Transcript 图2.1.1 实用光纤三种基本类型

第二章
光纤
2.1 光纤结构和类型
2.2 光纤传输原理
2.3 光纤传输特性
2.4 单模光纤的进展和应用
2.5 光纤的选择
2.6 光缆
• 光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（SiO2），是
通信网络的优良传输介质，得到广泛的应用。
• 和电缆相比，光纤具有信息传输容量大，中继距
离长，不受电磁场干扰，保密性能好和使用轻便
等优点。
• 随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围
不断扩展。光纤通信在高速率长距离干线网和用
户接入网方面的发展潜力都很大。
• 为保证光纤性能稳定，系统运行可靠，必须根据
实际使用环境设计各种结构的光纤和光缆。
• 本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和
光缆的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。
2.1
光纤结构和类型
• 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高
的同轴圆柱形电介质波导;
• 根据光纤横截面上折射率的径向分布情
况，光纤分为阶跃型和渐变型两种;
• 作为信息传输波导，实用光纤有两种基
本类型，它们是多模光纤和单模光纤。
阶跃多模光纤结构
 光纤是一种
纤芯折射率
比包层折射
率高的同轴
圆柱形电介
质波导
 阶跃(SI，
Step Index)
多模光纤折
射率 n1在纤
芯保持不变，
到包层突然
变为 n2
r
n2
SiO 2 + GeO 2 SiO 2
包层
纤芯
n1
n(r)
2a
2a =100  m
2 b =140  m
2b
渐变多模光纤
• 渐变(GI,
Graded
Index)多模
光纤折射率
不像阶跃多
模光纤是个
常数，而是
在纤芯中心
最大，沿径
向往外按抛
物线形状逐
渐变小，直
到包层变为
n2
r
n2
2b
n1
n(r)
2a
2a = 62.5 m
2 b = 125 m
2b
图2.1.1 实用光纤三种基本类型
折射率分布
(a)
阶
跃
多
模
光
纤
(b)
渐
变
多
模
光
纤
r
输入光脉冲
包层
纤芯
n1
n(r)
2a
光线在纤芯内的路经
光强
3
2
输出光脉冲
光强
1
1.0
0
2b
0.5
t
2a =100  m
2 b =140  m
r
t
SI
n2
n(r)
光强
2b
n1
2a
3
2
0
2b
光强
1
0 ''
0'
1.0
0.5
t
2a = 62.5 m
2 b =125 m
r
(c)
单
模
光
纤
n2
光纤结构
GI
n2
光强
n1
n(r)
2a
光强
1.0
0
2b
0.5
t
2a = 8.3 m
2 b =125 m
t
脉冲展宽
SI
>
GI> SM
t
SM
光
纤
拉
丝
装
置
预制棒
加热炉
线径测量
预涂覆
牵引辊
光纤结构
• 纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，含量达
99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等，
以提高纤芯的折射率。
• 纤芯直径约为 8 m ~100 m。
• 包层材料一般也为SiO2，外径为125 m，作用是
把光强限制在纤芯中。
• 为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，
还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧
树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在
纤芯传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离,
并起一定的机械保护作用。
2.1.1
多模光纤
• 可以传播数百到上千
个模式的光纤，称为
多模(MM,
Multimode)光纤。
• 根据折射率在纤芯和
包层的径向分布情况，
又可分为阶跃多模光
纤和渐变多模光纤。
(a)
阶
跃
多
模
光
纤
(b)
渐
变
多
模
光
纤
r
n2
包层
纤芯
n1
n(r)
2a
2b
2a =100  m
2 b =140  m
r
n2
2b
n1
n(r) 2a
2a = 62.5  m
2 b =125  m
2b
多模光纤的模间色散
光强
3
2
1
1.0
0
0.5
t
´«Êä·¾¶
¹âÏß 3>2>1
t
SI
• 代表各模的光线以不同的路经在纤芯内传输，在传输速
度相同的情况下(均为c/n1, c是自由空间光速)，到达终点
所需的时间也不同。
• 光线经接收机内的光电探测器变成各自的光电流，这些
光电流在时域内叠加后，从而使输出脉冲相对于输入脉
冲展宽了。
渐变多模光纤（GI）
性能介于SI光纤和单模光纤之间
• 阶跃（SI）多模光纤的主要缺点是存在大的模
间色散，光纤带宽很窄；
• 而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所
以带宽很宽。
• 但是随之出现的问题是，因单模光纤芯径很小，
所以把光耦合进光纤很困难。
• 那么能否制造一种光纤，既没有模间色散，带
宽较宽，芯径较大，又使光耦合容易，这就是
渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。
渐变多模光纤---色散较小
r
n2
光强
2b
3
n1
n(r) 2a
0
2b
2
1
0'
0''
0.5
t
2a = 62.5  m
2 b =125  m
1.0
´«Êä·¾¶£º ¹âÏß 3>2>1
Õ ÛÉäÂÊ£ºn3 < n2 < n1
t
GI
• 渐变(GI, Graded Index)多模光纤折射率 n1不像阶跃多模光纤是个常数，
而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层
变为 n2。
• 这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。
• 色散较小的理由：虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输，但是这
种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相
同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢，因折射率最大；越远离轴线，
到达终点传输的距离越长，但传输速度越快，这样到达终点所需的时
间几乎相同，输出脉冲展宽不大。
2.1.2 单模光纤---色散最小
r
2a = 8.3 m
2 b =125 m
n2
n1
n(r)
光强
1.0
0
2a
0.5
2b
t
脉冲展宽
SI
>
G I> SM
t
SM
• 只能传播一个模式的光纤称为单模光纤
• 标准单模(SM, Single Mode)光纤折射率分布和
阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小
得多，模场直径只有（9~10）m
• 光线沿轴线直线传播, 色散使输出脉冲信号展
宽最小。
单模光纤结构
r
n2
n1
n(r)
2a
2a = 8.3 m
2 b = 125 m
2b
表2.1.1 阶跃多模光纤、渐变多模
光纤和阶跃单模光纤的特性比较
多模光纤
阶跃
阶跃多模光纤
渐变多模光纤
单模光纤
  ( n1  n2 ) n1
0.02
0.015
0.003
芯径 2a（ m）
100
62.5
8.3(MFD = 9.3)
包层直径（ m）
140
125
125
NA
0.3
0.26
0.1
带宽距离 或色散
(20~100)MHz km
(0.3~3)GHz km
<3.5ps/(km nm)
>100(Gb/s)  km
衰减（ dB/ km ）
850nm: 4~6
850nm: 3
850nm: 1.8
1300nm: 0.7~1
1300nm: 0.6~1
1300nm: 0.34
1550nm: 0.3
1550nm: 0.2
应用光源
LED
LED, LD
LD
典型应用
短距离或用户接
本地网，宽域网或
长距离通信
入网
中等距离
光 纤 种 类
•
•
•
•
为调整工作波长或色散特性，改变折射率分布，可以
设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：
多模光纤(G.651)
普通单模光纤(G.652)
色散移位光纤(G.653)
非零色散移位光纤（G.655）
色散补偿光纤
在1.55m衰减最小的光纤（G.654）
全波光纤。
SiO2+GeO 2 纤芯
G.652:( SiO2 +GeO2 ) 纤芯
G.654: SiO2纤芯
0.35%(G.652)
SiO 2包层
0.4% (G.654)
125m
(a)标准单模光纤
3%
0.9%
0.2%
SiO2包层
125m
125m
(b)色散位移光纤
( 0 ~ - 0.8)%
(d)色散补偿光纤
(c)非零色散光纤
2.2 光纤传输原理
• 2.2.1 斯奈尔定律和全反射
V1 t
A
从折射光构成的三角形
A'
At
t
i
B'
V2 t
B
n2
n1
A
A'
i
i r
A''

