第一章 光纖基本知識(shí)
第一章 光纖基本知識(shí)
1.1光纖的分類(lèi)
根據(jù)不同的分類(lèi)方法和規(guī)則，同一根光纖會(huì)有不同的名稱(chēng)。
1.1.1按光纖的用途
按使用用途，光纖主要分為通信光纖和非通信用光纖兩大類(lèi)。
例如：放入各類(lèi)通信光纜內(nèi)的光纖是通信光纖；放入胃鏡等各類(lèi)導(dǎo)光、傳象束纜用的是非通信光纖。還有些光纖做成光器件既可用于通信，做成傳感器也可以用于非通信。
1.1.2按光纖的材料
按光纖的主體材料，光纖主要可分為石英玻璃光纖、多組份玻璃系光纖和塑料光纖三大類(lèi)。
大部分用于通信的光纖是由純石英玻璃（二氧化硅）包層、摻雜石英玻璃芯層組成的光纖；胃鏡等光纖主要由多組分玻璃制成；塑料制成的光纖主要用于短距離通信和裝飾。
1.1.3 按光纖的折射率剖面
按光纖的折射率分布剖面結(jié)構(gòu)，光纖主要分為階躍型、漸變（聚焦）型和復(fù)雜（三角、多包層）型三大類(lèi)。
1.1.4按傳輸?shù)哪Ｊ?/p>
按光纖內(nèi)傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模和單模光纖兩大類(lèi)。
在指定的工作波長(zhǎng)范圍，當(dāng)有多個(gè)模式（光纖的運(yùn)動(dòng)形式）在光纖中同時(shí)傳輸時(shí)，這種光纖稱(chēng)為“多模光纖”。“單模光纖”在指定的工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)只能傳輸基模（最低階模）。
1.1.5按ITU-T標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU-T）為通信用光纖制定了統(tǒng)一的光纖標(biāo)準(zhǔn)（G標(biāo)準(zhǔn)）。按照ITU-T關(guān)于光纖的建議，將通信用光纖分為G.651、G.652、G.653、G.654、G.655和G.656等類(lèi)光纖，有些類(lèi)別還細(xì)分為若干子類(lèi)。
1.1.6按IEC標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）也為通信用光纖制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。按照IEC 關(guān)于光纖的建議，將通信光纖分為A1、B1、B2、B3和B4類(lèi)光纖，有些類(lèi)別也細(xì)分為若干子類(lèi)。
1.1.7按GB/T標(biāo)準(zhǔn)
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T）等采用了IEC標(biāo)準(zhǔn)。
1.2光纖結(jié)構(gòu)和傳光原理
1.2.1光纖結(jié)構(gòu)
由內(nèi)到外，光纖由纖芯、包層、一次涂覆和著色層組成，稱(chēng)為光纖的外結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1.2.1。多模光纖同單模光纖外結(jié)構(gòu)的區(qū)別只在于纖芯的尺寸。光纖的內(nèi)結(jié)構(gòu)則是纖芯的折射率剖面結(jié)構(gòu)。
1.2.2光纖的傳光原理和傳輸模式
（1）傳光原理
圖1.2.2簡(jiǎn)單描述了光纖的傳光原理。
圖1.2.2（a）中所示的是多模階躍型光纖，其纖芯折射率分布是平坦的。在纖芯內(nèi)傳播的若干模式光線基于全反射原理，在纖芯和包層界面多次反射到達(dá)終點(diǎn)。由于各個(gè)模式的反射次數(shù)不同引起的“光程差”在到達(dá)終點(diǎn)時(shí)造成了“時(shí)延差”，使輸入的光脈沖到達(dá)終點(diǎn)時(shí)寬度展寬即降低了帶寬能力。
圖1.2.2（b）中所示的是多模漸變型光纖，其纖芯折射率分布類(lèi)似于拋物線，近似于透鏡的自聚焦形式。在纖芯內(nèi)傳播的若干個(gè)模式光線以正弦形式運(yùn)動(dòng)，有基本一致的焦點(diǎn)，改變了多模階躍光纖的時(shí)延差，即提高了帶寬的能力。但多個(gè)模式同時(shí)傳播引起的碰撞造成了所謂的“模間色散”，使輸入的光脈沖到達(dá)終點(diǎn)時(shí)寬度仍有較大的展寬。
圖1.2.2（c）中所示的是標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，雖然其纖芯折射率分布仍是平坦的。但由于只有一個(gè)模式在傳播，避免了多模在傳播時(shí)互相耦合造成的損耗和色散，輸入的光脈沖到達(dá)終點(diǎn)時(shí)損耗和展寬均最小。相比于多模光纖，其單位長(zhǎng)度的傳輸損耗小而帶寬能力大，但因纖芯尺寸小，與光源耦合和相互對(duì)接的難度增加。
（2）光纖模式
光波是電磁波，光纖中的電磁場(chǎng)分布遵守麥克斯韋方程。解波動(dòng)方程可以得到光纖模式特性、場(chǎng)結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)和截止條件等。
在平面介質(zhì)波導(dǎo)中，以光線傳輸?shù)膶?dǎo)波沿波導(dǎo)曲折前進(jìn)，所有這些光線均通過(guò)波導(dǎo)的平面，并且這些波不是橫電波（TE）就是模磁波（TM）。
