光纖的傳輸原理和傳輸特性

1．概述

（1）光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是一種引導(dǎo)光沿特定方向傳播的同心圓柱體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。中心部分是纖芯，其折射率是n1，纖芯外面的部分是包層，其折射率是n2。纖芯的折射率n1高于包層的折射率n2，從而形成一種光波導(dǎo)效應(yīng)，使大部分的光被束縛在纖芯中傳輸，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸。外面的護(hù)套層僅起到保護(hù)作用，不會(huì)對(duì)光的傳輸產(chǎn)生影響。

圖2 光纖的基本結(jié)構(gòu)

光纖的幾何尺寸很小，纖芯直徑一般為5～50μm，包層的外徑為125μm，包括防護(hù)層整個(gè)光纖的外徑，也只有250μm左右。

常用的構(gòu)成纖芯和包層的材料是高純度的石英（SiO2），它是生活中玻璃的主要成分。不過(guò)必須在石英中加入少量不同的摻雜劑，用以增大或減小石英的折射率，才能作為纖芯或包層材料，常見(jiàn)的摻雜劑有二氧化鍺（GeO2）、三氧化二硼（B2O3）等。

（2）光纖的分類

按照折射率分布不同，可將光纖分為兩類：階躍型光纖（SIF）和漸變型光纖（GIF）。階躍型光纖又稱為均勻光纖，其纖芯折射率是常數(shù)，而漸變型光纖的纖芯折射率是漸變的，不過(guò)階躍型光纖和漸變型光纖的包層折射率都是常數(shù)。

按照光纖材料不同，可將光纖分為四類：石英光纖、石英芯-塑料包層光纖、多成分玻璃光纖和塑料光纖。其中，石英光纖損耗最低，在光纖通信中應(yīng)用最廣泛，本章的論述主要是針對(duì)石英光纖的。

按照傳輸模式不同，可將光纖分為兩類：?jiǎn)文９饫w和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑較小，為4～10μm，只能傳輸單一模式，可以完全避免模式色散，適用于大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信。多模光纖的纖芯直徑較大，約為50μm，在一定的工作波長(zhǎng)下可以傳輸多種模式，但會(huì)產(chǎn)生模式色散，限制傳輸距離，其優(yōu)點(diǎn)是制造、耦合、連接都比單模光纖容易，適用于短距離通信及局域網(wǎng)等場(chǎng)合。

（3）光纖的標(biāo)準(zhǔn)

目前，國(guó)際上光纖主要采用國(guó)際電信聯(lián)盟的ITU-T的G系列。與之對(duì)應(yīng)，我國(guó)的光纖標(biāo)準(zhǔn)為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15912系列和信息產(chǎn)業(yè)部頒布的通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T系列，具體如下。

①G.651：定義了漸變折射率多模光纖，主要是指0.85μm和1.31μm的多模光纖。

②G.652：普通單模光纖，指零色散波長(zhǎng)在1.31μm窗口的單模光纖。

③G.653：色散位移光纖，在G.652光纖的基礎(chǔ)上，將零色散點(diǎn)從1.31μm窗口移動(dòng)到1.55μm窗口，解決了1.55μm波長(zhǎng)的色散對(duì)單波長(zhǎng)高速系統(tǒng)的限制問(wèn)題。但光纖非線性效應(yīng)導(dǎo)致的四波混頻在G.653光纖上對(duì)DWDM系統(tǒng)的影響嚴(yán)重，故G.653并沒(méi)有得到廣泛推廣。

④G.654：截止波長(zhǎng)位移型單模光纖。這種光纖通過(guò)特殊設(shè)計(jì)使在1.55μm處的損耗系數(shù)降為0.185dB/km，這主要是為滿足海底光纖長(zhǎng)距離通信的要求。

⑤G.655：非零色散位移光纖。這種光纖是在1.55μm窗口有合理的、較低的色散，能夠降低四波混頻和交叉相位調(diào)制等非線性影響，同時(shí)能夠支持長(zhǎng)距離傳輸，而盡量減少色散補(bǔ)償。

（4）光纜

光纜最主要的技術(shù)要求是保證光纖在制造成纜、敷設(shè)，以及在各種使用環(huán)境下光纖的傳輸性能不受影響并具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