Ai
t
t
kt

t t '
B

i r
B
kr
ki
入射光
透射光
（折射光）
Bi
Ar
反射光
Bt
n1  n 2
i  r
波前
Br
A AB 
ABB 
和
中
，
BB  1t  ct n1
，
AA   2 t  ct n 2 。 从 几 何 光 学
我们可以得到，
AB  
1t
 t
 2
或者
sin  i sin  t
sin  i 1 n2


(2.2.1)
sin  t  2 n1
这就是斯奈尔（Snell）定律，
它表示入射角和折射角与介质
折射率的关系。
图1.3.1
光波从
折射率
较大的
介质入
射进入
折射率
较小的
介质，
在边界
反射和
折射
n1  n2
At
t
n2
n1
A
i
i r
A''

Ai
t
A'
kt
t
 t B'
i r 
B
kr
ki
入射光
Bi
透射光
（折射光）
Ar
Bt
i  r
波前
Br
反射光
光纤波导传输光的原理---临界角
因 n1
 n2
时，折射
角要比入射角大，当折射
o
角  t 达到 90 时，入射光沿
交界面向前传播，此时 的
入射 角 称 为 临界 角  c ， 并
由下式给出
sin  c
n2
 sin  c 
sin  t
n1
n1  n 2
ki
t
 i c
n2
kt
kr
临 界 角 i  c
n1
图2.2.2 光波从折射率较大的介质以三种不同的入
射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况
n1  n2
多模光纤传输光的原理
n2
n1
入射光
kr
ki
t
c c
消逝波
kt
kr
kt
ki
 i  c
kr
反射光
(a)
•
透射光
（折射光）
i r
ki
•
•
kt
t
 i  c
(b)临界角
i  c
( c ) 全 反 射 i   c
 i <  c 的光线将有部分光能进入包层泄漏出去, 如图2.2.2 (a)所示。
当  i =  c 时，光线在波导内以  c 入射到纤芯与包层交界面，并沿交界面
向前传播 ( 折射角为 t )，如图2.2.2 (b)所示。
当入射角超过临界角（ i >  c ）时，没有透射光，只有反射光，这种现
象叫做全反射 (TIR，Total Internal Reflection), 如图2.2.2 (c) 所示，这就
是多模光纤波导传输光的原理。
光纤传输--全反射条件
当 入 射 角 i
超 过 临 界 角 c
（ i  c ） 时 ，
多模光纤传输光的原理
没有 透 射光 ，只
消逝波
有反 射 光， 这种
kt
现象 叫 做全 反射
(TIR
，
Total
Internal
Reflection)，这就
是光 纤 波导 传输
光的原理。
ki
 i  c
kr
(c)全反射  i   c
2.2.2 传输条件
• 全反射条件
我们已经知道, 光波从折射率较大的介质入射进入折射
率较小的介质时，在边界将发生反射和折射, 当入射角
超过临界角时，将发生全反射。
• 相干加强条件
对于特定的光纤结构，只有满足一定条件的电磁波可以
在光纤中进行有效的传输。这些特定的电磁波称为光纤
模式。
• 光纤中可传导的模式数量取决于光纤的具体结构和折射
率的径向分布。 如果光纤中只支持一个传导模式，
则称该光纤为单模光纤
• 相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤
图2.2.3 不同入射角的光线
n1  n2
损失
> n0
n2
B
n0
 > c
 <  max
B
 >  max
•
•
•
A 全反射
 < c
A
90
0_ 
消逝波
c
n1
n2
光线在光纤端面以不同角度 从空气入射到纤芯，不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定
角度范围内的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。
假如在光纤端面的入射角是 ，在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是 。此时，  >  c(临界
角)的光线将发生全反射，而 <  c的光线将进入包层泄漏出去。
于是，为了光能够在光纤中传输，入射角 必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生全发射而
返回纤芯，并以曲折形状向前传播。
全反射条件
最 大 的  角 应 该 是 使   c 。 在
n0 / n1 界面，根据斯奈尔(Snell)定律，即
n 1  n2 > n 0
式（2.2.1）得到
sin  max
n1

n0
sin 90 o   c


(2.2.3)
全 反 射 时 由 式 (2.2.2) 可 知 ，
sin  c  n2 n1 ，将此式 代入式(2.2.3)， 得
到
sin  max


n12

当光从空气进入光纤时， n0  1 ，所以
sin  max 

n12
 <  max
 >c
消逝波
A
全反射
2 12
n2

n0
n2

2 12
 n2
(2.2.4)
A
n0
_
90 0  c
n1
n2
n1  n 2
n2
数值孔径
(NA)
受
光
范
 max
围
2 max
定义数值孔径 (NA, Numerical Aperture)
为
NA 
n12
 n22
 n1 2
 =  max
l
1
O
L
B
 c c
A
n1
n2
(2.2.5)
（2.2.4）可知
NA
n0
sin max  NA （ n0  1 时）
(2.2.6)
角度 2  max 称为入射光线的总接收角，它与光纤的
n0
数值孔径和光发射介质的折射率
有关。
a
全反射
 c 的光线
式中    n1  n2  n1 为纤芯与包层相对折射率差。由式
sin  max 
消逝波
n1  n 2
n2
受
光
范
 max
围
2 max
 =  max
l
1
O
L
n1
n2
B
消逝波
 c c
A
a
全反射
 c 的光线
NA表示光纤接收和传输光的能力
• NA (或sinmax)越大，光纤接收光的能力越
强。
• 从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗
光纤，在 max 内的入射光都能在光纤中传
输。NA 越大，纤芯对光能量的束缚越强，
光纤抗弯曲性能越好。
• 但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信
号展宽越大，因而限制了信息传输容量。
所以要根据使用场合，选择适当的 NA。
相干加强条件
在光纤中传输的光线必须与它自己相长干涉，
否则相消干涉将相互抵消
n2
B

k 
E
Light
A
k1
b
n 1 d = 2a
 
C
n2
y
x
z
(HE11)电力线和磁力线在光纤波导中的分布
y
z
r( x)
磁力线
电力线
2.3 光纤传输特性
•
•
•
•
衰减
色散
带宽
非线性
在传输高强度光功率时，还要考虑光纤的非线
性影响
2.3.1 衰减
• 光纤是熔
融 SiO2 制
成的，光
信号在光
纤中传输
时，由于
吸收、散
射和波导
缺陷等机
理产生功
率损耗，
从而引起
衰减。
10.0
5.0
3.0
2.0
O H- 吸收峰
衰
减
1.0
dB/k m
0.5
0.3
0.2
瑞利散射
0.1
红外吸收
0.05
0.6
0.8
1.0
图 2.3.1
1.2 1.4 1.6 1.8
波长 ( m)
2.0
单模光纤衰减谱
衰减系数
通常，光纤内传输的光功率 P 随距离 z 的衰减，可
以用下式表示
dP
  P
dz
(2.3.1)
式中  是衰减系数。如果 Pin 是在长度为 L 的光纤输入
端注入的光功率，根据式(2.3.1)，输出端的光功率应为
Pout  Pin exp   L 
(2.3.2)
习惯上 的单位用 dB/km 表示，由式(2.3.2)得到衰减系
数
 dB
 Pin 
1

