1、光纖參數對光通信的影響光電信息科學系 光信息科學與技術專業122662011055施少智指導教師 蘇寶璽 楊文琴【摘要】光纖通信技術的問世與發展給世界通信業帶來了革命性的變革。特別是經歷近年的研究開發光纖、光纜、器件系統的品種不斷更新性能逐漸完善,已使光纖通信成為信息高速公路的傳輸平臺。為了滿足現代通信系統的需求，需對系統的傳偷性能進行規劃和設計。本文介紹光纖的種類及發展史，并通過實驗驗證光纖的衰減、色散、數值孔徑及連接錯位對光通信的影響以及對其進行改善，以這些信息作為指南，對于實施光纖通信設計的人員十分有用，同時，也有利于系統分析人員對系統的質量及效果進行預判。Abstract:With t

2、he advent of optical fiber communication technology to the world telecommunication industry has brought the revolutionary change。Especially in recent years, the research and development of optical fiber, optical cable, device varieties constantly updated performance of the system gradually perfect,

3、the optical fiber communication has also become the information superhighway transmission platform.In order to meet the requirements of modern communication system, need to steal transfer performance of system planning and design. This paper introduces the history of optical fiber, and expounds the

4、attenuation, dispersion of the fiber, the influence of the numerical aperture of optical communication.With this information as a guide, for the implementation of optical fiber communication design personnel is very useful, at the same time, also is helpful for the system analyst on the system of th

5、e quality and effect of anticipation.【關鍵詞】光纖通信系統；光纖參數；光纖損耗；光纖色散；光纖數值孔徑Key Word： Fiber Optical Communication System；parameters of optical fiber； fiber loss；optical fiber dispersion目錄1光纖通信的概述31.1光纖通信的概述31.2 光纖通信技術的研究意義31.3 光纖通信發展史41.4光纖的分類52 光纖參數及其對光通信的影響62.1 光纖的衰減及衰減系數62.2 光纖的色散13

6、2.3 光纖的數值孔徑102.4 光纖連接錯位對光通信的影響183 光纖通信技術的應用193.1 光纖通信技術在電力通信領域的應用193.2 光纖通信技術在廣電行業的應用203.3 光纖通信技術在軍事領域中的應用204 結語21參考文獻22 1.光纖通信的概述1.1光纖通信的概述光纖通信是指以光波為載體，利用純度極高的玻璃拉制成極細的光導纖維，以光導纖 維作為傳輸的媒介，然后通過光電變換，運用光來傳輸信息的通信系統。光纖主要分為三個 部分，即內芯、包層以及圖層。內芯的直徑一般在幾微米到幾十微米之間，包層主要是指內 芯外面的一層，其主要目的就是為了保護光纖 不受損害。在平常生活中見到的光線系統并

7、不是單根的光纖，而是由許多光纖聚集在一起形 成的光纜。光纖是由玻璃材料制成的電氣絕緣體，因此即使接地也不會發生回路的現象。光纖通信系統通常由電發射機、光發射機、光接收機、電接收機和由光纖構成的光纜等組成。如圖1-1。光纖通信因其具有的大容量通信、遠距離傳輸、信號串擾小、保密性能好、抗電磁干擾、傳輸質量佳、尺寸小、重量輕、難于竊聽、光纜適應性強、壽命長，備受業內人士青睞，發展非常迅速。目前光纖光纜已經進入了有線通信的各個領域，成為通信發展的主流。圖1-1 光纖通信系統基本組成圖1.2光纖通信技術的研究意義隨著社會的發展，人們對信息的需求呈指數上升，全球數據業務量幾乎半年左右就翻一番。例如，IP網

