1、内容安排内容安排p光纤的特性（光纤的特性（几何、光学、几何、光学、传输、传输、机械、温度等机械、温度等）u传输特性：衰减、色散传输特性：衰减、色散p单模光纤的种类及性能（单模光纤的种类及性能（ITU-T G.6527）uG.652-常规单模光纤（常规单模光纤（NDSF、SSMF）uG.653-色散位移光纤（色散位移光纤（DSF）uG.654-截止波长位移光纤（截止波长位移光纤（CSF）uG.655-非零色散位移光纤（非零色散位移光纤（NZDSF）uG.656-宽带光传输非零色散位移光纤宽带光传输非零色散位移光纤uG.657-弯曲损耗不敏感非色散位移光纤弯曲损耗不敏感非色散位移光纤光纤的特性光纤
2、的特性一、几何特性一、几何特性u描述光纤结构的参数主要包括几何和光学参数。这些描述光纤结构的参数主要包括几何和光学参数。这些参数仅与光纤横截面的物理构成有关，或者说与光纤参数仅与光纤横截面的物理构成有关，或者说与光纤横截面径向参数横截面径向参数r r有关，而与光纤的长度和传输状态无有关，而与光纤的长度和传输状态无关。关。u设计：不同的光纤结构设计：不同的光纤结构,得到不同的传输性能得到不同的传输性能u生产：设计生产工艺和控制产品质量生产：设计生产工艺和控制产品质量u施工：所用光纤在结构上一致性要好施工：所用光纤在结构上一致性要好,降低连接损耗降低连接损耗,保证工保证工程质量和传输性能程质量和传
3、输性能芯直径芯直径p 阶跃型光纤，芯、包层界限分明；阶跃型光纤，芯、包层界限分明；p 梯度型光纤，从包层折射率转变到纤芯的最大折射率是梯度型光纤，从包层折射率转变到纤芯的最大折射率是逐渐发生的，芯与包层的边界不明显，这给测量带来困逐渐发生的，芯与包层的边界不明显，这给测量带来困难。难。u为了有一个统一的标准，为了有一个统一的标准，CCITTCCITT规定了具体的定义，即当纤芯折规定了具体的定义，即当纤芯折射率与外边均匀包层的折射率之差达到后者的一定比例的区域射率与外边均匀包层的折射率之差达到后者的一定比例的区域叫做纤芯，并规定多模光纤的芯直径为叫做纤芯，并规定多模光纤的芯直径为5050 3 3
4、 mm。u单模光纤？单模光纤？p包层直径：是指裸纤的直径。包层直径：是指裸纤的直径。uITU-TITU-T规定通信用光纤的外径，多模、单模均要规定通信用光纤的外径，多模、单模均要求为求为125125 3 3 mm。p同心度：同心度：是指纤芯中心与包层中心之间距离是指纤芯中心与包层中心之间距离除以芯径。除以芯径。p不圆度：不圆度：包括芯径的不圆度和包层的不圆度，包括芯径的不圆度和包层的不圆度，可用下式表示：可用下式表示：NNC C=（D Dmaxmax-D-Dminmin）/D/DC0C0 式中，式中，D Dmaxmax和和D Dminmin是芯（包层）的最大和最小是芯（包层）的最大和最小直径；
5、直径；D DC0C0是芯（包层）的标准直径。是芯（包层）的标准直径。光纤的不圆度严重时影响连接时对准效果，光纤的不圆度严重时影响连接时对准效果，增大接头损耗。增大接头损耗。二、光学特性二、光学特性p折射率分布：描述光纤从纤芯到包层的折射率折射率分布：描述光纤从纤芯到包层的折射率随半径的变化，即光纤的折射率为光纤半径的随半径的变化，即光纤的折射率为光纤半径的函数，用下式来表示。函数，用下式来表示。数值孔径数值孔径NA在光纤中，把光纤的最大接收角的正弦定义为在光纤中，把光纤的最大接收角的正弦定义为光纤的数值孔径，表示光纤对光线的可接收范围。光纤的数值孔径，表示光纤对光线的可接收范围。即即其中，相对
6、折射率差其中，相对折射率差1212122212nnnnnn212221nnnNA模场直径模场直径p模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。单模光纤只能传播基模（单模光纤只能传播基模（LP01模），模场就模），模场就是光纤中基模的电场强度在空间的分布。通俗是光纤中基模的电场强度在空间的分布。通俗地说，模场直径就是单模光纤中光斑的大小，地说，模场直径就是单模光纤中光斑的大小，uITU-T建议标准单模光纤模场直径为建议标准单模光纤模场直径为(8.69.5)0.60.6 mm。uMFDMFD对于光纤的弯曲损耗有影响。对于光纤的弯曲损耗有影响。u对施工来说，小的对
7、施工来说，小的MFD会带来较大的连接损耗，会带来较大的连接损耗，MFD的一致性对连接损耗影响很大。的一致性对连接损耗影响很大。模场直径模场直径(MFD)：光功率为：光功率为e-1E0时的光场半径宽度时的光场半径宽度(E0为轴心的为轴心的光光功率功率)，即光纤截面的光斑尺寸。，即光纤截面的光斑尺寸。模场直径模场直径 2020/expWrErE电场分布一般为高斯分布：电场分布一般为高斯分布：MFD represents how the light is actually distributed in the SMF“Mode Field Diameter”is mentioned because