  10 log 
L
 Pout 
dB / km 
(2.3.3)
引起衰减的原因
• 光纤是熔融SiO2 制成的，光信号在光纤中传输时，由于
吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起
衰减。
• 吸收损耗是可以改善的。
目前由于超纯石英光纤工艺的改进，已消除了这一波长
附近的损耗峰，使(1 350~1 450)nm波段的损耗也降低到
0.3 dB/km左右，该波段就是光纤传输的第五个窗口，它
位于第二个窗口和第三个窗口之间。这种能够在1200 ~
1650nm整个范围内都可用来进行DWDM光纤通信的光
纤就是全波光纤
图2.3.2 典型光纤衰减谱
10.0
SI多模光纤
5.0
衰减
3.0
(dB/km)
2.0
GI多模光纤
1.0
0.5
0.3
0.2
OH
吸收峰
单模光纤
850nm 1.81dB/km
1300 0.35dB/km
1550 0.19dB/km
单模光纤
0.1
800
1000
1200
波长(nm)
1400
1600
2.3.2 色散
• 各模群速度不等引起脉冲展宽
• 色散种类：
模式色散
色度色散
偏振模色散
光纤中的光速
要比真空中的光速慢 n 倍
• 在光纤中的光速 v
= c/n，折射率为 n
• 光纤波导中的光速
要比真空中的光速
慢 n 倍。
• 玻璃的 n = 1.5，因
而在光纤中的光速
度要比在真空中的
慢 33 %。
c V
c
n0
v
n
密度大介质
n  n0
c
cn
在真空中
在介质中
m/s
图1.2.4 波长略不相同的两个光波沿同一方向
传输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包
• 实际上没有纯单色
光，我们必须考虑
波长稍微互不相同
的一组光波沿z方向
传输的情况。
• 当两个频率相差
的正弦波干涉时，
它们相互作用的结
果将产生一个光包
络，即一个以中心
频率的振荡场，其
幅 度 被 频 率 为  的
低频电场调制，最
大幅度以波矢量k
运动，其速度称为
群速度。
  
+
包络
E max
  
E max


k 

群速度
相速度
1．各模群速度不等引起脉冲展宽
相速度
t
  c n1
纤芯 n1
空气 n 0
光速 c
包层 n 2

光线

 g   cos
n1
群速度
Z
t
 n2
图 2.3.3 阶 跃 型 光 纤 波 导 的 群 速 度 g
图 2.3.4
相速度和群速度
传输模中的一条光线在纤芯内以角度  全反射，在介质中的光速是
  c n1 。但是，能量沿波导传输方向（z 轴）的传输速度是
 g   cos 
c
cos
n1
(2.3.5)
这一速度称为群速度，它表示调制光脉冲包络的传播速度,如图 2.3.4 所示。
各模群速度不等引起脉
冲展宽
高
阶
模
低
阶
模



光线
 g   cos
• 模的次数越高,其
角度 越大，g=
 cos  越小，
传播就需要更多
的时间。
• 所以群速度和光
纤模式有关，模
数不同，其群速
度也不同。
• 由于高阶模的传
播速度比低阶模
的慢，因而在入
射端输入的光脉
冲中，次数越高
的模越滞后。
2．光纤色散种类
• 模式色散
• 色度色散
• 偏振模色散。
色度色散又分为材料色散和波导色散。对于多模光
纤，模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散
一般可以忽略。对于单模光纤，由于只有一个模式在光
纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振
模色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较小。
对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。
图2.3.5 多模光纤模式色散
输出出光脉冲
入射光脉冲
包层
N =0123
N= 3
2 1 0
纤芯
t
传输后
各模分开
最初各
模重合
N =0
t

传输距离短,需要时间短
0
t
t
0
N=1
t
传输距离长,需要时间多
1
因  1 >  0 所以 1 >0
t
1
• 模式色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输
的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测
后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽
多模光纤各模
传输路径不同引起脉冲展宽
Highorder mode
Light pulse
Broadened
light pulse
Cladding
Core
Intensity
Intensity
Axial
0
t
Loworder mode
Spread, 
t
（2）色度色散（或色散）
• 色度色散是由于不同波长(颜色)的光以不
同的速度在光纤中传输引起不同的时间
延迟而产生的。
• 色度色散(Chrometic Dispersion)又分为
材料色散和波导色散，常简称为色散。
图2.3.6 色散引起单模光纤输出脉冲展宽 
1
光发射
2
光强
1 o 2
输入光谱
•
•
光强