8、絡（Internet）從20世紀90年代開始進入一個大發展時代，其用戶數以165%的年增長率在全球擴展，到2014年上網用戶數已達30億左右，稱為當前網絡通信業務的主要增長因素。20世紀80年代光纖通信技術成熟并廣泛應用，已經和正在為信息的擴容和IP網絡的發展起著巨大的推動作用，面對廣大用戶對通信網絡容量提出更高的要求，即為了滿足數據通信大容量的需求，最佳的方案就是利用光纖給人們提供的約512THz巨大潛在帶寬資源，將信息進行無阻賽的傳輸和交換，促使光纖通信的發展速度不僅超過了摩爾定律所限定的交換機和路由器的發展速度，而且超過了數據業務的增長速度，而成為支撐通信業務量增加最重要的技術。伴隨中國

9、城鎮化等宏觀經濟政策調整，我國城鄉每年舊城改造和新屋建設達到20多億平方米，至少可以容納 2000 萬戶新居或數百萬個企業，為光寬網建設提供了幾乎海量的外在條件。伴隨信息化社會的發展，人們隨時隨地辦公、生 活、學習、購物、娛樂的內在需求日益凸現，建設安全的全光信息網絡已經提升為國家戰略。科學技術水平提升使光纖通信技術提供的服務質量能夠不斷的滿足人們的要求。電信光纖通信技術發展趨勢優 勢明顯，傳輸速度快、傳輸容量擴大，并且在長距離下實現信息容量提升、完善全光網絡系統。在未來、光纖通信技術發展狀況下信息數據傳輸水平會在網絡系統發展下實現高速發展。光纖通信技術發展具有重要的現實應用意義。1.3光纖通

10、信的發展史1.3.1光纖通信系統發展至今經歷四代升級1第一代通信系統：19661976年是開發期，實現了短波長低速率多模光纖通信，波長為850nm，速率為34Mbit/s或45Mbit/s，衰減為1.5dB/km，無中繼通信距離約10km。第二代通信系統：19761986年，以提高傳輸速率和增加傳輸距離為目標。采用1310nm和1550nm波長，單模光纖，速率為140565Mbit/s，衰減為0.85dB/km，無中繼通信距離為60km左右。第三代通信系統：19861996年，核心目標是超大容量與超長距離的傳輸。采用1550nm的長波長激光器，單模光纖，衰減為0.4dB/km，無中繼通信距離為

11、200km左右，速率可達2.510Gbit/s。第四代光纖通信系統：前三代的傳輸系統主要特征是在一條光纖里傳輸一個波長。隨著技術的發展，能夠多個波長復用在一起傳輸，因此增加頻帶利用率的WDM技術很快得以運用。所以，采用光放大器WDM傳輸系統形成了第四代光纖通信系統。1.3.2我國光通信的發展歷程1977年，中國第一根短波長、階躍型光纖誕生。1981年，開發出光纖通信用長波長光器件。1985年，漢寧PDH40Mbit/s光纜通信系統第一個以光纖為主的干線傳輸網。1993年，第一套565Mb/s PDH設備誕生。1996年，第一套2.5GSDH設備誕生。1997年，第一套DWDM系統誕生。1999

12、年，第一套10GSDH系統和32X2.5GDWDM系統誕生。2000年，第一套32X10GDWDM系統誕生，在國內首次開發出DXC、OADM設備。2001年，全球第一套互聯互通的全光網絡設備誕生并開通實際工程。2002年，第一套1.6TDWDM系統誕生。2003年，第一套有完全知識產權的超長距離光傳輸系統（ULH）誕生。2004年，第一套具有商用水平的WDM ULH 和EPON系統、第一個實質性FTTH工程和第一個運營成功的國產FTTH工程誕生。2005年，中國第一個Tbps級DWDM（80X40G DWDM傳輸系統）誕生。2008年，中國成功研制出100G波分樣機，在40G下一代技術領域獲得

13、突破性進展。2009年，3G發牌帶來的中國通信業投資熱，中國光通信工業走向全面景氣。2010年，中國光器件商在10G PON模塊研發和產業化上取得重大進展，部分已經開始批量出貨。中國光纖通信經過了多年艱苦發展，目前已成為世界第一大光纖需求國、制造國和預制棒進口的國家。1.4光纖的分類1.4.1單模光纜單模光纖(Single Mode Fiber)：中心纖芯很細(芯徑一般為9或10m)，只能傳一種模式的光。因此，其模間色散很小，適用于遠程通訊，但還存在著材料色散和波導色散，這樣單模光纖對光源的譜寬和穩定性有較高的要求，即譜寬要窄，穩定性要好。后來發現在1310nm波長處，單模光纖的總色散為零。從

