒子的尺寸比波長小得多時(shí)產(chǎn)生的散射稱為 瑞利散射。瑞利散射引起的損耗與 成正比，隨著波 長的增加而急劇減小。對于短波長光纖，損耗主要取 決于瑞利散射損耗。,結(jié)構(gòu)缺陷引起的散射,在光纖制造過程中，由于工藝、技術(shù)問題以及一些隨機(jī)因 素，可能造成光纖結(jié)構(gòu)上的缺陷，如光纖的纖芯和包層的界面 不完整、芯徑變化、圓度不均勻、光纖中殘留氣泡和裂痕等 等。這些結(jié)構(gòu)上不完善處的尺寸遠(yuǎn)大于光波波長，引起與波長 無關(guān)的散射損耗。它實(shí)際是由于由結(jié)構(gòu)的不完善所引起的模式 轉(zhuǎn)換或模式耦合。隨著工藝的改進(jìn)，一般來說結(jié)構(gòu)缺陷引起的 損耗可以降低到0.010.05dB/km的范圍之內(nèi)。,彎曲（輻射）損耗,

46、當(dāng)理想的圓柱形光纖受到某種外力作用時(shí)，會產(chǎn)生一定曲 率半徑的彎曲，原來在纖芯中以導(dǎo)模形式傳播的功率部分的轉(zhuǎn) 化為輻射模功率并溢出光纖形成損耗，這就是輻射損耗。 光纖可以呈現(xiàn)兩類彎曲：曲率半徑比光纖直徑大得多的宏 觀彎曲，如光纜拐彎時(shí)產(chǎn)生的彎曲；光纖成纜時(shí)產(chǎn)生的、沿軸 向的隨機(jī)性微觀彎曲。,曲率半徑很大時(shí)產(chǎn)生的輻射損耗稱為宏觀彎曲損耗。輕微 的彎曲所產(chǎn)生的附加損耗非常小，基本上觀測不到。當(dāng)曲率半 徑減小時(shí)，損耗以指數(shù)形式增加，直到曲率半徑達(dá)到某一臨界 值，才可觀測到彎曲損耗。當(dāng)曲率半徑進(jìn)一步減小到臨界值以 下時(shí)，損耗就會突然變得非常大。 微觀彎曲損耗是光纖制備或應(yīng)用過程中由于光纖應(yīng)變等原 因引起

47、的光纖形變所致的損耗。,為減小微觀彎曲損耗，通常應(yīng)在光纖表面上模壓一種壓 縮護(hù)套。當(dāng)受外力作用時(shí)，護(hù)套發(fā)生形變，而光纖仍可以保持 準(zhǔn)直狀態(tài)。而對宏觀彎曲損耗，通常規(guī)定了光纖光纜的允許彎 曲半徑，使損耗降低到可以忽略不計(jì)的程度。,2. 實(shí)用光纖的損耗譜 根據(jù)以上分析和經(jīng)驗(yàn)， 光纖總損耗與波長的關(guān)系可以表示為,= +B+CW()+IR()+UV(),式中，A為瑞利散射系數(shù)， B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW()、 IR()和UV()分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗。 ,由后圖看到：從多模突變型(SIF)、漸變型(GIF)光纖到單模(SMF)光纖，損耗依次減小。 從色散的討論中看到：從多

48、模SIF、 GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(帶寬依次增大)。 單模石英光纖的零色散波長在1.31 m，還可以把零色散波長從1.31 m移到1.55m，實(shí)現(xiàn)帶寬最大損耗最小的傳輸。 正因?yàn)檫@些特性， 使光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖，從短波長(0.85 m)“窗口”發(fā)展到長波長(1.31 m和1.55 m)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。 ,光纖損耗譜 (a) 三種實(shí)用光纖； (b) 優(yōu)質(zhì)單模光纖,2.3.3 光纖非線性 任何介質(zhì)在強(qiáng)電磁場作用下都會呈現(xiàn)出非線性光學(xué)特性， 光纖也不例外。石英材料非線性系數(shù)不高，但由于現(xiàn)在光纖通 信系統(tǒng)的傳輸距離很長，且光場被限制在很小的區(qū)域

