4第四章 光纤的特征参数和测试技术

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
具体介质中的相速和群速
光纤中相速和群速的表达式：
4.1.2 光纤的色散与带宽
1. 色散、脉冲展宽、相速和群速
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。
色散的种类： 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)
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
前言
产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，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(带宽)
4.1.1 光纤损耗 损耗的存在 的传输距离 。 光信号幅度减小 限制系统
带宽 色散对光纤传输系统的影响，在时域和频域的表示方法不 同。 如果信号是模拟调制的，色散限制带宽 (Bandwith) ， 单位MHz、GHz； 如 果 信 号 是 数 字 脉 冲 ， 色 散 产 生 脉 冲 展 宽 (Pulse broadening)。传输速率 Mbit/s、Gbit/s或Tbit/s。 色散通常用3 dB光带宽f3dB或脉冲展宽Δτ表示。
－1) km 损 耗 / (dB·
实验
红外 吸收
瑞利散射 紫外吸收 波导缺陷
0 .8
1 .0
1 .2 波长 / m
1 .4
1 .6
图 4.1 单模光纤损耗谱， 示出各种损耗机理
光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为
A α= 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)(INFRARED)和UV(λ)(ULTRAVIOLET)分别为 杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。
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。 G.653色散移位光纤 是第二代单模光纤，其特点是在波 长 1.55μm 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 1.55μm损耗最小的单模光纤 其特点是在波长1.31 μm色散为零，在1.55μm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。 色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 μm具有大的负色散。
s
模间色散 群折射率
N c d d (kn) dn dn nk n vg dk dk dk d
2 2 2 n2 k
对于阶跃光纤
b
n k n k
2 1 2 2 2
2

n2 k
n1k n 2 k
k[n2 (n1 n2 )b]

d d (kn2 ) d [k (n1 n2 )b] dk dk dk db N 2 ( N1 N 2 )b k (n1 n2 ) dk
10 SIF 8
－1 km 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 1 60 0
偏振色散：构成基模的两个正交偏振模具有不同的群速度
材料色散(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(与传播常数与入射光频率的依赖有关)
脉冲展宽 用脉冲展宽（群时延差）表示时， 光纤色散可以写成
Δτg=(Δτ2m+Δτ2s +Δτ2p)1/2
Δτm—模间色散； Δτs —色度色散; Δτp—偏振色散
可得
ck
色度色散 归一化波长色散：单位相对谱宽的时延差
s d 2 d 2 0 [ 2 ] kc 2 d d ( ) 0
0
k dN2 d ( N1 N 2 ) d (Vb ) ( N1 N 2 ) d 2 (Vb ) [ V ] 2 c dk dk dV k dV k dN1 N1 N 2 d 2 (Vb ) V c dk c dV 2
光纤带宽定义 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3dB光带宽f3 dB，由此得到 |H(f3dB)/H(0)|= 1/2 或 T(f)=-10lg|H(f3
dB)/H(0)|=3
dB
3dB带宽 光纤输出脉冲h(t)的高斯分布形式一般为 1 t2 h(t ) exp( 2 ) 2 2 式中，σ为均方根(rms)脉冲宽度。 对上式进行傅里叶变换，则 exp（-2π2σ2f 23dB）=1/2 得到3dB光带宽为 f3dB=
一般， 光纤不能按线性系统处理， 但如果系统光源的 频谱宽度Δωλ 比信号的频谱宽度Δωs 大得多，光纤就 可以近似为线性系统。
光纤传输系统通常满足这个条件。
带宽——冲击响应
如果光纤可以按线性系统处理，其输入光脉冲功率Pi(t)
和输出光脉冲功率Po(t)的一般关系为 Po(t)=



h(t t ) pi (t )dt
总色度色散
1.31m
总色度色散
20
¤km) £-1) ¤(nm¡ É«É¢ / (ps¡
10
³ £ ¹ æ É « É ¢ Æ ½Ì ¹
0 £ 10 £ 20 1.1 É « É ¢ ÒÆ Î »
1.2
1.3
1.4 ² ¨ ³ ¤/ m
1.5
1.6
1.7
不同结构单模光纤的色散特性
偏振色散
当输入光脉冲 Pi(t)=δ(t)时，输出光脉冲 Po(t)=h(t)，
式中δ(t)为δ函数，h(t)称为光纤冲击响应。 冲击响应h(t)的傅里叶(Fourier)变换为
H( f )



h(t ) exp( j 2ft )dt
低通滤波器 一般，频率响应|H(f)|随频率的增加而下降，这表明输入 信号的高频成分被光纤衰减了。 受这种影响，光纤起了低通滤波器的作用。
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
dP P dz
单位
式中，α是损耗系数。
定义
dB/km(表示损耗) f 奈贝/km(表示损耗)
dBm(表示功率)

