光纖的特性參數(shù)有哪些？

光纖的特性參數(shù)可以分為三大類：幾何特性參數(shù)、光學(xué)特性參數(shù)與傳輸特性參數(shù)。包括：衰耗系數(shù)（即衰減）、色散、非線性特性等。

衰耗系數(shù)（衰減）

衰耗系數(shù)是多模光纖和單模光纖最重要的特性參數(shù)之一，在很大程度上決定了多模和單模光纖通信的中繼距離。

衰耗系數(shù)的定義為：每公里光纖對(duì)光信號(hào)功率的衰減值。其表達(dá)式為：

單位為dB/km

其中：Pi為輸入光功率值（W）, Po為輸出光功率值（W）

如某光纖的衰耗系數(shù)為a=3dB/km，則lgPi/Po等于10的0.3次方約等于2，意味著經(jīng)過(guò)一公里光纖傳輸 后，其光信號(hào)功率值減小了一半。長(zhǎng)度為L(zhǎng)公里的光纖總的衰耗值為A=aL。

對(duì)于單模光纖，現(xiàn)在已能做到0.18dB/km的衰耗甚至更低。對(duì)于一個(gè)光信號(hào)，若經(jīng)過(guò) EDFA放大后輸出功率為+5dBm,其接收端的接收靈敏度若為-28dBm，則放大增益為 33dB，除以衰耗系數(shù)，除數(shù)距離為33/0.18=183公里，考慮老化等裕度，實(shí)際傳輸距離要小一些。

使光纖產(chǎn)生衰耗的原因很多，主要有：吸收衰耗，包括雜質(zhì)吸收和本征吸收；散射衰耗，包括線性散射、非線性散射和結(jié)構(gòu)不完整散射等；其它衰耗，包括微彎曲衰耗等。其中最主要的是雜質(zhì)吸收引起衰耗。在光纖材料中的雜質(zhì)如氫氧根離子、過(guò)渡金屬離子對(duì)光的吸收能力極強(qiáng)，它們是產(chǎn)生光信號(hào)衰減的重要因數(shù)。

因此，要想獲得低衰耗光纖，必須對(duì)制造光纖用的原材料二氧化硅進(jìn)行十分嚴(yán)格的化學(xué)提純，使其雜質(zhì) 的含量降到幾個(gè)PPb以下，光纖損耗的組成以及如何降低光纖損耗？。

色 散

當(dāng)一個(gè)光脈沖從光纖中輸入，經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)度的光纖傳輸之后，其輸出端的光脈沖會(huì)變寬，甚至有了明顯的失真，這說(shuō)明光纖對(duì)光脈沖有展寬的作用，即光纖存在色 散。這主要是光脈沖的前端和后端在光纖中傳輸?shù)木嚯x不一致，導(dǎo)致脈沖變寬。

光纖的色散是引起光纖帶寬變窄的主要原因，光纖帶寬變窄會(huì)限制光纖的傳輸容量，同時(shí)，也限制了光信號(hào)的傳輸距離。

G.652光纖是1310nm窗口零色散，在1550nm窗口存在色散，在傳輸10G信號(hào)時(shí)， 需加色散補(bǔ)償光纖，進(jìn)行色散補(bǔ)償；G.653光纖是色散位移光纖，在1550nm窗口零色散，可傳輸10G的光信號(hào)，但傳輸WDM波分光信號(hào)時(shí)，因零色散，會(huì)產(chǎn)生四波混頻等非線性效應(yīng)，不能用于WDM波分的傳輸。G.655光纖在1550nm窗口有很小的色散，可用于SDH光信號(hào)和WDM信號(hào)的傳輸。

光纖的色散可以分為三部分，即模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。

模式色散：主要對(duì)多模光纖而言，對(duì)單模光纖來(lái)說(shuō)，因只有一個(gè)模式傳播，不存在模式色散的問(wèn)題。

材料色散：是指組成光纖的材料二氧化硅本身所產(chǎn)生的色散。

波導(dǎo)色散：波導(dǎo)色散是指由光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)所引起的色散。

其中模式色散的定義：多模光在多模光纖中傳輸時(shí)會(huì)存在許多種傳輸模式，而每種傳輸模式具有不同的傳播速度和相位，因此雖然在輸入端同時(shí)輸入光脈沖信號(hào)，但到達(dá)接收端時(shí)的 時(shí)間卻不一致，于是產(chǎn)生了脈沖展寬的現(xiàn)象，叫模式色散。

