程控交换与光纤通信2.3

σ模内 为模内色散产生的 rms 脉冲展宽，其中材料色 散和波导色散。对于一般多模光纤，材料色散是主 要的，其他可以忽略:
L d n1 模内 2 c d
2 2
三种不同光源的均方根脉冲展宽与折射率分布指数的关系
发光二极管
km －1) 均方根脉冲展宽 / (ns·
1.0
瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤
损耗的最低理论极限。 如果Δ=0.2%，在1.55μm波长，光纤最低理论极限 为0.149 dB/km。
2. 实用光纤的损耗谱 根据以上分析和经验， 光纤总损耗α与波长λ的 关系可以表示为
α=
A

4
+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)
式中，A为瑞利散射系数， B为结构缺陷散射产生 的损耗，CW(λ)、 IR(λ)和UV(λ)分别为杂质吸收、 红外吸收和紫外吸收产生的损耗。
0.1
注入式激光器 未修正(＝0) 的均方根宽度 分布反馈 激光器
0.01
g0 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8
图 2.12
折射率分布指数 g
由图可见，rms脉冲展宽ζ随光源谱线宽度ζ增大而 增大，并在很大程度上取决于折射率分布指数g。 当g=g0时，ζ达到最小值。 g 的最佳值 g0=2+ε ，取决于光纤结构参数和材料的 波长特性。 当用分布反馈激光器时，最小ζ约为0.018 ns，相应 的带宽达到10 GHz· km。

技术水平不断提高。
2.3.3光纤标准和应用
制订光纤标准的国际组织主要有 I电报电话咨询委员会 ) 和
IEC(国际电工委员会)。表2.3列出ITU - T已公布的光纤特性 的标准。
G.651 多模渐变型 (GIF) 光纤，这种光纤在光纤通信发展
当g→∞时，相应于突变型光纤，由式(2.50a)简化得到
LN1 模间 ( g ) 2 3c
dn1 其中 N1 n1 d
当g=2+ε时，相应于脉冲展宽达到最小值的渐变型光纤
LN12 模间 ( g 2 ) 4 3c
渐变型光纤的rms脉冲展宽比突变型光纤减小Δ/2倍。
2.3光纤传输特性
损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.
•色散则限制系统的传输容量。
2.3.1光纤色散
1. 色散、 带宽和脉冲展宽 色散(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不同而产生的一种物理效应。
色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。
μm和1.55 μm存在两个损耗极小的波长“窗口”。

另一方面，从色散的讨论中看到： 从多模SIF、 GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增
大 )。

石英单模光纤的零色散波长在1.31 μm，还可以把 零色散波长从1.31 μm移到1.55μm，实现带宽最大 损耗最小的传输。 正因为这些特性， 使光纤通信从 SIF 、 GIF 光纤 发展到 SMF 光纤，从短波长 (0.85 μm)“ 窗口”发 展到长波长 (1.31μm 和 1.55 μm)“ 窗口”，使系统
km) (nm· 色散 / (ps·
0 色散移位
－1 0 －2 0 1 .1
1 .2
1 .3
1 .4 波长 / m
1 .5
1 .6
1 .7
图 2.13 不同结构单模光纤的色散特性
2.3.2光纤损耗
由于损耗的存在，在光纤中传输的光信号，不管
是模拟信号还是数字脉冲，其幅度都要减小。光纤
的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。 在最一般的条件下， 在光纤内传输的光功率 P 随距离z的变化，可以用下式表示
初期广泛应用于中小容量、中短距离的通信系统。
G.652常规单模光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波
长1.31 μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。目前 世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。

G.653 色散移位光纤，是第二代单模光纤，其特 点是在波长1.55 μm色散为零，损耗又最小。
2
式(2.52)
式 (2.52) 第二项为波导色散，其中 δ=(n3-n2)/(n1-n3) ，
是 W 型单模光纤的结构参数，当 δ=0 时，相应于常 规单模光纤。 含V项的近似经验公式为
d（bv) 2 v 0.085 0.549(2.834 v ) 2 dv
2
20
)
－1
10
常规 色散平坦
3. 单模光纤的色散
色度色散：理想单模光纤没有模式色散，只有材 料色散和波导色散。材料色散和波导色散总称为
色度色散(Chromatic Dispersion)，常简称为色散，
它是时间延迟随波长变化产生的结果。
单位长度的单模光纤色散系数为：
d n1 d 2 (bV ) c ( ) M 2 ( ) V (1 ) 2 d c dV
SiO2材料M2(λ)的近似经验公式为：
M 2 ( ) 1.23 1010

