光纤的基本传输特性（光纤的传输原理和传输特性）

1.概观

(1)光纤的结构

光纤是一个同心圆柱体，引导光在特定方向传播，其结构如图2所示。芯的一部分具有折射率n1，芯外的部分具有折射率n2的包层。纤芯的折射率n1高于包层的折射率n2，从而形成光波导效应，使大部分光束缚在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。外护套层只起到保护作用，不会影响光的传输。

图2光纤的基本结构

光纤的几何尺寸很小，纤芯直径一般为5 ~ 50m，包层外径为125 m，整个光纤包括保护层的外径只有250 m左右。

常用的纤芯和包层材料是高纯应时(SiO2)，是日常生活中玻璃的主要成分。然而，必须向应时中添加少量不同的掺杂剂，以增加或降低应时的折射率，以便它可以用作芯或包层材料。常见的掺杂剂有二氧化锗(GeO2)、三氧化二硼(B2O3)等。

(2)光纤的分类

根据折射率分布，光纤可以分为两类：阶跃光纤(SIF)和梯度光纤(GIF)。阶跃光纤也叫均匀光纤，其纤芯折射率是恒定的，而渐变光纤的纤芯折射率是渐变的，但阶跃光纤和渐变光纤的包层折射率是恒定的。

根据纤维材料的不同，光纤可分为四大类：应时纤维、应时芯塑包层纤维、多组分玻璃纤维和塑料纤维。其中，应时光纤损耗最低，在光纤通信中应用广泛。本章主要介绍应时光纤。

根据传输模式的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两大类。单模光纤的纤芯直径很小，为4 ~ 10m，只能传输单一模式，可以完全避免模式色散。适用于大容量、长距离光纤通信。多模光纤的芯径在50 m左右，在某一工作波长下可以传输多个模式，但会造成模式色散，限制传输距离。其优点是比单模光纤更容易制造、耦合和连接，适用于短距离通信和局域网。

(3)光纤标准

目前国际光纤主要采用国际电信联盟ITU-T的G系列。相应的，中国光纤标准是国家标准GB/T 15912系列和信息产业部颁布的通信行业标准YD/T系列，如下。

G.651:定义了渐变折射率多模光纤，主要指0.85 m和1.31 m的多模光纤

G.652:普通单模光纤，指1.31 m窗口内零色散波长的单模光纤。

G.653:色散位移光纤。在G.652光纤的基础上，将零色散点从1.31 m窗口移到1.55m窗口，解决了1.55m波长色散限制单波长高速系统的问题。但是光纤的非线性效应导致的四波混频对G.653光纤上的DWDM系统产生了严重的影响，所以G.653没有得到广泛的推广。

G.654:截止波长漂移单模光纤。通过特殊设计将1.55米处的损耗系数降至0.185dB/km，主要是为了满足海底光纤长距离通信的要求。

G.655:非零色散位移光纤。这种光纤在1.55 m的窗口内具有合理的低色散，可以减少四波混频、交叉相位调制等非线性效应，在最小化色散补偿的同时可以支持长距离传输。

(4)光缆

光缆最重要的技术要求是保证光纤在各种环境下制造、敷设和使用时，其传输性能不受影响并具有长期稳定性。

光缆的主要特性。

机械性能：包括抗拉强度、抗压强度、抗冲击性能和弯曲性能。

温度特性：包括高温和低温特性。

重量：重量pe

缆芯：光缆结构的主要部分，其作用是将光纤正确定位，使光纤在各种外力的影响下仍能保持优良的传输性能。多芯光缆还应对光纤进行着色，以便于识别。另外，为了防止气体和水分子浸入，光纤要有各种防潮层，并填充油膏。

加强元件：有两种结构方式，一种是放在光缆中心的中心加强元件，另一种是放在护套中的外加强元件。

光纤护套：和电缆护套一样，是由护套等组成的多层组合。保护层一般分为填充层、内护套、防水层、缓冲层、铠装层和外护套等。

光缆的分类。

根据光缆的芯线结构，可分为层绞式、骨架式、带状光纤式和束管式四大类。中国和欧亚国家大多采用前两种结构。

从应用角度看，光缆可分为干线光缆、海底光缆、用户光缆、市话光缆、无金属光缆、复合光缆和野外光缆。以上四种类型的光缆可根据其应用进行选择。

2.光纤传输原理

(1)光纤的导光原理

光纤通信的基本问题是研究光信号如何在光纤中传输。

因为光具有波粒二象性，即波动性和粒子性，这意味着光波不仅可以像波一样向前传播，有时还会表现出粒子的特性。在这里，麦克斯韦方程来解释光的传播特性，把光看成一条光线，即用几何光学来分析它的传播特性。当光从一种介质入射到另一种介质时，两种介质之间的界面会发生反射和折射，如图3所示。如果所有的入射光在分界面处都发射回第一种介质，则称为全反射。