對(duì)于多模光纖而言，由于其模式色散比較嚴(yán)重，而且其數(shù)值也比較大，其材料色散較小，不占主導(dǎo)地位，波導(dǎo)色散對(duì)多模光纖的影響甚小，所以，多模光纖主要考慮其模式色散。而單模光纖傳輸?shù)氖且粋€(gè)單模，不存在模式色散，模式色散為零，考慮的是其材料色散和波導(dǎo)色散。光纖的總色散所引起的脈沖展寬可由下式計(jì)算：

色散主要用色散系數(shù)D(λ)表示。色散系數(shù)一般只對(duì)單模光纖來(lái)說(shuō)，包括材料色散 和波導(dǎo)色散，統(tǒng)稱色散系數(shù)。

色散系數(shù)的定義：每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值，與長(zhǎng)度呈線 性關(guān)系。其計(jì)算公式為：

其中：δλ為光源譜寬，是一個(gè)模糊的 概念，可不加考慮，只要前后一致即可，D(λ)為色散系數(shù)，L為長(zhǎng)度，現(xiàn)在的單模光纖色散系數(shù)一般為20ps/km.nm。光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則引起的色散總值就越大。色散系數(shù)越小，根據(jù)上式可知，光纖的帶寬越大，傳輸容量也就越大。

所以傳輸2.5G以上光信號(hào)時(shí)，要考慮光纖色散對(duì)傳輸距離的影響，最好采用零色散的G.653光纖傳輸，但光纖色散為零時(shí)，傳輸WDM波分光信號(hào)會(huì)產(chǎn)生四波混頻等非線性效應(yīng)，所以色散要小，但不能為零。最終采用的光纖為G.655光纖來(lái)傳輸10G的 光信號(hào)和WDM波分復(fù)用信號(hào)。

對(duì)于單模光纖，其帶寬系數(shù)在25GHz.km以上，但多模光纖的帶寬系數(shù)一般在1 GHz.km以下。所以，多模光纖一般用于622M以下短距離的通 信，而單模光纖可用于多種速率的通信，多圖對(duì)比，讓你秒懂光纖激光器里的“單?！焙汀岸嗄！?。

帶寬Bc、數(shù)值孔徑NA、模場(chǎng)直徑d和截止波長(zhǎng)λc

帶寬主要用帶寬系數(shù)Bc表示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，如果輸入光信號(hào)的功率大小保持不變，隨著調(diào)制頻率的增加，通過(guò)光纖傳輸后，其輸出光功率會(huì)隨發(fā)端調(diào)制頻率的增加而減小，這說(shuō)明光纖也存在象電纜一樣的帶寬系數(shù)，即對(duì)調(diào)制光信號(hào)的調(diào)制頻率有一定的響應(yīng)特性。像電纜一樣有高頻線、低頻線的區(qū)分，且高頻、低頻線的衰減也不一樣。

帶寬系數(shù)的定義：一公里長(zhǎng)的光纖，其輸出光信號(hào)的功率下降到其最大值（直流 光輸入時(shí)的輸出光功率）的一半時(shí)，此時(shí)光信號(hào)的調(diào)制頻率就叫做光纖的帶寬系數(shù)， 即下降一半時(shí)光信號(hào)的帶寬，也叫3dB帶寬，對(duì)于DWDM設(shè)備，還有0.5dB帶寬、1dB帶寬、20dB帶寬的特性測(cè)試。

需豊注意的是，光信號(hào)是以光功率來(lái)度量的，一般以dBm為單位，也可用瓦特(W)來(lái)表示，W與dBm是可相互轉(zhuǎn)換的，換算公式為dBm=10lgW，1mW就是0dBm，500uW就是-3dBm左右。

所以3dB帶寬就是光信號(hào)輸出功率減少一半時(shí)的帶寬，相同的對(duì)于電纜來(lái)說(shuō)，一般以6dB帶寬來(lái)表示其電能量衰減一半，因?yàn)殡娦盘?hào)是以電壓或電流來(lái)度量的，是以20lg來(lái)計(jì)算的。

引起光纖帶寬變窄的原因主要是光纖的色散。對(duì)于多模光纖而言，傳輸?shù)氖嵌嗄９庑盘?hào)，帶寬也叫模式色散帶寬，用帶寬系數(shù)表示多模光纖的傳輸能力。對(duì)于單模光纖，因模式色散為零，也有帶寬系數(shù)的概念， 同時(shí)引入色散系數(shù)的概念。由于單模光纖制造技術(shù)的提高，其色散系數(shù)一般為20ps/km.nm。

