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第四章光纤的传输特性和测试技术 4.1 光纤的传输特性4.1.1 光纤的损耗4.1.2 光纤的色散/带宽4.1.3 光纤的标准4.1.4 习题 产生信信号号畸畸变变的主要原因是光纤中存在色色散散，损损耗和色散耗和色散是光纤最重要的传输特性：损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量色散则限制系统的传输容量(带宽带宽)前言4.1.1 光纤损耗光纤损耗 损损损损耗耗耗耗的存在 光信号幅幅幅幅度度度度减小 限制系统的传输距离传输距离传输距离传输距离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光光光光功功功功率率率率P P随距距距距离离离离z z的变化，可以用下式表示式中，是损耗系数损耗系数损耗系数损耗系数。单位位定定义 dB/km(表示损耗)奈贝/km(表示损耗)dBm(表示功率)4.1.2 损耗的机理损耗的机理 本征吸收杂质吸收(OH根)原子缺陷吸收由光纤本身引起的由使用条件引起的:弯曲损耗吸收损耗散射损耗瑞利散射受激拉曼散射受激布里渊散射宏弯损耗过渡弯曲损耗微弯曲损耗紫外吸收红外吸收图 4.1 单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理 图4.1是单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长损耗与波长损耗与波长损耗与波长的关系光纤光纤光纤光纤总损耗总损耗总损耗总损耗 与波长波长波长波长 的关系可以表示为=+B+CW()+IR()+UV()式中，A为瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射系系系系数数数数，B为结结结结构构构构缺缺缺缺陷陷陷陷散散散散射射射射产生的损耗，CW()、IR()(INFRARED)和UV()(ULTRAVIOLET)分别为杂质吸收杂质吸收杂质吸收杂质吸收、红外吸收红外吸收红外吸收红外吸收和紫紫紫紫外吸收外吸收外吸收外吸收产生的损耗。图 4.2 光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤 光纤宏弯损耗产生的几何光学解释色散色散产生的影响 群延时:光脉冲行进单位轴向距离所需的时间群速:光脉冲沿轴向行进的速度几个概念相速和群速的一般定义：场的等相位面沿z轴的传播速度场的等幅面沿z轴的传播速度光纤中相速和群速的表达式：具体介质中的相速和群速 4.1.2 光纤的色散与带宽光纤的色散与带宽 1.色散、脉冲展宽、相速和群速色散、脉冲展宽、相速和群速 色色色色散散散散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散的种类：模式色散模式色散(单色弥散,即在单一入射光频率下,不同导模的群速 不同引起的)偏振色散：构成基模的两个正交偏振模具有不同的群速度 材材料料色色散散(与材料的折射率对入射光频率的响应,即色散系数有关)波导色散波导色散(与与传播常数传播常数与与入射光频率入射光频率的依赖有关的依赖有关)用脉冲展宽（群时延差）表示时，光纤色散色散色散色散可以写成 g=(2m+2s+2p)1/2m模间色散；s 色度色散;p偏振色散色散 脉冲展宽多模光纤：模式色散、波导色散、材料色散单模光纤：材料色散、波导色散、偏振色散s=sm+sw sm材料色散；sw波导色散;传播时延模间色散色度色散模间色散群折射率对于阶跃光纤模间色散对于玻璃材料而言且可得色度色散归一化波长色散：单位相对谱宽的时延差材料色散波导色散材料色散色散系数：光源单位线宽引起的时延差不同材料的折射率随波长的变化关系材料色散石英系光纤的材料色散曲线波导色散总色度色散总色度色散不同结构单模光纤的色散特性偏振色散色色色色散散散散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不同。如果信号是模模模模拟拟拟拟调调调调制制制制的，色色色色散散散散限限限限制制制制带带带带宽宽宽宽(Bandwith)，单位MHz、GHz；如果信号是数数数数字字字字脉脉脉脉冲冲冲冲，色色色色散散散散产产产产生生生生脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽(Pulse broadening)。传输速率 Mbit/s、Gbit/s或Tbit/s。色散色散色散色散通常用3 dB3 dB光带宽光带宽光带宽光带宽f f3dB3dB或脉冲展宽表示。带宽带宽线性时不变系统线性系统（1）线性：（2）移不变：一般，光纤不能按线性系统处理，但如果系统光光光光源源源源的的的的频频频频谱谱谱谱宽宽宽宽度度度度 比比比比信信信信号号号号的的的的频频频频谱谱谱谱宽宽宽宽度度度度s s大大大大得多，光纤就可以近似为线性系统线性系统线性系统线性系统。