49、內(nèi)傳輸， 非線性效應(yīng)對通信質(zhì)量的影響是不可忽視的。另外，隨著一些 提高光通信系統(tǒng)通信容量的技術(shù)的應(yīng)用，非線性效應(yīng)對通信容 量的影響越來越顯著。可以說，光纖的非線性是光纖通信系統(tǒng) 的最終限制因素。光纖中的非線性效應(yīng)主要有受激喇曼散射、 受激布里淵散射、自位相調(diào)制、交叉相位調(diào)制和四波混頻幾 種。,受激光散射,前面分析光纖損耗時(shí)說到的瑞利散射是一種線性彈性散射， 光波的頻率不會發(fā)生改變。但是在非彈性散射中散射光的頻率 將會向下漂移，這種非線性散射包括受激喇曼散射（SRS）和 受激布里淵散射（SBS）。它們都是一個(gè)入射光子湮滅，產(chǎn)生 一個(gè)下移的斯托克斯光子和適當(dāng)能量和動量的聲子，不同的是 SBS中產(chǎn)生

50、的是光學(xué)聲子，SRS中產(chǎn)生的是聲學(xué)聲子。兩種散 射都會導(dǎo)致入射光頻率上的功率損耗，從而構(gòu)成光纖損耗的機(jī) 制。在入射光功率較低的情況下，散射的橫截面很小，它們導(dǎo) 致的損耗通常可以忽略。,在高輸入光功率狀態(tài)下，SRS和SBS會導(dǎo)致相當(dāng)大的光損 耗。一旦入射光功率超過閾值，散射光強(qiáng)度將成指數(shù)增長。 SRS和SBS的非常相似，但還是有些本質(zhì)差別，它們的一個(gè)基 本差別是單模光纖中SBS只發(fā)生在后向，SRS雙向都有，主要 是前向。 SRS和SBS會導(dǎo)致入射光頻率上的能量損失，但由于它們可 以將泵浦光上的能量轉(zhuǎn)移到特定波長上，因而可以利用它們來 實(shí)現(xiàn)光放大。喇曼光放大器就是利用SRS，后面將做詳細(xì)介 紹。,

51、非線性折射率變換導(dǎo)致的相位調(diào)制,當(dāng)入射光功率較高時(shí)，光纖的折射率會隨著入射光功率產(chǎn) 生微小的變化，這就叫非線性折射率變化，非線性折射率變化 引起傳播常數(shù)的變化，并使得傳輸光相位產(chǎn)生微小變化，從而 產(chǎn)生相位調(diào)制，分為自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制。,四波混頻,如果光纖中同時(shí)傳播頻率分別為 、 和 的光信號場，那 么會產(chǎn)生頻率為 的第四個(gè)光信號場。這就是 四波混頻。原則上不同加減符號的組合可以得到不同的新頻 率，但是由于任何四波混頻過程都要求滿足相位匹配條件，很 多組合是不能成立的。在多信道光通信系統(tǒng)中， 的頻率組合是最有可能產(chǎn)生的，因?yàn)樵诹闵⒉ㄩL附近，它們 是接近相位匹配的。前面說的非零色散位移光纖

52、就是為了破壞 相位匹配條件，避免四波混頻的發(fā)生。,實(shí)際上，四波混頻過程可以看成一個(gè)散射過程，能量為 和 的光子的湮滅產(chǎn)生兩個(gè)能量為 和 的光子。相位匹配 條件就是為了滿足動量守恒條件。 單信道光纖通信系統(tǒng)中無需考慮四波混頻的影響，但多信 道光通信系統(tǒng)中，四波混頻是一個(gè)主要的限制因素。新頻率的 產(chǎn)生會消耗掉原信道相當(dāng)部分的能量，并會導(dǎo)致信道間的串 話，這些都會影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量。不過四波混頻也有一些有 益的用途，如作全光波長轉(zhuǎn)換等等。,2.3.4 光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用 G.651多模漸變型(GIF)光纖 應(yīng)用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。 G.652常規(guī)單模光纖 是第一代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.