包层
光输出
Vg ( 1 )
纤芯
Vg ( 2 )
包层
光接收
光强

t
t
o
输入光脉冲
0

输出光脉冲
所有光源都是在一定波长范围  内发射的非单色光，当各种波长的光进入纤
芯后，由于波长与折射率有关，所以在光纤波导中的光以不同的群速度在纤芯
内传输，波长短的波速度慢，波长长的波速度快，所以它们到达光纤末端的时
间也不同，导致输出脉冲展宽。
图中  表示光纤的传输延迟， 表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。
色散对光
纤所能传
输的最大
比特速率
B 的影响
可利用相
邻脉冲间
不产生重
叠的原则
来确定
很窄输入归零脉冲
输入光强
T= 1 B
= 2  1 2
输
出 1.0
光 0.5
强
0
2 1 2
t
0

T
~ 21/2
t
1/2
输出展宽的归零光脉冲
图2.3.7 标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光
纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性
0.500
30
标准光纤衰减
0.375
20
衰减
(dB/km)
0.250
标准光纤色散
0.125
0.000
1300
1400
色散平坦光纤
1500
1700
色散
. )
ps/(nmkm
0
波长(nm) -3.5
-10
色散移位
光纤色散
G.653
1600
10
非零色散移
位光纤色散
G.655
色散补偿
光纤色散
-90
图2.3.8 几种单模光纤的结构和折射率分布
SiO2+GeO 2 纤芯
G.652:( SiO2 +GeO2 ) 纤芯
G.654: SiO2纤芯
0.35%(G.652)
SiO 2包层
0.4% (G.654)
125m
(a)标准单模光纤
3%
0.9%
0.2%
SiO2包层
125m
125m
( 0 ~ - 0.8)%
(d)色散补偿光纤
(b)色散位移光纤
(c)非零色散光纤
• 由于波导色散与光纤的几何尺寸有关，可以设计不同结构的波导
来改变零色散波长 0，例如可减小纤芯半径和增加掺杂浓度，使
0 移到光纤损耗最小的 1550 nm 波长，这种光纤就是色散移位光
纤，如图2.3.7所示。
• 改进单模光纤结构和参数的设计, 也可以获得在 1550 nm 具有负
色散值大的色散补偿光纤，还可以得到在 1300 nm 和 1550 nm 两
个波长的色散都为零的色散平坦光纤。
色散平坦光纤的
色散系数和折射率分布
n
30
20
色
散
10
系
数
0
.
ps/(km nm )
-10
材 料 色 散 Dm
半径
r
Dm + D w
色度色散
1
2
Dw
波导色散
-20
a = 4.2m
-30
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
自由空间波长  (m)
1.6
1.7
折射率分布
偏
振
模
色
散
光强
y
z
z
x

n1y // y
t

Ex
脉冲展宽
Ey
Ex
n1x // x
输出光脉冲
Ey
光强
t
Ey
Ex
E
输入光脉冲
假如纤芯折射率沿两个正交的方向(对应电场振荡方向,即偏振方向)
具有不同的值
n1 x  n1 y
，导致 E x 和E y 以不同的群速度在纤芯
内传输，在输出端产生不同的时间延迟，使输出光脉冲展宽 
2.3.3 最大归零比特速率
图2.3.9 最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定
 表示 光纤对 输入光 脉
冲的传输延迟， 1 2 表
示由于色散使输出电脉
数字信号 光发
射机
信息
t
LD
1 10 1
数字信号
t
PD
信息
1 10 1
输出光强
2 1 2

~ 21/2
1.0
强最大值一半的全宽
两个连续的输出脉冲分
光接
收机
输入光强
冲展宽。通常用输出光
(FWHM)表 示 。为 了 把
光
纤
t
0
0.5
0
T
t
1/2
很窄输入归零脉冲
输出展宽的归零光脉冲
辨出来，即码间不要互
相干扰，要求它们峰-峰 为此，我们最好是每隔 2 1 2 秒在输入端输入一个脉冲，即输入脉冲
间的时间间隔至少为
的周期 T