14、光纖的損耗特性來看，1310nm正好是光纖的一個低損耗窗口。這樣，1310nm波長區就成了光纖通信的一個很理想的工作窗口，也是現在實用光纖通信系統的主要工作波段。1310nm常規單模光纖的主要參數是由國際電信聯盟ITUT在G652建議中確定的，因此這種光纖又稱G652光纖。上面提到由于OH（水峰）的吸收作用，9001300nm和1340nm1520nm范圍內都有損耗高峰，該現象稱為水峰。目前美國康普公司提供的TeraSPEEDTM零水峰單模光纜，正解決了此問題，TeraSPEED 系統通過消除了1400nm 水峰的影響因素, 從而為用戶提供了更廣泛的傳輸帶寬, 用戶可以自由使用從1260nm

15、到1620nm 的所有波段, 因此傳輸通道從以前的240增加到400，性能比傳統單模光纖多50%的可用帶寬，為將來升級為100G帶寬的CWDM 粗波分復用技術打下了堅實的基礎，TeraSPEED 解決方案為園區/城市級理想的主干光纖系統。同時，由于G.652.D 是單模光纖的最新的指標，是所有G.652級別中指標最嚴格的并且完全向下兼容的。如果，僅指明G.652意味著 G.652.A 的性能規范，這一點應特別注意。TeraSPEED 光纖超過所有的指標均滿足 G.652.A, .B, .C和.D 的性能規范，如下表：表1-2 各型號光纖各波長的損耗而我們對于單模光纜的選型建議如下：A從傳輸距離

16、的角度，如果希望今后支持萬兆傳輸，而距離較遠應考慮采用單模光纜。B從造價的角度，零水峰光纜提供比單模光纖多50%帶寬，而造價上又相差不多，事實上美國康普公司目前已經不提供普通單模光纖，只提供零水峰光纖這樣的更高性能的產品給用戶。1.4.2多模光纜多模光纖(Multi Mode Fiber) 芯較粗(50或62.5m)，可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重。因此，多模光纖傳輸的距離就比較近，一般只有幾公里。如下表，為多模光纜的帶寬的比較：表1-3 最小模式帶寬提到萬兆多模光纜，需要作些說明，光纖系統在傳輸光信號時，離不開光收發器和光纖。因傳

17、統多模光纖只能支持萬兆傳輸幾十米，為配合萬兆應用而采用的新型光收發器，ISO/IEC 11801制定了新的多模光纖標準等級，即OM3類別，并在2002年9月正式頒布。OM3光纖對LED和激光兩種帶寬模式都進行了優化，同時需經嚴格的DMD測試認證。采用新標準的光纖布線系統能夠在多模方式下至少支持萬兆傳輸至300米，而在單模方式下能夠達到10公里以上（1550nm更可支持40公里傳輸）。2. 光纖的參數及對光纖通信的影響2.1光纖的衰減及衰減系數2.1.1光纖的衰減及衰減系數的概述光纖的衰減是指光信號沿光纖傳輸時，光功率的損耗，在不同的波長(入)上其損耗是不同的。其定義是為 其中P1()、P2()

18、分別為注入端和輸出端的光功率;衰減的單位是dB。它是影響光纖通信系統中繼距離的一個重要因素。衰減系數則是指對于穩態條件下的均勻的光纖，其單位長度上的衰減，因此衰減系數的單位是dB/km。對于穩態條件下的均勻光纖，可以定義單位長度衰減（即衰減系數）（）為： 式中:L為光纖長度，單位為km，光纖的衰減系數（）是一個與長度無關但與波長有關的參數。在口常工作中我們也常把衰減系數簡稱為衰減。其中所謂的均勻光纖，也就是要求光纖中的模功率達到近似穩態分布。因此，在口常測量中，我們常用長光纖激勵法在被測光纖中激勵出近似的穩態模功率分布，也就是利用一根長光纖(5001000米)接在光源和被測光纖之間作為尾纖來產