①光纜的主要特性。

機(jī)械性能：包括抗拉強(qiáng)度、抗壓、抗沖擊和彎曲性能。

溫度特性：包括高溫和低溫特性。

重量：每公里重量（kg/km）。

尺寸：外徑尺寸。

這些特性中最關(guān)鍵的是機(jī)械性能，目的是保持光纜在各種敷設(shè)條件下都能為纜芯提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械強(qiáng)度，故必須采用加強(qiáng)芯和光纜保護(hù)層。

②光纜的結(jié)構(gòu)。

纜芯：光纜結(jié)構(gòu)中的主體，其作用主要是妥善地安置光纖的位置，使光纖在各種外力影響下仍能保持優(yōu)良的傳輸性能。多芯光纜還要對(duì)光纖進(jìn)行著色以便于識(shí)別。另外，為防止氣體和水分子浸入，光纖中應(yīng)具有各種防潮層并填充油膏。

加強(qiáng)元件：有兩種結(jié)構(gòu)方式，一種是放在光纜中心的中心加強(qiáng)件方式，另一種是放在護(hù)層中的外層加強(qiáng)方式。

光纖護(hù)層：同電纜護(hù)層一樣，是由護(hù)套等構(gòu)成的多層組合體。護(hù)層一般分為填充層、內(nèi)護(hù)套、防水層、緩沖層、鎧裝層和外護(hù)套等。

③光纜的分類。

從光纜的纜芯結(jié)構(gòu)劃分，可分為層絞式、骨架式、帶狀光纖和束管式四大類。我國(guó)和歐亞各國(guó)多采用前兩種結(jié)構(gòu)。

從光纜的應(yīng)用角度劃分，可分為中繼光纜、海底光纜、用戶光纜、局內(nèi)光纜、無(wú)金屬光纜、復(fù)合光纜及野戰(zhàn)光纜等。可根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合選擇以上四類結(jié)構(gòu)的光纜。

2．光纖的傳輸原理

（1）光纖的導(dǎo)光原理

光纖通信的基本問(wèn)題是研究光信號(hào)如何在光纖中傳輸。

由于光具有波粒二象性，即波動(dòng)性和粒子性，指的是光波既能像波一樣向前傳播，有時(shí)又表現(xiàn)出粒子的特性。這里避開(kāi)用麥克斯韋方程組這種復(fù)雜的方法來(lái)解釋光的傳播特性，將光看成一條光線，即用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析其傳播特性。當(dāng)光從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩種介質(zhì)的分界面上會(huì)發(fā)生反射和折射，如圖3所示。若入射光在分界面處被全部發(fā)射回第一種介質(zhì)中，則稱為全反射現(xiàn)象。

圖3 光線在界面上的反射與折射

光線在兩介質(zhì)界面處發(fā)生全反射必須滿足以下兩個(gè)條件。

①光線必須由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)，即n1﹥n2。

②入射角必須大于其臨界角，即θc﹤θ1﹤90°。

這里臨界角。

由光纖的結(jié)構(gòu)可知，光纖纖芯的折射率n1高于包層的折射率n2，當(dāng)激光被耦合進(jìn)入纖芯后，只要到包層和纖芯界面的入射角大于臨界角，就會(huì)發(fā)生全反射，使光束在包層和纖芯的界面之間來(lái)回反射，從而使光束在光纖中傳輸下去。光纖的導(dǎo)光原理如圖4所示。

圖4 光纖的導(dǎo)光原理

根據(jù)光的反射和折射定理可知，當(dāng)光線的入射角滿足下式時(shí)，可在光纖中傳播。

式中，［插圖］，是光纖纖芯和包層的相對(duì)折射率差。

若光纖外為空氣，則有n0=1，就有

（2）光纖的數(shù)值孔徑（NA）

定義滿足入射條件的最大入射角的正弦，即sinθmax為光纖的數(shù)值孔徑（Numerical Aperture），記為NA，即

數(shù)值孔徑NA是光纖的一個(gè)極為重要的參數(shù)，反映了光纖捕捉光線的能力。

NA越大，光纖捕捉光線的能力就越強(qiáng)，光纖與光源之間的耦合效率就越高。理論上講，光纖的相對(duì)折射率差Δ應(yīng)當(dāng)取得大一些，但Δ太大會(huì)導(dǎo)致光纖嚴(yán)重的多徑色散。實(shí)際工程中，單模光纖的NA取值在0.1左右，多模光纖的NA取值在0.2左右。