2 12 。
 1 B  2  1 2
，于是最大比特率 B 是
0.5
Gb/s
B
 1 2
2.3.4 带宽
• 由于光纤色散，光脉冲经光纤传输后使
输出脉冲展宽，从而影响到光纤的带宽
• 下面就光纤光带宽和电带宽加以分析。
光
纤
带
宽
输入光功率
Pi
1.0
0.5
光纤
调制频率 f =
正弦信号 f
光发
射机
光接
收机
t
LD
PD
频率为 f 的
正弦电信号
频率
f
电带宽 f3dB el
Po /Pi
1.0
t
0
光纤输入信号
0
输出光功率
Pout
t
0
频率
f
0
光纤输入信号频谱特性
输出光电流
Io
1.0
0.707
(a)传输模拟信号的光纤线路
输入光功率
Pin
f3dB op
光纤输出信号
(b)光纤输入和输出光信号冾
0.5
0
频率
f
光带宽 f3dB op
光纤的传输特性
(c)光纤色散使输出光/电
带宽降低
• (a)图表示传输模拟信号的光纤线路，(b)图表示频率为 f 的光纤输入
和输出光信号，(c)图表示光纤的传输特性及由于光纤色散使输出光/电
带宽减小的情况。
• 光带宽对应光纤的截止频率，可粗略地认为它对应光纤能够传输的最
大比特速率B。
3 dB 光带宽和电带宽
高斯色散限制的 3dB 光带宽(FWHM)
0.440
GHz 
f 3dB, op 
 1 2
(2.3.12)
3dB电带宽为
f 3dB, el
0.312
GHz 