( 1273 )(PS / nm.km))
式中，λ的单位为nm。当λ=1273nm时，M2(λ)=0。
d n1 d (bV ) c ( ) M 2 ( ) V (1 ) 2 d c dV
10 SIF 8
km － 1) 损耗 /( dB·
SMF
6 4 2 0
GIF
0 .6 0 .8 1 .0 1 .2 1 .4 1 .6 1 .8 波长 / m (a)
4 .0 3 .5 3 .0 2 .5 a 2 .0 1 .5 1 .0 0 .5 0 .0 8 00
nm dB / km a b c d e 8 50 1 30 0 1 31 0 1 38 0 1 55 0 b c 1 00 0 1 20 0 波长 / nm (b) 1 .8 1 0 .3 5 0 .3 4 0 .4 0 0 .1 9 d e 1 40 0
则3dB光带宽为
f 3dB
2 ln 2 1 187 (MHZ ) 2
用高斯脉冲半极大全宽度(FWHM)Δη表示有
f 3dB
440 ( MHZ )
2. 多模光纤的色散
设光源的功率谱很陡峭，长度为L的多模光纤rms
脉冲展宽为

2
2 模间

2 模内
ζ模间为模式色散产生的rms脉冲展宽。
图2.15是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损 耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。
1 00 50 10 5
－1)
km 损耗 / (dB·
实验
0.95 1.24
1 0 .5 0 .1 0 .0 5 0 .0 1 瑞利散射 紫外吸收
1.39
红外 吸收
波导缺陷
0 .8
1 .0
1 .2 波长 / m


•模式色散在多模光纤中，传输的模式很多，不同的 模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达
终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。
•材料色散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，严格来说，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。 •波导色散由于光纤几何特性而使信号的相位和群速 度随波长变化引起的色散。
G.654 1.55 μm损耗最小的单模光纤，其特点是在 波长 1.31 μm 色散为零，在 1.55 μm 色散为 17~20 ps/(nm· km) ，和常规单模光纤相同，但损耗更低， 可达0.20 dB/km以下。 G.655 非零色散光纤，是一种改进的色散移位光 纤。在密集波分复用(WDM)系统中，当使用波长 1.55 μm色散为零的色散移位光纤时，由于复用信 道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的 非线性效应。
km － 1) 损耗 / (dB·
1 60 0
图 2.16光纤损耗谱
(a) 三种实用光纤； (b) 优质单模光纤
从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF) 光纤，损耗依次减小。 在0.8~1.55 μm波段内，除吸收峰外， 光纤损耗随波
长增加而迅速减小。在 1.39μm OH- 吸收峰两侧 1.31
1 .4
1 .6
吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引 起的吸收产生的。 a.由材料电子跃迁引起的吸收带发生在紫外(UV) 区(λ<0.4μm)，由分子振动引起的吸收带发生在红外 (IR)区(λ>7μm)，由于SiO2是非晶状材料，两种吸收带 从不同方向伸展到可见光区。
b.光纤中的杂质主要有过渡金属(例如Fe2+、Co2+、 Cu2+)和氢氧根(OH-)离子。
散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利 ( Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷 (如气泡)引起的散射产 生的。 结构缺陷散射产生的损耗与波长无关。
瑞利散射损耗αR与波长λ四次方成反比，可用经验
公式表示为
αR=A/λ4
瑞利散射系数A取决于纤芯与包层折射率差Δ。
当Δ分别为0.2%和0.5%时，A分别为0.86和1.02。
dp ap dz
式中，α是损耗系数。
(2.59)
设长度为L(km)的光纤， 输入光功率为Pi，根据式(2.59)， 输出光功率应为
P0 P L) i exp(
习惯上α的单位用dB/km， 由式(2.60)得到损耗系数
10 pi lg (dB / km) L p0
1. 损耗的机理
光纤 3dB 光带宽 f3dB 和脉冲展宽 Δη 、 ζ 的定义示于图 2.11。
输入脉冲 1 1/ e 1 /2 输出脉冲 2