图3光在界面上的反射和折射

光在两种介质界面上的全反射必须满足以下两个条件。

(1)光必须从轻密介质入射到轻疏介质，即N1N2。

入射角必须大于其临界角，即c190。

这是一个关键的转折点。

根据光纤的结构，纤芯的折射率n1高于包层的折射率n2。当激光耦合入纤芯时，只要对包层与纤芯界面的入射角大于临界角，就会发生全反射，使光束在包层与纤芯界面之间来回反射，从而使光束在光纤中传播。光纤的导光原理如图4所示。

图4光纤导光原理

根据光的反射和折射定理，当光的入射角满足下式时，可以在光纤中传播。

其中[插图]是光纤芯和包层之间的相对折射率差。

如果光纤外有空气，则n0=1，有

(2)光纤的数值孔径(NA)

定义满足入射条件的最大入射角的正弦，即sinmax为光纤的数值孔径，记为NA，即

数值孔径NA是光纤的一个极其重要的参数，它反映了光纤捕获光的能力。

NA越大，光纤捕获光的能力越强，光纤与光源的耦合效率越高。理论上，光纤的相对折射率差应该较大，但过大的会导致光纤严重的多径色散。实际中单模光纤的NA值约为0.1，多模光纤的NA值约为0.2。

3.光纤的传输特性

(1)光纤的损耗特性

光纤的定义：光信号在光纤中传播的能量随着传播距离的增加而减小。

光纤损耗的影响：决定了光信号在光纤中的最大传输距离。

光纤的分类：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。A

目前光纤的低损耗光谱如表1所示。光纤的第一个低损耗窗口位于850nm附近，第二个低损耗窗口位于1310nm(即S波段)附近，第三个低损耗窗口位于1550nm(即C波段)附近。561 ~ 1625 nm的范围被定义为L波段或第四窗口。1998年，朗讯推出全波光纤，即低水峰光纤，使1383nm处的水峰几乎不存在(衰减小于0.31dB/km)，打开了光纤的第五个窗口，即E波段(1350~1450nm)。

表1目前光纤采用的低损耗光谱

(2)光纤的色散特性

光纤的定义：不同频率(或波长)的电磁波在不同相速和群速的介质中传播的物理现象。

光纤色散的影响：会造成光脉冲在传播过程中展宽，导致前后脉冲重叠，造成数字信号的码间串扰，从而限制光纤通信系统的带宽和容量。

光纤色散的分类：一种是波长色散，与波长有关；另一种是模式色散，与光波波长无关。是因为不同的模式在光纤中的传播速度不同，从而造成光脉冲的展宽。

在多模光纤中，模式色散起着决定性的作用，最终限制了光纤的传输带宽。因此，单模光纤只在高速传输系统和长距离通信线路中用作传输介质。

一般单模光纤没有模式色散，只有波长色散。这主要是因为光源发出的光脉冲可以这不是单色光。即使是单色光，由于光波上的调制信号具有一定的带宽，这些不同波长或频率成分的光信号在光纤中传播时，也会因速度不同而使光脉冲变宽。因为光波的波长不同，颜色也不同，所以这种色散也叫色散。

(3)光纤的非线性特性

光纤的非线性效应：当注入光纤的光功率较小时，光纤是线性介质，光纤的各参数随光场强度线性变化；当光功率较高时，光纤会发生非线性变化。产生这种现象的原因是过量的光功率注入在光纤介质中引起电偶极，电偶极又随光波调制，在光功率较低时引起小振荡即线性响应，在光功率较高时引起大振荡即非线性响应。

光纤非线性的影响：功率损耗、不同波长间的串扰、光信号传输的失真。

非线性光纤的分类：受激拉曼散射、受激布里渊散射、四波混频效应和交叉相位调制。编辑：CC