53、31 m色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。 G.653色散移位光纖 是第二代單模光纖，其特點(diǎn)是在波長1.55 m色散為零，損耗又最小。這種光纖適用于大容量長距離通信系統(tǒng)。 G.654 1.55 m損耗最小的單模光纖 其特點(diǎn)是在波長1.31 m色散為零，在1.55 m色散為1720 ps/(nmkm)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.20 dB/km以下。 色散補(bǔ)償光纖 其特點(diǎn)是在波長1.55 m具有大的負(fù)色散。 G.655非零色散光纖 是一種改進(jìn)的色散移位光纖。,表2.3 光纖特性的標(biāo)準(zhǔn),2.4 光纜,2.4.1 光纜基本要求 保護(hù)光纖固有機(jī)械強(qiáng)度的方法，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力

54、篩選。 光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料進(jìn)行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖，并對成品光纖用硬塑料進(jìn)行二次被覆。 二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀線光纖四種，見后圖。 應(yīng)力篩選條件直接影響光纖的使用壽命。 設(shè)對光纖進(jìn)行拉伸應(yīng)力篩選時(shí)，施加的應(yīng)力為p，作用時(shí)間為tp(設(shè)為1s)； 長期使用時(shí)，容許施加的應(yīng)力為r，作用時(shí)間為tr，斷裂概率為106km一個(gè)斷裂點(diǎn)。理論推算得到的容許作用時(shí)間(光纖使用壽命)tr 和應(yīng)力比r/p的關(guān)系示于后圖。,光纖使用壽命和應(yīng)力比的關(guān)系,二次被覆光纖(芯線)簡圖 (a) 緊套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 帶狀線,2.4.2 光纜結(jié)構(gòu)和類型 光

55、纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有鎧裝。 1. 纜芯 纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強(qiáng)件兩部分。 被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。 加強(qiáng)件起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時(shí)配置在護(hù)套中。 ,光纜類型的典型實(shí)例 (a) 6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)； (b) 12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)； (c) 12芯骨架式光纜(直埋)； (d) 648芯束管式光纜(直埋)； (e) 108芯帶狀光纜；(f) LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)； (g) 淺海光纜； (h) 架空地線復(fù)合光纜(OPGW),光纜 的基本型式 層絞式 把緊套（松套）光纖繞在中心

56、加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu) 成。 骨架式 把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。 中心束管式 把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中， 加強(qiáng)件配置在套管周圍而構(gòu)成。 帶狀式 把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)， 形成中心束管式結(jié)構(gòu)，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)， 形成骨架式或?qū)咏g式結(jié)構(gòu)。,2. 護(hù)套 護(hù)套起著對纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。 護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)成。 根據(jù)使用條件光纜可以分為： 室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。 特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的架空地線復(fù)

57、合光纜(OPGW)， 跨越海洋的海底光纜，易燃易爆環(huán)境使用的阻燃光纜以及各種不同條件下使用的軍用光纜等。,2.4.3 光纜特性 拉力特性 壓力特性 彎曲特性 溫度特性,拉力特性,光纜能承受的最大拉力取決于加強(qiáng)構(gòu)件的材料和橫截面 積，一般要求大于1km光纜的重量，多數(shù)光纜在100400kg范 圍。,壓力特性,光纜能承受的最大側(cè)壓力取決于護(hù)套的材料和結(jié)構(gòu)，多數(shù) 光纜能承受的最大側(cè)壓力在100400kg/10cm。,彎曲特性,彎曲特性主要取決于纖芯與包層的相對折射率差以及光 纜的材料和結(jié)構(gòu)。實(shí)用光纖的最小彎曲半徑一般為20 50mm，光纜的最小彎曲半徑一般為200500mm，等于或大 于光纖最小彎曲半徑的10倍。在以上條件下，光輻射引起的光 纖附加損耗可以忽略，若小于最小彎曲半徑，附加損耗則急劇 增加。,溫度特性,光纖本身具有良好的溫度特性。光纜的溫度特性主要取決 于光纜材料的選擇及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用松套管二次涂覆光纖的 光纜溫度特性較好。溫度變化時(shí)，光纖損耗增加，主要是由于 光纜材料（塑料）的熱膨脹系數(shù)比光纖材料（石英）要大34 個(gè)數(shù)量級，在冷縮或熱脹的過程中，光纖受到應(yīng)力作用而產(chǎn)