10 Pout lg( ) L Pin
Pout P ine
f L
dBm 10lg[ P(m W)]
图 4.2 光纤损耗谱
(a) 三种实用光纤； (b) 优质单模光纤
－1 km 损 耗 / (dB · )
光纤宏弯损耗产生的几何光学解释
色散
色散产生的影响
几个概念 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 相速和群速的一般定义：
dz vp dt d vg d
4.1.2 损耗的机理
紫外吸收 红外吸收
本征吸收 吸收损耗
由光纤本身引起的
杂质吸收(OH根) 原子缺陷吸收 瑞利散射 受激拉曼散射 受激布里渊散射
散射损耗
由使用条件引起的:弯曲损耗
宏弯损耗 过渡弯曲损耗 微弯曲损耗
图4.1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
1 00 50 10 5 1 0 .5 0 .1 0 .0 5 0 .0 1
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
G.655非零色散光纤 是一种改进的色散移位光纤。
单模光纤波段划分
波段名称、 初始波段O 扩展波段E 短波段S 符号 波长范围 nm 12601360 13601460 14601530 常规波段C 长波段L 15301565 15651625 超常波段U 16251675
PMD：Polarization Mode Dispersion
Δτs = Δτsm + Δτsw
Δτsm—材料色散； Δτsw—波导色散; 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
传播时延
1 d d d t ( 0 )[ 2 ] 0 vg d d 0 d
2
模间色散
m
色度色散
H( f ) H2 ( f ) H1 ( f )
2 12 由此得到， 信号通过光纤后产生的脉冲展宽σ= 2 2 2 或Δτ= 2 1 FWHM。
，Δτ1和Δτ2分别为输入脉冲和输出脉冲的
4.1.3 光纤标准和应用
G.651多模渐变型(GIF)光纤 应用于中小容量、中短距离 的通信系统。
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。
模间色散 对于玻璃材料而言 且
n1 n2 N1 N2
k V
d db N 2 ( N1 N 2 )b k ( N1 N 2 ) dk dk db N 2 ( N1 N 2 )(b k ) dk d (bk) N 2 ( N1 N 2 ) dk d (Vb ) N 2 ( N1 N 2 ) dV
全波光纤与传统光纤的比较
百度文库
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
带宽——线性时不变系统
x(t )
（1）线性：
线性系统
y(t )
x1 (t ) y1 (t ) x2 (t ) y2 (t )
x1 (t ) x2 (t ) y1 (t ) y2 (t )
（2）移不变：
x(t ) y(t ) x(t T ) y(t T )
光纤为线性系统的前提条件
2 ln 2 1 187 ( MHZ ) 2
带宽的实际计算
输入脉冲 1 1/ e 1 /2 输出脉冲 2
光 纤
e 1
t
10lg H( f )/dB
Pi (t)≈ (t) H1 (f)＝1
0 －3
f
f3 dB
t Po (t)＝h (t) H2 ( f )＝H( f )
光纤带宽和脉冲展宽的定义
材料色散 sm 波导色散
sw
材料色散
sm
d sm d 2n 2 d d
色散系数：光源单位线宽引起的时延差
D
d g d
ns /(km nm)
不同材料的折射率随波长的变化关系
材料色散
1.27m
石英系光纤的材料色散曲线
波导色散
sw
N1 N 2 d 2 (Vb ) V c dV 2
半极大宽度带宽（FWHM）和1/e脉冲宽度带宽
2 ln 2 2.355

e
2 2
0.3536 e
脉冲宽度σ、Δτ和τe是信号通过光纤产生的脉冲展宽， 单位为ns。
f
3 dB
440 ( MHZ )
530
f 3dB

( MHZ )
带宽的实际计算 输入脉冲一般不是 δ 函数。设输入脉冲和输出脉冲为高斯 函数，其rms 脉冲宽度分别为σ1和 σ2 ，频率响应分别为 H1(f) 和 H2(f)，根据傅里叶变换特性得到