 1 2
(2.3.13)
最大值一半的宽度  1 2 的单位为 ps。因脉冲展宽取决于色
散系数 D，因此光纤的带宽由色散所决定。
2.3.5 非线性光学效应
前面的讨论事实上都假设了光纤是线性系统，光纤的传输特性与入射
光功率的大小无关。对于入射光功率较低和传输距离不太长的光纤通信
系统,这种假设无疑是合适的。但是，在强电磁场的作用下，任何介质对
光的响应都是非线 性的，光纤也不 例外。SiO 2 本身虽 不是强的非线性 材
料，但作为传输波导的光纤，其纤芯的横截面积非常小，高功率密度经
过长距离的传输,非线性效应就不可忽视了。特别是波分复用系统、相干
光系统以及模拟传输的大型有线电视(CATV)干线网显得更为突出。
光纤非线性光学效应是光和光纤介质相互作用的一种物理效应。这
 3
种效应主要来源于介质材料的三阶极化率
，与其相关的非线性效应，
主要有受激喇曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)、自相位调制(SPM)、
交叉相位调制(XPM)和四波混合(FWM)以及孤子(Soliton)效应等。
非线性效应对光纤通信系统的限制是一个不利的因素，但利用这种
效应又可以开拓光纤通信的新领域，例如制造各种光放大器，以及实现
先进的孤子通信等。
2.4 单模光纤的进展和应用
• 自从1970年美国贝尔实验室，根据英籍
华人高锟提出的利用光导纤维可以通信
的理论，成功地试制出用于通信的光纤
以来，光纤光缆得到迅速的发展。
• 30年来，光纤光缆的新产品层出不穷，
而且得到通信业的广泛应用。
• 现就人们目前常用的几种光纤和今后将
广泛使用的新光纤的性能做一个介绍。
单模光纤的种类
•
•
•
•
•
•
•
G. 651 标准多模光纤
G. 652 标准单模光纤
G. 653 色散移位光纤
G. 654 衰减最小光纤
G. 655 非零色散光纤
全波光纤
色散补偿光纤
G. 652 标准单模光纤
• 标准单模光纤是指零色散波长在1.3m
窗口的单模光纤，国际电信联盟(ITU-T)
把这种光纤规范为 G.652 光纤。这属于
第一代单模光纤。
• 其特点是当工作波长在 1.3m 时，光纤
色散很小，系统的传输距离只受一个因
素，即光纤衰减所限制。
G. 652 标准单模光纤
• G.652 光纤在1.3 m波段的损耗较大，约为 0.3 ~
0.4 dB/km；在 1.55 m 波段的损耗较小，约为
0.2~0.25 dB/km。
• 色散在 1.3m 波段为 3.5 ps/nmkm，在1.55
m波段较大，约为 20 ps/nmkm。
• 这种光纤可支持用于在 1.55 m 波段的 2.5Gb/s
的干线系统，但由于色散较大，若传输 10 Gb/s
的信号，传输距离超过 50 km时，就要求使用价
格昂贵的色散补偿模块。
• 另外, 使用它增加了线路损耗，缩短了中继距离，
所以不适用于DWDM系统。
G. 653 色散移位光纤
• G.652光纤的最大缺点是低衰减和零色散不在
同一工作波长上，这不仅使工程应用受到一定
的限制，而且在 1.3 m的光纤放大器开发应用
之前，使不经过光-电转换过程的全光通信无
法实现。
• 为此，在80年代中期，开发成功了一种把零色
散波长从1.3 m移到 1.55 m的色散移位光纤
(DSF, Dispersion-Shifted Fiber)。ITU把这种光
纤的规范为 G.653。这属于第二代单模光纤。
光纤的色散特性
0.500
30
标准光纤衰减
0.375
20
衰减
(dB/km)
0.250
标准光纤色散
0.125
0.000
1300
1400
色散平坦光纤
1500
1600
10
1700
色散
. )
ps/(nmkm
0
波长(nm) -3.5
-10
色散移位
光纤色散
非零色散移
位光纤色散
色散补偿
光纤色散
-90
由色散移位光纤到非零色散光纤
• 然而，色散移位光纤在 1.55 m 色散为零，不
利于多信道的 WDM 传输，因为当复用的信道
数较多时，信道间距较小，这时就会发生一种
称为四波混频 (FWM，Four Wave Mixing) 的
非线性光学效应，这种效应使两个或三个传输
波长混合，产生新的、有害的频率分量，导致
信道间发生串扰。
• 如果光纤线路的色散为零，FWM的干扰就会
十分严重；如果有微量色散，FWM干扰反而
还会减小。针对这一现象，科学家们研制了一
种新型光纤，即非零色散光纤(NZ-DSF)。
G. 654 衰减最小光纤
• 为了满足海底光缆长距离通信的需求，科学
家们开发了一种应用于1.55 m 波长的纯石
英芯单模光纤。
• 在1.55 m波长附近衰减最小，仅为 0.185