光纤传输系统通常满足这个条件光纤传输系统通常满足这个条件光纤传输系统通常满足这个条件光纤传输系统通常满足这个条件。光纤为线性系统的前提条件Po(t)=当输入光脉冲Pi(t)=(t)时，输出光脉冲Po(t)=h(t)，式中(t)为函数，h(t)h(t)称为光纤冲击响应称为光纤冲击响应称为光纤冲击响应称为光纤冲击响应。冲击响应h(t)的傅里叶傅里叶傅里叶傅里叶(Fourier)(Fourier)变换变换变换变换为 如果光纤可以按线性系统处理，其输输输输入入入入光光光光脉脉脉脉冲冲冲冲功功功功率率率率Pi(t)和输出光脉冲功率输出光脉冲功率输出光脉冲功率输出光脉冲功率Po(t)的一般关系为 带宽冲击响应 一般，频频频频率率率率响响响响应应应应|H(f)|H(f)|随频率的增加而下降，这表明输入信号的高频成分高频成分高频成分高频成分被光纤衰减光纤衰减光纤衰减光纤衰减了。受这种影响，光纤起了低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器的作用。低通滤波器将归一化频率响应|H(f)/H(0)|下降一半或减小3dB的频率定义为光纤光纤光纤光纤3dB3dB光带宽光带宽光带宽光带宽f f3 dB3 dB，由此得到|H(f3dB)/H(0)|=1/2或 T(f)=-10lg|H(f3 dB)/H(0)|=3 dB 光纤带宽定义 式中，为均方根均方根均方根均方根(rms)(rms)脉冲宽度脉冲宽度脉冲宽度脉冲宽度。对上式进行傅里叶变换，则 exp（-222f 23dB）=1/2 得到3dB3dB光带宽光带宽光带宽光带宽为 f3dB=3dB带宽光纤输出脉冲h(t)的高斯分布形式一般为光纤带宽和脉冲展宽的定义 带宽的实际计算 脉冲宽度、和e是信号通过光纤产生的脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽宽宽，单位为ns。半极大宽度带宽（FWHM）和1/e脉冲宽度带宽 由此得到，信号通过光纤后产生的脉冲展宽=或=，1和2分别为输入脉冲和输出脉冲的 FWHMFWHM。输入脉冲一般不是函数。设输入脉冲和输出脉冲为高高高高斯斯斯斯函函函函数数数数，其rms rms 脉脉脉脉冲冲冲冲宽宽宽宽度度度度分别为1和2，频频频频率率率率响响响响应应应应分别为H1(f)和H2(f)，根据傅里叶变换特性傅里叶变换特性傅里叶变换特性傅里叶变换特性得到带宽的实际计算4.1.3 光纤标准和应用光纤标准和应用 G.651G.651多多多多模模模模渐渐渐渐变变变变型型型型(GIF)(GIF)光光光光纤纤纤纤 应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652G.652常常常常规规规规单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤 是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。G.653G.653色色色色散散散散移移移移位位位位光光光光纤纤纤纤 是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。G.654 G.654 1.55m1.55m损损损损耗耗耗耗最最最最小小小小的的的的单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤 其特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。G.655G.655非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤 是一种改进的色散移位光纤。波段名称、波段名称、符号符号初始波段初始波段O扩展波段展波段E短波段短波段S常常规波段波段C长波段波段L超常波段超常波段U波长范围nm1260-13601360-14601460-15301530-15651565-16251625-1675单模光纤波段划分PMD：Polarization Mode Dispersion什么是全波光纤?在20世纪80年代,人们开始使用单模光纤时,认为波长是1310纳米附近的波段最好,可用范围约是1260纳米1360纳米,这就是一个窗口;到90年代初,生产制造了1550纳米的激光器,用它作为光纤通信的光源,人们发现1550纳米这个波段更有利于光通信,不仅是这个波段的光损耗最低(0.2分贝/千米),而且窗口也很宽(从1510纳米1610纳米),有利于装用波分复用系统,能进一步扩充光纤通信的传输容量。于是,光纤通信应用的重点就随之移到了这个窗口。20世纪90年代,光纤通信系统就大部分工作在这个波段。在1310纳米和1550纳米这两个窗口之间有一个1385纳米波段,即从1360纳米1510纳米这一段,由于光损耗较大一直被认为不能使用。全波光纤与传统光纤的比较全波光纤与传统光纤的比较 与目前广泛应用的单模光纤相比,全波光纡能大大提高系统的传输容量。利用这种光纤和波分复用(WDM)技术,能使光通信网络的传输速率从目前的吉比特/秒(Gbit/s)级提高到太比特/秒(Tbit/s)级。