對(duì)于單模發(fā)送激光器，都會(huì)給出一個(gè)色散容限值參數(shù)，如7200ps,則7200/20=360km,表示此激光器在無(wú)電中繼的情況下，可傳輸360km，對(duì)于SDH的傳輸，其無(wú)電中繼傳輸時(shí)，一般不會(huì)超過(guò)150km, —般不考慮色散容限值這個(gè)參數(shù)，只有在DWDM中，才考慮這個(gè)參數(shù)，在DWDM中，無(wú)電中繼最大可傳輸640km，所以要求的色散容限值要在12800ps/km以上。

對(duì)光纖而言，其帶寬與色散的關(guān)系可近似表示為:

Δτ為光纖的模式色散。顯然，光纖的帶寬與色散有關(guān)，與長(zhǎng)度呈非線性關(guān)系，但光纖的衰耗與長(zhǎng)度 有，與長(zhǎng)度呈線性關(guān)系。

帶寬系數(shù)Bc是在頻域范圍內(nèi)描述光纖傳輸特性的重要參數(shù)，實(shí)際上沿用了模擬通信的概念。對(duì)多模光纖來(lái)說(shuō)，測(cè)量時(shí)，一般用均方根譜寬δf來(lái)表述帶寬系數(shù)特性，對(duì) 單模光纖來(lái)說(shuō)，一般測(cè)量3dB和20dB譜寬特性來(lái)表述帶寬系數(shù)特性。

光纖的均方根譜寬的物理定義：對(duì)應(yīng)于光纖高斯沖擊響應(yīng)最大函數(shù)值的0.61倍時(shí)，自變量時(shí)間t的數(shù)值。一方面在實(shí)際工作中，人們?cè)跁r(shí)域內(nèi)進(jìn)行測(cè)量比在頻域內(nèi)測(cè)量更加方便可行，另一方面光纖的均方根δf與數(shù)字光纖通信理論有著更密切的關(guān)系，直接和其傳輸?shù)墓饷}沖的均方根脈寬發(fā)生聯(lián)系。均方根譜寬不僅能確切地描述光脈沖的特性，而且與光纖通信系統(tǒng)的傳輸中繼距離密切相關(guān)，所以在光纖通信的理論中經(jīng)常用到。

數(shù)值孔徑NA

數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。根據(jù)全反射的原理，NA的物理意義就是能使光信號(hào)在光纖內(nèi)以全反射形式傳播的接收角θc的正弦值，。

光纖的NA并非越大越好，NA越大，雖然光纖接收光 的能力越強(qiáng)，但光纖的模式色散也越厲害。因?yàn)镹A越大，則其相對(duì)折射率差也就越 大，導(dǎo)致模式色散越大，使傳輸容量和距離變小，對(duì)光纖NA的取值有規(guī)定，CCITT建 議光纖的NA=0.18?0.24之間。

模場(chǎng)直徑和截止波長(zhǎng)是什么？模場(chǎng)直徑d是表征單模光纖集中集中光能量的程度，單模光纖只允許一種模式, 即基模進(jìn)行傳輸，其模場(chǎng)直徑d的計(jì)算公式為：

其中：λ為光波波長(zhǎng)（um）, NAt為為單模光纖的最大理論數(shù)值孔徑，通過(guò)計(jì)算，不嚴(yán)格的說(shuō)法就是模場(chǎng)直 徑d和單模光纖的纖芯直徑相近。

截止波長(zhǎng)λc

截止波長(zhǎng)的含義就是能使光纖實(shí)現(xiàn)單模傳輸?shù)淖钚」ぷ鞴獠úㄩL(zhǎng)，如果要傳輸?shù)墓庑盘?hào)波長(zhǎng)不大于單模光纖的截止波長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)單模傳輸。

光纖傳輸?shù)姆蔷€性效應(yīng)

光纖傳輸?shù)乃ズ暮蜕⑴c光纖長(zhǎng)度呈線性變化的，呈線性效應(yīng)，而帶寬系數(shù)與光纖長(zhǎng)度呈非線性效應(yīng)，光纖中的非線性效應(yīng)是怎么回事？。

非線性效應(yīng)一般在WDM系統(tǒng)上反映較多，在SDH系統(tǒng)反映較少，因?yàn)樵赪DM設(shè)備系統(tǒng)中，由于合波器、分波器的插入損耗較大，對(duì)16波系統(tǒng)一般相加在10dB左右，對(duì)32波系統(tǒng)，相加在15dB左右，因此需采用EDFA進(jìn)行放大補(bǔ)償，但在放大光功率的同時(shí)，也使光纖中的非線性效應(yīng)大大增加， 成為影響系統(tǒng)性能，限制中繼距離的主要因數(shù)之一，同時(shí)也增加了ASE等噪聲。