8、it is an important parameter that indirectly determines the contribution to chromatic dispersion known as waveguide dispersion.The mode field diameter is also a fundamental parameter influencing the“Effective Core Area”,Aeff,which determines the nonlinear behavior of the fiber optic cable.截止波长截止波长p
9、截止波长是单模光纤保证单模传输的条件，所以截止波截止波长是单模光纤保证单模传输的条件，所以截止波长的定义是大于此波长时二阶长的定义是大于此波长时二阶LPLP11 11模不再传播。截止波模不再传播。截止波长同其它参数的不同点是不恒定，而且随着长度不同而长同其它参数的不同点是不恒定，而且随着长度不同而改变。改变。p 要求单模光纤的截止波长一定要小于光通信系统的工作要求单模光纤的截止波长一定要小于光通信系统的工作波长。波长。注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准归一化频率归一化频率(重要参数重要参数)NAannaV222/12221V综合考虑了光纤的尺寸
10、和注入波长综合考虑了光纤的尺寸和注入波长V才是判断单模和多模的标准才是判断单模和多模的标准三、传输特性三、传输特性p 光信号在光纤中经过一定距离的传输后要产生衰减和畸光信号在光纤中经过一定距离的传输后要产生衰减和畸变，因而使输出的光信号脉冲与输入相比产生了差异。变，因而使输出的光信号脉冲与输入相比产生了差异。其表现为：其表现为：幅度的衰减幅度的衰减波形的展宽波形的展宽三、传输特性三、传输特性-损耗损耗损耗损耗u即便是在理想的光纤中都存在损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗本征损耗 u光纤的损耗限制了光信号的传播距离光纤的损耗限制了光信号的传播距离u光纤损耗的单位光纤损耗的单位(dB/km
11、)log10outinPPL光纤衰减的主要原因光纤衰减的主要原因接续损耗微弯损耗弯曲损耗辐射损耗波导散射非线性散射非本征散射瑞利散射本征散射散射损耗）离子吸收羟基（过渡金属粒子吸收非本征吸收红外谐振吸收紫外谐振吸收本征吸收吸收损耗光纤损耗OH本征吸收本征吸收(1)紫外吸收紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时引 起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围z晶格光传播方向kEx(2)红外吸收红外吸收 光波与光纤晶格相互作 用，一部分光波能量传 递给晶格，使其振动加 剧，从而引起的损耗非本征吸收非本征吸收光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收OH吸收峰 2 dB解决方法：
12、解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度OH和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等(2)制造工艺上改进，如避 免使用氢氧焰加热(汽 相轴向沉积法)散射损耗散射损耗光纤的密度和折射率分布不均匀及结构上的不完善导致散射现象光纤的密度和折射率分布不均匀及结构上的不完善导致散射现象波导在小于光波长尺度上的不均匀：u分子密度分布不均匀u掺杂分子导致折射率不均匀u导致波导对入射光产生本征散射。瑞利散射一般发生在短波长本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值弯曲损耗弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场q
13、qcqRq qCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲微弯损耗微弯损耗微弯的原因：微弯的原因：光纤的生产过程中的带来的不均光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：导致的后果：造成能量辐射损耗造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗宏弯损耗微弯微弯损耗损耗基本损耗NAannaV222/12221增加，V减少
14、，W0越大62/30879.2619.165.022VVaW长波长处附加损耗显著长波长处附加损耗显著光纤损耗频谱曲线光纤损耗频谱曲线实测实测红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射紫外吸收紫外吸收波导缺陷波导缺陷四、传输特性四、传输特性-色散色散p定义：定义：沿光纤传输的光脉冲，经历在时间上沿光纤传输的光脉冲，经历在时间上的展宽，这种时域的波形展宽叫做色散。的展宽，这种时域的波形展宽叫做色散。p分类：分类：模式色散、材料色散、波导色散模式色散、材料色散、波导色散One of the most important of these peculiarities is dispersion,wherein