圖1.2.3（a）表示基膜（LP01模）在階躍光纖內(nèi)的電場(chǎng)分布，圖1.2.3（b）則是垂直于光纖橫截面的電場(chǎng)分布，圖1.2.3（c）是LP01模、LP11模和LP21模垂直于光纖橫截面的強(qiáng)度分布。
（3）光纖中模數(shù)
在階越躍光纖中，傳導(dǎo)模數(shù)由V參數(shù)（或歸一化頻率）決定，V參數(shù)與光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，由式1.2.1表達(dá)。
（式1.2.1）
：工作波長(zhǎng)；
：纖芯半徑；
n1：纖芯折射率；
n2：包層折射率；
：纖芯和包層的相對(duì)折射率差；
：光纖的數(shù)值孔徑。
當(dāng)V=2.405時(shí)，只有基膜LP01通過(guò)纖芯傳輸，這時(shí)的光纖是單模工作，因此有了光纖的截止波長(zhǎng)，由式2.2.2得出。
1/2
(式1.2.2)
根據(jù)式1.2.1，截止波長(zhǎng)為1260 nm的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖在工作波長(zhǎng)1310nm處的V值為2.31；在工作波長(zhǎng)為1550nm處的V值為1.96，因而波導(dǎo)較弱。
當(dāng)V=2.405時(shí)，傳導(dǎo)的模數(shù)增長(zhǎng)的很快，在階躍多模光纖中能夠支持的模式數(shù)量N由式2.2.3表示。
（式1.2.3）
圖1.2.4示出了幾種LP模的歸一化傳播常數(shù)與歸一化頻率的關(guān)系，隨著V值的增加，光纖的傳輸模數(shù)也在增加。
1.3光纖的主要技術(shù)特性
從1970年到現(xiàn)在短短三十多年的時(shí)間，光纖通信技術(shù)取得了極其驚人的發(fā)展。用帶寬極寬的光波作為傳送信息的載體，光纖通信具有通信容量大、中繼距離長(zhǎng)、保密性好、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，就目前的光纖通信而言，其實(shí)際應(yīng)用僅是其潛在能力的2%左右，尚有巨大的潛力等待人們?nèi)ラ_(kāi)發(fā)利用，光纖通信正在向更高水平、更高階段的方向發(fā)展。為了更好的認(rèn)識(shí)光纖通信技術(shù)，下面我們從光纖的幾個(gè)特性來(lái)著手認(rèn)識(shí)它。
光纖的特性可以分為三大類(lèi)：物理特性、傳輸特性與環(huán)境特性。
光纖的物理特性與耦合連接損耗有密切關(guān)系。（主要包括折射率分布，幾何尺寸，模場(chǎng)直徑，截止波長(zhǎng)，同心度等）
光纖的傳輸特性與中斷距離和傳輸速率及傳輸容量有關(guān)。（主要包括衰減系數(shù)、衰減不連續(xù)性、色散等）
光纖的環(huán)境特性與長(zhǎng)期作用的穩(wěn)定性和工作壽命有關(guān)。（主要包括篩選強(qiáng)度、疲勞因子、衰減溫度特性、時(shí)延溫度特性等）
1.3.1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：
a= 10 lg Pi/Po 單位為dB/km
其中：Pi 為輸入光功率值（W 瓦特）
Po 為輸出光功率值（W 瓦特）
假如某光纖的衰耗系數(shù)為a=3dB/km，則意味著經(jīng)過(guò)一公里光纖傳輸Pi/Po= 10 0.3= 2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，按照0.18dB/km 的衰耗。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，可傳輸120km 以上。
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。
散射損耗通常是由于光纖材料密度的微觀變化，以及所含SiO2 、GeO2 和P2O5 等成分的濃度不均勻，使得光纖中出現(xiàn)一些折射率分布不均勻的局部區(qū)域，從而引起光的散射，將一部分光功率散射到光纖外部引起損耗；或者在制造光纖的過(guò)程中，在纖芯和包層交界面上出現(xiàn)某些缺陷、殘留一些氣泡和氣痕等。這些結(jié)構(gòu)上有缺陷的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波，引起與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的散射損耗，并且將整個(gè)光纖損耗譜曲線上移，但這種散射損耗相對(duì)前一種散射損耗而言要小得多。
綜合以上幾個(gè)方面的損耗，單模光纖在1310nm 和1550nm 波長(zhǎng)區(qū)的衰減常數(shù)一般分別為0.3~0.4dB/km(1310nm) 和0.17~0.25dB/km(1550nm) 。ITU-TG.652 建議規(guī)定光纖在1310nm 和1550nm 的衰減常數(shù)應(yīng)分別小于0.5dB/km 和0.4dB/km 。
實(shí)際工程中，光信號(hào)的長(zhǎng)距離傳輸要求信號(hào)功率足以抵消光纖的衰耗，G.652 光纖在1550nm 窗口的衰耗系數(shù)一般為0.25dB/km 左右，考慮到光接頭、光纖冗余度等因素，綜合的光纖衰耗系數(shù)一般小于0.275dB/km 。