19、生模耦合。2.1.2光纖耦合及耦合效率測量耦和效率：耦合入光纖的光功率于輸出端光線的總功率之比。 ( 為耦合入光纖的功率，為輸出端光纖的功率) 耦合效率取決于和光纖連接的光纖類型和耦合的實現過程。 圖 2-1 光纖耦合的簡單原理圖耦合效率受光源輻射的空間分布、光源發光面積以及光纖收光特性和傳輸特性等因素的影響。耦合方式分為直接耦合和透鏡耦合，其中，針對半導體激光器，透鏡耦合又包括：a端面球透鏡耦合：將光纖端面做成一個半球形，端焦距透鏡的作用；b柱透鏡耦合：柱透鏡可將半導體激光器出射的橢圓光變成圓形光；c凸透鏡耦合：如圖3.1所示，將激光器放于凸透鏡的焦點上，然后用另一凸透鏡將平行光匯聚帶光纖端

20、面上。本實驗用40倍顯微物鏡實現透鏡功能，后端焦距在1mm左右。激光器透鏡透鏡光纖圖2-2 凸透鏡耦合方式示意圖實驗步驟1、按圖3.2搭建實驗光路，調整激光器、物鏡（40倍）、光纖輸入端，使他們在同一水平線上；圖2-3 光纖耦合實驗注：1激光器；2物鏡；3五維調節系統；4功率計。2、打開激光器，調整物鏡，使物鏡后出射光打在光纖輸入端正中心；3、調整五維調整架 A調整上、下、俯、仰旋鈕，使光纖后端輸出功率達到最大值； B調整平移臺，使物鏡與光纖輸入端距離拉近；C重復“A”“B”兩步，直到輸出功率達到最大值。此時，物鏡前端與光纖輸入端陶瓷插芯的距離在1mm以內4、測量激光器的輸出功率、光纖輸出功率

21、，計算光纖的耦合效率；調節方法：當物鏡與光纖的陶瓷插芯距離較遠時，主要調節的是上下、左右旋鈕；而當物鏡與光纖的陶瓷插芯距離足夠近時，應該調節俯仰旋鈕，此時的上下、左右旋鈕對耦合效率的影響很小。表2-1單模光纖和多模光纖耦合效率實驗數據單模多模輸入功率P1 （mW）300.0292.3輸出功率P2 （mW）262.4261.8262.9210.1212.5211.2耦合效率（%）87.587.387.371.972.772.3平均耦合效率87.3772.30如表所示，在光纖傳輸和傳感技術中，各部件的耦合是一個重要的環節。因為光纖本身的損耗降低后，光無源器件與光纖、光纖與光纖、光源與光纖以及光探測

22、器與光纖耦合引起的損耗顯得更加重要。耦合損耗是光纖傳輸和傳感系統中的一個重要的參數。，2.1.3光纖損耗的測量為了研究光纖衰減對光纖通信的影響，測量衰減參數，我們常采用截斷法測量光纖的衰減。截斷法測量光纖衰減的方法是在穩態注入條件下，首先測量整根光纖的輸出功率P2；然后，保持注入條件不變，在離注入端約1km處切斷光纖，測量此短光纖輸出的光功率P1。其計算公式： 其中P1、P2分別代表截斷前和截斷后光纖透射功率；L為光纖的長度。測量裝置簡圖如圖2-4所示; 功率計光纖532nm激光器物鏡光纖五維調節架距前端1m處切斷圖2-4 測量光纖傳輸損耗示意圖截斷法(也叫剪斷法)是測量衰減的基準測試法。它的