15、pulses of light traveling through optical fibers tend to spread out,and lose their original shape.Dispersion,like attenuation,is an impairment that degrade the optical signal as it travels over distance.分类：分类：1.模间色散模间色散2.模内色散模内色散 -材料色散材料色散 -波导色散波导色散3.偏振模色散偏振模色散色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决
16、造成困难光脉冲：不同的频率、模式、偏振分量色散的影响色散的影响导致光纤带宽的降低导致光纤带宽的降低模式色散模式色散p产生原因：在同一根光纤中，高次模的光程长，产生原因：在同一根光纤中，高次模的光程长，低次模的光程短。模式色散仅对多模光纤有效。低次模的光程短。模式色散仅对多模光纤有效。模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽阶跃光纤阶跃光纤梯度光纤梯度光纤梯度光纤可以减小模间色散：沿着轴心传播的光经历的路程短梯度光纤可以减小模间色散：沿着轴心传播
17、的光经历的路程短但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。p材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，并不是一个固定的常数，而是对不璃的折射率，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。同的传输波长有不同的值。p因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽
18、。引起脉冲波形展宽。fA光源输出都有一定的谱宽 0.001 nm123123模内色散模内色散材料色散材料色散光纤材料对不同的频率成份折射率(传播速率)不同波导色散波导色散-waveguide dispersionp所谓波导色散，是指因光纤的波导结构对不同所谓波导色散，是指因光纤的波导结构对不同波长的光产生的色散作用。波长的光产生的色散作用。u波导结构包括光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤波导结构包括光纤的纤芯与包层直径的大小、光纤的横截面折射率分布规律等。的横截面折射率分布规律等。uIt can be demonstrated that even Waveguide dispersion is
19、wavelength dependent.u它对制造各种色散位移单模光纤非常重要。它对制造各种色散位移单模光纤非常重要。单模光纤中传播模单模光纤中传播模80%能量在纤芯能量在纤芯 20%能量在包层能量在包层模内色散模内色散波导色散波导色散信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度光纤三种色散的大小顺序是：光纤三种色散的大小顺序是：模式色散模式色散材料色散材料色散波导色散波导色散p 对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。面起主导作
20、用的是模式色散，其他两个色散影响很小。p 对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和色散，其总色散为材料色散和波导色散之和-色度色散。色度色散。p CD:chromatic Dispersion,also defined as wavelength dispersion.p 单位：单位：ps/nm.km三种色散的比较三种色散的比较普通单模光纤的色散特性普通单模光纤的色散特性零色散波长零色散波长单模光纤的种类单模光纤的种类(ITU-T G.650657)pG.652：1310nm波长性能最佳光纤，标准波长性能
21、最佳光纤，标准单模光纤、色散未移位光纤。单模光纤、色散未移位光纤。u可供双窗口可供双窗口(1310nm和和1550 nm)应用，典型的衰应用，典型的衰减常数分别为减常数分别为0.30.4dB/km和和0.20.25dB/km。在在1.55m波长处衰减最小，但有较大的正色散，波长处衰减最小，但有较大的正色散，大约为大约为+18ps/nm.km。uG.652光纤应用最为广泛，我国已敷设的光纤绝大光纤应用最为广泛，我国已敷设的光纤绝大多数为多数为G.652光纤。光纤。u 缺点：缺点：1310nm处衰减偏大，处衰减偏大，1550nm色散较大。色散较大。色散位移光纤（色散位移光纤（DSF）-G.653n