3．光纖的傳輸特性

（1）光纖的損耗特性

光纖損耗的定義：光纖中傳播的光信號(hào)能量隨著傳播距離而不斷衰減。

光纖損耗的影響：決定了光信號(hào)在光纖中最大的傳輸距離。

光纖損耗的分類：吸收損耗、散射損耗和輻射損耗。其中，吸收損耗與光纖材料有關(guān)。例如，石英光纖本身的損耗主要由光纖的本征吸收、瑞利散射、雜質(zhì)吸收等因素構(gòu)成。

石英光纖的損耗隨工作波長(zhǎng)的變化如圖5所示。通常將石英光纖的通信波段劃分為三個(gè)波段，即850nm附近的短波長(zhǎng)段、1310nm附近和1550nm附近的長(zhǎng)波長(zhǎng)段。

圖5 石英光纖的損耗特性

目前光纖采用的低損耗光譜如表1所示。光纖的第一低損耗窗口位于850nm附近，第二低損耗窗口位于1310nm附近（即S波段），第三低損耗窗口位于1550nm附近（即C波段）。1561～1625nm范圍定義為L(zhǎng)波段或第四窗口。朗訊1998年推出了全波光纖即低水峰光纖，使1383nm的水峰幾乎不存在（衰減小于0.31dB/km），打開(kāi)了光纖的第五窗口，即E波段（1350～1450nm）。

表1 目前光纖采用的低損耗光譜

（2）光纖的色散特性

光纖色散的定義：不同頻率（或波長(zhǎng)）的電磁波以不同的相速度和群速度在媒質(zhì)中傳播的物理現(xiàn)象。

光纖色散的影響：會(huì)導(dǎo)致光脈沖在傳播過(guò)程中展寬，致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_，從而限制光纖通信系統(tǒng)的帶寬及容量。

光纖色散的分類：一類是波長(zhǎng)色散，它與波長(zhǎng)相關(guān)；另一類是模式色散，它與光波波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，是由于不同模式在光纖中具有不同的傳播速度，因此造成光脈沖的展寬。

多模光纖中，模式色散起決定性作用，它最終限制了光纖的傳輸帶寬，所以高速傳輸系統(tǒng)和長(zhǎng)途通信線路中只用單模光纖作為傳輸介質(zhì)。

單模光纖中，一般不存在模式色散，僅存在波長(zhǎng)色散。這主要是由于光源發(fā)出的光脈沖不可能是單色光，即使是單色光，由于光波上調(diào)制的信號(hào)存在一定的帶寬，這些不同波長(zhǎng)或頻率成分的光信號(hào)在光纖中傳播時(shí)也會(huì)因速度不同引起光脈沖的展寬。由于光波的波長(zhǎng)不同，其顏色也不同，因此又將這種色散稱為色度色散。

（3）光纖的非線性特性

光纖非線性效應(yīng)：當(dāng)注入光纖的光功率較小時(shí)，光纖是線性介質(zhì)，光纖的各個(gè)參量隨光場(chǎng)強(qiáng)弱作線性變化；當(dāng)光功率較大時(shí)，光纖將出現(xiàn)非線性變化。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是過(guò)大的光功率注入使得光纖介質(zhì)產(chǎn)生了電偶極子，電偶極子反過(guò)來(lái)與光波產(chǎn)生相互調(diào)制，在光功率小時(shí)引起小的振蕩即線性響應(yīng)，在光功率大時(shí)引起大的振蕩產(chǎn)生非線性響應(yīng)。

光纖非線性的影響：產(chǎn)生功率損耗，引起各波長(zhǎng)間的串?dāng)_，導(dǎo)致光信號(hào)傳輸失真。

光纖非線性的分類：受激拉曼散射、受激布里淵散射、四波混頻效應(yīng)和交叉相位調(diào)制等。
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