光纖中的非線性效應(yīng)包括：

散射效應(yīng)（受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射 SRS等）

與克爾效應(yīng)相關(guān)的影響，即與折射率密切相關(guān)（自相位調(diào)制SPM、交叉相位調(diào)制XPM、四波混頻效應(yīng)FWM），其中四波混頻、交叉相位調(diào)制對(duì)系統(tǒng)影響嚴(yán)重。

A, 受激布里淵散射SBS和受激拉曼散射SRS

從本質(zhì)上說(shuō)，任何物質(zhì)都是由分子、原子等基本組成單元組成。在常溫下，這些 基本組成單元在不斷地作自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)。光纖中的受激布里淵散射SBS和受激拉 曼散射SRS都是激光光波通過(guò)光纖介質(zhì)時(shí)，被其分子振動(dòng)所調(diào)制的結(jié)果，而且SBS和 SRS都具有增益特性，在一定條件下，這種增益可沿光纖積累。SBS與SRS的區(qū)別在 于，SBS激發(fā)的是聲頻支聲子，SRS激發(fā)的是光頻支聲子。

受激布里淵散射SBS產(chǎn)生原理：SBS是光纖中泵浦光與聲子間相互作用的結(jié)果，在使用窄譜線寬度光源的強(qiáng)度調(diào)制系統(tǒng)中，一旦信號(hào)光功率超過(guò)受激布里淵散射SBS的門限時(shí)（SBS的門限較低，對(duì)于1550nm的激光器，一般為7?8dBm），將有很強(qiáng)的前向傳輸信號(hào)光轉(zhuǎn)化為后向傳輸，隨著前向傳輸功率的逐漸飽和，使后向散射功率急劇增加。

在WDM+EDFA的系統(tǒng)中，注入到光纖中的功率大于SBS的門限值，會(huì)產(chǎn)生SBS散射。SBS對(duì)WDM系統(tǒng)的影響主要是引起系統(tǒng)通道間的串?dāng)_及信道能量的損失。布里淵頻移量在1550nm處約為10?11GHz。

當(dāng)WDM系統(tǒng)的信道間隔（即波長(zhǎng)間隔）與布里淵頻移量相等時(shí)，就會(huì)引起信道間的串?dāng)_，但目前的WDM系統(tǒng)，在32波（包括32波）以下 時(shí)，其信道間隔不小于0.8nm,既信道間隔不小于100GHz,可以避免由于SBS產(chǎn)生的信道串?dāng)_，隨著WDM朝密集方向的發(fā)展，信道間隔越來(lái)越小，在信道間隔靠近 10?11GHz時(shí)，SBS將成為信道串?dāng)_的主要因數(shù)。

此外，由于SBS會(huì)引起一部分信道功 率轉(zhuǎn)移到噪聲上，影響功率放大。目前抑制SBS的措施通常在激光器輸出端加一個(gè)低 頻調(diào)制信號(hào)，提高SBS的門限值。

受激拉曼散射SRS產(chǎn)生原理：受激拉曼散射SRS是光與硅原子振動(dòng)模式間相互作用有關(guān)的寬帶效應(yīng)，在任何情況下，短波長(zhǎng)的信號(hào)總是被這種過(guò)程所衰減，同時(shí)長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)得到增強(qiáng)。

在單信道和多信道系統(tǒng)中都可能發(fā)生受激拉曼散射SRSi僅有一個(gè)單信道且沒(méi)有線路放大器的系統(tǒng)中，信號(hào)功率大于1W時(shí)，功率會(huì)受到這種現(xiàn)象的損傷，在較寬信道 間隔的多信道系統(tǒng)中，較短波長(zhǎng)信號(hào)通道由于受激拉曼散射SRS，使得一部分光功率 轉(zhuǎn)移到較長(zhǎng)波長(zhǎng)的信號(hào)信道中，從而可能引起信噪比性能的劣化。

由于受激拉曼散射SRS激發(fā)的是光頻支聲子，其產(chǎn)生的拉曼頻移量比布里淵頻移量大得多，一般在 100GHz?200GHz，且門限值較大，在1550nm處約為27dBm?！闱闆r下不會(huì)發(fā)生。但對(duì)于WDM系統(tǒng)，隨著傳輸距離的增長(zhǎng)和復(fù)用的波數(shù)的增加，EDFA放大輸出的光信號(hào) 功率會(huì)接近27dBm，SRS產(chǎn)生的機(jī)率會(huì)增加。

因G.653光纖的等效芯經(jīng)面積小于G.652光纖，受激拉曼散射SRS門限值要低于采用G.652光纖的系統(tǒng)，在G.653光纖上產(chǎn)生SRS的概率要大。