dB/km。
• 在 1.3 m波长区域色散为零，但在 1.55m
波长区域色散较大，约为 17~20 ps/(nmkm)。
• ITU把这种光纤规范为G. 654光纤。
G. 655非零色散光纤
• 非零色散光纤实质上是一种改进的色散
移位光纤。
• 其零色散波长不在 1.55 m，而是在
1.525 m 或 1.585 m处。
• 在光纤制作过程中，适当控制掺杂剂的
量，使它大到足以抑制高密度波分复用
系统中的四波混频，小到足以允许单信
道数据速率达到 10Gb/s，而不需要色散
补偿。
G. 655 非零色散光纤
• 消除了色散效应和四波混频效应；
• 而标准光纤和色散移位光纤都只能克服
这两种缺陷中的一种；
• 所以非零色散光纤综合了标准光纤和色
散移位光纤最好的传输特性，既能用于
新的陆上网络，又可对现有系统进行升
级改造，它特别适合于高密度WDM系统
的传输，所以非零色散光纤是新一代光
纤通信系统的最佳传输介质。
非零色散光纤举例
• AT&T研制的真波光纤(True WaveTM)
• 美国康宁玻璃公司开发的叶状光纤(Leaf
Fiber)
• 阿尔卡特的特锐光纤(TeraLightTM)
• 国内长飞公司的大保实光纤等
全波光纤
0.6
衰减
(dB/k m )0.5
全波光纤去掉了
1385n m 的水峰
0.4
0.3
0.2
0.1
1200
窗口 O
1300
E
S
C
1400
1500
波长( n m )
L
1600
U
1700
全波光纤
• 为了将DWDM系统应用于城域网，仅使用现有的波段还是
不够的，为此光纤制造商在1 380 nm 波长附近，把OH离
子浓度降到了10-8以下，消除了（1 360~1 460）nm 波段的
损耗峰，使该波段的损耗也降低到0.3 dB/km左右，可应用
于光纤通信，而且色散值也小，所以在相同比特率下传输
的距离更长。该波段就是 E 波段(Extended wavelength
band)，它位于 O 波段和 S 波段之间。
• 全波光纤，顾名思义，就是在光纤的整个波段，从1280nm
开始到1675nm终止，都可以用来通信，与常规光纤相比，
全波光纤应用于DWDM，可使信道数增加50%，这就为
DWDM系统应用于城域网创造了条件。
色散补偿光纤
• 色散补偿光纤(DCF, Dispersion Compensating Fiber)是具
有大的负色散光纤。
• 它是针对现已敷设的 1.3m 标准单模光纤而设计的一种
单模光纤。
• 为了使现已敷设的 1.3m 光纤系统采用 WDM/EDFA 技
术，就必须将光纤的工作波长从 1.3m 改为 1.55m。
• 而标准光纤在 1.55m 波长的色散不是零，而是正的
17~20 ps/(nmkm), 并且具有正的色散斜率，所以必须在
这些光纤中加接具有负色散的色散补偿光纤，进行色散
补偿，以保证整条光纤线路的总色散近似为零，从而实
现高速率、大容量、长距离的通信。
光纤的选择
对光纤的基本要求是：
• 从发射光源耦合进光纤的光功率最大；
• 光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；
• 光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。
具体的设计要根据使用条件进行折衷。
色散和带宽
• 为使已调制的光信号以最小畸变通过光纤全长，
光纤色散要足够小。
• 正确选择光纤类型和工作波长:
• 长距离高速率海缆系统要选择零色散移位到
1.55m的G.654单模光纤。
• 波分复用系统要选择色散系数虽然很小、但不为
零的G.655单模光纤，以减小四波混频的影响。
• 用于城域网的DWDM系统要选择全波光纤。
• 采用发光管(LED)的系统,要充分考虑材料色散的
影响等。
表 2.4.2
标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤和色散补偿光纤的比较
标准光纤
色散移位光纤(DSF)
非零色散移位光
(G.652)
(G.653)
纤(NZ-DSF)
色散补偿光纤
(G.655)
零色散波长
1.3 m 附近
1.55 m 附近
在 1.525 m 或
在 1.7 m 以上
1.585 m 附近
1.55 m
色散值较大
色散值很小
色散值小
负色散值大
色散值 D
(17~20)ps/(nm km)
3.5ps/(nm km)
(2~3)ps/(nm km)
-(70~200)
ps/(nm km)
色散斜率 S
0.09ps/(nm2 km)
0.075ps/(nm2 km)