全波光纤可提供比现在普通单模光纤超出100纳米的有效波段，至少是常规光纤使用波段的1.6倍。全波光纤是一种匹配包层光纤,其在1310nm与1550nm波段的性能是完全一样的。但与传统的单模光纤相比，全波光纤还具有其不可比拟的优势：全波光纤可以提供从1280mn1625nm的完整传输波段为DWDM系统提供的波长至少超过常规光纤60。4.2光纤特性参数的测量参考书目：光纤测量原理 D.Marcuse著，杜柏林等译 人民邮电出版社，1986光纤实验技术 苑立波等著 哈尔滨工程大学出版社，2005测量特性包括几何特性和光学特性（与耦合连接损耗耦合连接损耗耦合连接损耗耦合连接损耗关系密切）纤芯、包层直径；纤芯、包层不圆度；多模光纤的折射率分布和数值孔径；单模光纤的模场直径、模场同心误差和截止波长等传输特性（与中继距离和通信容量中继距离和通信容量中继距离和通信容量中继距离和通信容量有关）光纤的衰减系数、多模光纤的带宽和单模光纤的色散特性等；光纤的机械特性和温度特性（与光纤的长期使用稳定性和寿命光纤的长期使用稳定性和寿命光纤的长期使用稳定性和寿命光纤的长期使用稳定性和寿命有关）光纤的筛选强度、韦泊尔曲线斜率、疲劳因子和衰减温度附加损耗、时延温度特性等测量方法CCITT推荐的基准测试方法（RTM）替代性测试方法（ATM)实用性较强内容提纲1 近场、远场的概念2 折射率分布测量3 数值孔径测量4 几何参数测量5 损耗测量6 色散测量7 带宽测量远场、近场的概念 来源于光的衍射理论。首先考察小孔衍射（孔的横向尺寸远大于光波波长），观察在孔的另一边垂直于光的传播方向的各个面上的照度图样。会发现：随着观测面与小孔距离的增大，衍射效应会越来越明显，其形状、大小与小孔的相似性逐渐消失。最终超过某一距离后，图样只有大小变化而无形状变化。靠近衍射孔的区域称为“近场”；某一距离以外称为“远场”。光纤测量中的近场指靠近光纤端面的极小区域。注入条件与稳态分布稳态注入满注入稳态模式分布:光注入系统:光耦合系统模式快速稳定系统扰模器滤模器包层模剥除器热缩法压力法弯曲法几种测量多模光纤衰减的扰模器短光纤组合模式耦合理论规则光波导：折射率沿轴向均匀，沿轴向有稳定的模式分布非规则光波导：折射率沿轴向不均匀，几何尺寸偏离理想状态原因原因类别几何形状几何形状折射率分布折射率分布制造的原因1、纤芯包层分界面不完整，有随机起伏2、纤芯直径大小不一，成锥形折射率分布随z变化使用的原因1、光纤弯曲2、光纤被拉成锥形1、折射率随温度、应力等外界因素随机变化2、折射率随z周期性变化，如光纤光栅模式耦合理论模式耦合：对于非规则光纤，导波模的条件受到扰动，产生与局部缺陷对应的局部场，于是原导波模在传输过程中有一部分功率转化成辐射膜或其他导波模中，即为模式耦合。导波模辐射模导波模其他导波模导波损耗光波传输特性变化光脉冲包络的畸变构成各种集成光学元件模式耦合理论模式耦合基本方程耦合系数导波模之间的耦合同向耦合异向耦合光耦合器、Y分支、M-Z干涉仪光纤布拉格衍射光栅模式耦合理论同向耦合模式的能量变化同向耦合：当两个波导足够靠近时，一个波导的光波在另一个波导中引起极化强度的扰动，两个模式开始耦合，发生能量交换两个导模间的传播常数差值为传播常数在发生耦合时的变化量光纤的折射率分布测量最简单的测量方法：反射法替代测试方法：近场法基准测试方法：折射近场法光纤两个最重要的特性：u损耗（吸收损耗、散射损耗）由光纤轴线方向折射率不均匀性引起u带宽：可由折射率的横向分布部分预测测量折射率分布最简单的方法反射法反射法测量装置近场法测折射率分布朗伯光源近场法近场法测试装置示意图 光光强强分分布布 多多模模渐渐变变型型光光纤纤端面的光光强强分分布布(又称为近场)P(r)主要由折射率分布折射率分布n(r)n(r)决定，式中P(0)为纤芯中心(r=0)的光强，C为修正因子。用折射法测得的渐变折射率光纤的折射率分布折射近场法折射近场法原理示意图光线轨迹示意图典型折射近场测试系统示意图折射近场法测得的折射率分布曲线数值孔径的测量数值孔径的定义 最大数值孔径 远场强度有效数值孔径测量方法 折射近场法（ATM）远场强度法（RTM）远场光斑法数值孔径的波长特性远场强度有效数值孔径的定义RTM5%远场强度法测数值孔径实验装置图径向远场光斑法测试装置示意图参考法d光纤的几何参数及其测量几何参数的定义测量方法 折射近场法 传输近场法光纤几何尺寸和同心度定义传输近场法测量光纤几何尺寸装置传输近场法测量光纤几何尺寸装置用用2400测得的一根光纤的近场强度分布测得的一根光纤的近场强度分布光纤损耗的测量n测量方法 剪断法 后向散射法 插入法 剪断法定波长衰减测试装置图剪断法衰减谱测试装置图后向散射法测量原理图典型OTDR曲线典型的插入损耗法测试装置光纤色散的测量测量方法 时域脉冲延迟法测量色散时域脉冲延迟测量装置示意图光纤带宽的测量带宽的测量 频域法 时域法 脉冲展宽法 快速傅立叶变换法 频谱分析法多模光纤带宽测试装置实测的基带频响曲线
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