B, 自相位調(diào)制SPM和交叉相位調(diào)制XPM

光纖中的克爾效應(yīng)是一種折射率的非線性效應(yīng)，即光纖中激光強(qiáng)度的變化導(dǎo)致光纖折射率的變化，引起光信號(hào)自身的相位調(diào)整，這種效應(yīng)叫做自相位調(diào)制。

由于折射率對(duì)光強(qiáng)存在依賴關(guān)系，在光脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)折射率發(fā)生變化，脈沖峰值的相位對(duì)于前、后沿來(lái)說(shuō)均是延遲的，這種相移隨著傳輸距離的增加而積累起來(lái)， 達(dá)到一定距離后顯示出相當(dāng)大的相位調(diào)制，從而使光譜展寬導(dǎo)致脈沖展寬，這就稱為 自相位調(diào)制SPM。在DWDM系統(tǒng)中，光譜展寬是非常嚴(yán)重的，可使一個(gè)信道的脈沖光譜與另一個(gè)信道的脈沖光譜發(fā)生重疊，影響系統(tǒng)的性能。

一般情況下，自相位調(diào)制SPM效應(yīng)只在超長(zhǎng)系統(tǒng)中表現(xiàn)比較明顯，同時(shí)在色散大的光纖中也表現(xiàn)比較明顯，所以，采用G.653光纖，且將信道設(shè)置在零色散區(qū)附近，有利于減小自相位調(diào)制效應(yīng)，對(duì)于使用G.652光纖，且長(zhǎng)度小于1000km的系統(tǒng)，可以在適當(dāng)?shù)拈g隔進(jìn)行色散補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)控制自相位調(diào)制SPM效應(yīng)。

在多波長(zhǎng)系統(tǒng)中，一個(gè)信道的相位變化不僅與本信道的光強(qiáng)有關(guān)，也與其它相鄰信道的光強(qiáng)有關(guān)，由于相鄰信道間的相互作用，相互調(diào)制的相位變化稱為交叉相位調(diào)制XPM。XPM引起的頻譜展寬度與信道的間隔有關(guān)，越小，則產(chǎn)生的效應(yīng)就越大，反之則小。XPM引起的展寬會(huì)導(dǎo)致多信道系統(tǒng)中相鄰信道間的干擾。

SPM和XPM在色散大的光纖中產(chǎn)生的效應(yīng)要比在色散小的光纖中產(chǎn)生效應(yīng)要大， 在實(shí)際系統(tǒng)中可通過(guò)采用色散小的G.653和G.655光纖來(lái)減小SPM和XPM效應(yīng)。

C, 四波混頻

四波混頻FWM亦稱四聲子混合，是光纖介質(zhì)三階極化實(shí)部作用產(chǎn)生的一種光波間耦合效應(yīng)，是因不同波長(zhǎng)的兩三個(gè)光波相互作用而導(dǎo)致在其它波長(zhǎng)上產(chǎn)生所謂混頻產(chǎn) 物，或邊帶的新光波，這種互作用可能發(fā)生于多信道系統(tǒng)的信號(hào)之間，可以產(chǎn)生三倍頻、和頻、差頻等多種參量效應(yīng)。

在DWDM系統(tǒng)中，當(dāng)信道間距與光纖色散足夠小且滿足相位匹配時(shí)，四波混頻將成為非線性串?dāng)_的主要因數(shù)。當(dāng)信道間隔達(dá)到10GHz以下時(shí)，F(xiàn)WM對(duì)系統(tǒng)的影響將最嚴(yán)重。下圖為三個(gè)信號(hào)的情況下，產(chǎn)生的四波混頻效應(yīng)：

四波混頻FWM對(duì)DWDM系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在：

（1）產(chǎn)生新的波長(zhǎng)，使原有信號(hào) 的光能量受到損失，影響系統(tǒng)的信噪比等性能；

（2）如果產(chǎn)生的新波長(zhǎng)與原有某波長(zhǎng)相 同或交疊，從而產(chǎn)生嚴(yán)重的串?dāng)_。

四波混頻FWM的產(chǎn)生要求要求各信號(hào)光的相位匹 配，當(dāng)各信號(hào)光在光纖的零色散附近傳輸時(shí)，材料色散對(duì)相位失配的影響很小，因而 較容易滿足相位匹配條件，容易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)。

目前的DWDM系統(tǒng)的信道間隔一般在100GHz,零色散導(dǎo)致四波混頻成為主要原因，所以，采用G.653光纖傳輸DWDM系統(tǒng)時(shí)，容易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)，而采用G.652或G.655光纖時(shí)，不易產(chǎn)生四波混頻效應(yīng)。