22、 通过设计光纤折射率剖面，将通过设计光纤折射率剖面，将 零色散点移到零色散点移到1550nm窗口，使该窗口同时具有最小色散和最小衰减。窗口，使该窗口同时具有最小色散和最小衰减。优点：单波长、大容量、长距离传输。优点：单波长、大容量、长距离传输。缺点缺点:随随DWDM和和EDFA的广泛使用，产生非线性现的广泛使用，产生非线性现象，其中四波混频（象，其中四波混频（FWM）将产生新的频率分量，引）将产生新的频率分量，引起路际串扰。起路际串扰。1310nm1550 nm普通商用光纤色散位移光纤G.653 色散位移光纤色散位移光纤(DSF)让损耗和色散最低点都在让损耗和色散最低点都在1550 nm截止波
23、长位移光纤截止波长位移光纤-G.654-G.654u截止波长位移光纤（截止波长位移光纤（CSF），降低了），降低了1550nm处的衰处的衰减减(0.18dB/km)。u由于制造困难，最低衰减光纤十分昂贵。主要应用在由于制造困难，最低衰减光纤十分昂贵。主要应用在传输距离很长，且不能传输距离很长，且不能 插入有源器件的无中继海底光插入有源器件的无中继海底光纤通信系统，现在很少应用。纤通信系统，现在很少应用。非零色散光纤（非零色散光纤（NZDSF）：对）：对G.653的零色的零色散点进行了移动，使散点进行了移动，使15401565nm内色散系数内色散系数的上限能抑制的上限能抑制FWM的产生。在的产生
24、。在1550nm窗口有窗口有最小衰减系数和适当的色散系数。最小衰减系数和适当的色散系数。非零色散光纤（非零色散光纤（NZDSF）-G.655G.655G.655的色散的色散1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.55 1.6 1.7波长波长(m)色散色散(ps/nm.km)20 100-10-20 EDFA带宽带宽(15301625)nmC+L波段波段According to the ITU-T G recommendations there are various differences among the three types of single-mode fibers,but th
25、e main parameter distinguishing them is the Chromatic Dispersion(CD)characteristics.其它光纤其它光纤q 色散平坦光纤：在色散平坦光纤：在1310nm1550nm都具有低色散，且具有两个都具有低色散，且具有两个零色散波长。零色散波长。-已取消已取消q 色散补偿光纤（色散补偿光纤（DCF）：在）：在1550nm波长有很大的负色散波长有很大的负色散q 全波光纤：消除全波光纤：消除OH-离子吸收峰（离子吸收峰（G.652C/D）20-10-20-30101.11.21.31.41.51.61.7030 (m)普通光纤1
26、总色散2色散平坦光纤色散补偿光纤色散补偿光纤(DCF)正负色散率搭配使系统累积色散为零正负色散率搭配使系统累积色散为零存在的问题：存在的问题：(1)高损耗；高损耗；(2)短波长过补偿、长波长欠补偿短波长过补偿、长波长欠补偿全波光纤全波光纤光纤的特性光纤的特性p 多模光纤多模光纤p 单模光纤单模光纤p 全波光纤全波光纤p Fujikura藤仓公司光纤目录藤仓公司光纤目录p 推荐光纤厂家网址：推荐光纤厂家网址：uwww.SEI.comuwww.OFS.com小结和作业小结和作业p光纤的传输特性光纤的传输特性u衰减、色散衰减、色散p单模光纤的分类单模光纤的分类p机械特性：机械特性：光纤必须要能经受住
27、成缆和光缆铺光纤必须要能经受住成缆和光缆铺设过程中的压力和张力。强度和疲劳是玻璃光设过程中的压力和张力。强度和疲劳是玻璃光纤的两个基本的机械特性参数。纤的两个基本的机械特性参数。p温度特性：温度特性：目前光纤的低温特性已普遍达到较目前光纤的低温特性已普遍达到较好水平，一般在好水平，一般在-20-20C C时，损耗增加在时，损耗增加在0.ldB0.ldBkmkm以下，优质光纤在以下，优质光纤在0.05dB0.05dBkmkm以下。以下。p 在低温条件下，光纤损耗增大，这是由于光纤涂覆层、在低温条件下，光纤损耗增大，这是由于光纤涂覆层、套塑层同石英的膨胀系数不同，因而在低温下光纤受套塑层同石英的膨胀系数不同，因而在低温下光纤受到轴向压缩力而产生微弯，导致损耗增大。到轴向压缩力而产生微弯，导致损耗增大。p 随着温度的不断降低，光纤损耗就不断增大，当降至随着温度的不断降低，光纤损耗就不断增大，当降至-5555C C左右时，损耗急剧增加，显然这样的系统是无法左右时，损耗急剧增加，显然这样的系统是无法正常运行的。目前光纤的低温特性已普遍达到较好水正常运行的。目前光纤的低温特性已普遍达到较好水平，一般在平，一般在-20-20C C时，损耗增加在时，损耗增加在0.ldB0.ldBkmkm以下，优以下，优质光纤在质光纤在0.05dB0.05dBkmkm以下。以下。