~0.1ps/(nm2 km)
0.15ps/(nm2 k
m)
模场直径( m)
9~10
7~8.3
8.40.6
5
衰减
衰减大
衰减较大
衰减中等
衰减大
0.35dB/km
0.215dB/km(敷设后)
0.21dB/km
0.3～0.5dB/km
对光缆的基本要求
• 对光缆的基本要求是保护光纤固有的机
械特性和光学特性，防止施工过程和使
用期间光纤断裂，保持传输特性稳定。
• 为此，必须根据使用环境，选择不同结
构的光缆，以免光纤受应力的作用和有
害物质的侵蚀。
光缆结构和类型
• 光缆由缆芯和护套两部分组成；
• 缆芯一般包括被覆光纤(芯线)和加强件,有
时加强件分布在护套中,这时缆芯主要就是
芯线。芯线是光缆的核心，决定着光缆的
传输特性；
• 加强件承受光缆的张力；
• 护套一般由聚乙烯(或聚氯乙烯)和钢带或铝
带组成,对缆芯起机械保护和环境保护作用,
要求有良好的抗压能力和密封性能。
二次被覆光纤(芯线)简图
紧套层
(a) 紧套
松套管
一次被覆光纤
(b) 松套
大套管
一次被覆光纤
(c) 大套管
(d)带状线
带状线
基本光缆结构简图
松套充油
光纤
紧套光纤
聚已烯
骨架
一次被
覆光纤
带状单元光纤
加强件
(a)层绞式
加强件
包带
包带
护套
护套
(b)骨架式
(c)中心套管式
(d)带状式
复习思考题
用光线光学方法简述多模光纤导光原理。
作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型？
什么叫多模光纤？什么叫单模光纤？
光纤传输电磁波的条件有哪 2 个？
造成光纤传输损耗的主要因素有哪些？哪些是可以改善的？最小损耗
在什么波长范围内？
6. 什么是光纤的色散？对通信有何影响？多模光纤的色散由什么色散决
定？单模光纤色散又有什么色散决定？
7. 光纤数值孔径的定义是什么？其物理意义是什么？
8. 单模光纤的传输特性用哪几个参数表示？
9. 多模光纤有哪两种？单模光纤又有哪几种？
10. 简述 G.652 光纤、G.653 光纤、G.654 光纤、G.655 光纤和全波光纤的
特征。
1.
2.
3.
4.
5.
总 结
1. 当入射角 i 超过临界角  c （  i   c ）时，没有透射光，只
有反射光，这就是多模光纤波导传输光的原理。
2. 实用光纤有多模光纤和单模光纤。
3. 如果光纤只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤。
相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤。
4. 光纤传输电磁波的条件除满足光线在纤芯和包层界面上的
全反射条件外，还需满足传输过程中的相干加强条件。
5. 引起光纤衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损
耗和辐 射损 耗。 吸收 损耗 是可以 改善 的。 最小 损耗 在
1.55m 波段内。
总 结
6
色散是由于不同成分的光信号在光纤中传输时，因群速度不同产
生不同的时间延迟引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信
号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。
如果信号是模拟调制，色散限制了带宽；如果信号是数字脉冲，
色散使脉冲展宽，从而影响系统传输的比特速率和光纤带宽。
多模光纤的色散由模式色散决定，单模光纤色散由色度色散 决
定。
7. 用数值孔径 NA 表示光线的最大入射角 max
sin  max 
NA
n0
sin max  NA （n0  1 时）
NA 表示光纤接收和传输光的能力。NA(或 max )越大，光纤接收
光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高，纤芯对光能量的束缚
越强，光纤抗弯曲性能越好。但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出
信号展宽越大，因而限制了信息传输容量。
总
结
8. 单模光纤的传输特性用衰减、色散和带宽表示。
9. 多模光纤有阶跃多模光纤和渐变多模光纤。单模光纤有
G.652 光纤、G.653 光纤、G.654 光纤、G.655 光纤、全波光纤和色
散补偿光纤。
10. G.652 光纤是普通单模光纤，G.653 光纤是色散移位光纤，
G.654 光纤是损耗最小光纤，G.655 光纤是非零色散移位光纤，全波
光纤是无水峰光纤，色散补偿光纤是具有负的大色散光纤。