23、測量精度較高，但是由于它在測量時要剪斷數米光纖，對被測光纖有破壞性，以前一般不常用，只是在測量有爭議時，才用它作為判斷的主要依據。但是近年來一些光纖廠逐漸開始采用此方法，如長飛光纖光纜公司和鑫茂科技(原天大天財)公司等2。2.1.3光纖衰減系數實驗數據及分析本實驗采用多模光纖測量，測得數據如下：L=0.001km表2-2 光纖衰減系數實驗數據組1組2組3組4組5平均值P1（nW）198.40201.29199.55200.12198.28199.53P2（nW）198.51201.41199.67200.23198.40199.64（dB/km）2.4072.5882.6112.3872.63

24、82.526該光纖的平均衰耗系數為=2.526dB/km，則意味著經過一公里光纖傳輸后，則P1/P2= 100.00025261.0006，其光信號功率值減小了0.6%。長度為L 公里的光纖總的衰耗值為A=L 。由此可見，光纖損耗是限制通信性能主要原因之一，是限制發送機和接收機之間的最大傳輸距離的主要原因。衰減直接影響到光纖通信中繼站的建設距離，中繼站的數量對光纜施工、維護及運營成本影響非常大。光纖的性能已經成為電信運營商及光纜生產制造廠家非常關心的問題。2.1.4延長光纖傳輸系統傳輸距離的方法光放大器是光纖通信系統中能對光信號進行放大的一種子系統產品。主要包括半導體光放大器、摻稀土元素光纖放

25、大器、非線性光放大器半導體激光放大器。摻餌光纖放大器是摻稀土元素光纖放大器一種，它比其它光放大器更加引人注目，是所有光放大器中最為常用的3。EDFA主要由摻餌光纖（EDF）、泵浦光源、波分復用器（WDM）、隔離器（Isolator）等組成，EDFA的內部按泵浦方式分為三種最基本的結構，即同向泵浦、反向泵浦和雙向泵浦。同向泵浦，信號光與泵浦光以同一方向從摻鉺光纖的輸入端注入，如圖2-5所示：圖2-5 EDFA結構示意圖OUTPUT反向泵浦，信號光與泵浦光從兩個不同方向注入進摻鉺光纖，如圖2-2所示：Isolator980nm Pump LDEr fiberWDMOUTPUTIsolatorSig

26、nal 圖2-6 EDFA結構示意圖雙向泵浦，它是同向泵浦和反向泵浦同時泵浦的一種結構，如圖2-3所示：Signal980 pump LDIsolatorEr fiberWDMWDMIsolator980 pump LDOUTPUT圖2-7 EDFA 結構示意圖EDFA的工作原理：Er3+能級圖及放大過程：摻鉺光纖放大器之所以能放大光信號的基本原理在于Er3吸收泵浦光的能量，由基態4I15/2躍遷至處于高能級的泵浦態，對于不同的泵浦波長電子躍遷到不同的能級，當用980nm波長的光泵浦時，如圖2-4所示，Er3從基態躍遷至泵浦態4I11/2。由于泵浦態上的載流子的壽命只有1s，電子迅速以非輻射方

27、式由泵浦態豫馳至亞穩態，在亞穩態上載流子有較長的壽命，在源源不斷的泵浦下，亞穩態上的粒子不斷累積，從而實現粒子數反轉分布。當有1550nm的信號光通過已被激活的鉺光纖時，在信號光的感應下，亞穩態上的粒子以收集受激輻射的方式躍遷到基態，同時釋放出一個與感應光子全同的光子，從而實現了信號光在摻鉺光纖的傳播過程中不斷放大。在放大過程中，亞穩態上的粒子也會以自發輻射的方式躍遷到基態，自發輻射產生的光子也會被放大，這種放大的自發輻射（ASE：Amplified Spontaneous Enission）會消耗泵浦光并引入噪聲。圖2-8 Er3的能級圖2.EDFA的基本性能EDFA中，當接入泵浦光功率后，

28、輸入信號光將得到放大，同時產生部分ASE光，兩種光都消耗上能級的鉺粒子。當泵浦光功率足夠大，而信號光與ASE很弱時，上下能級的粒子數反轉程度很高，并可認為沿摻鉺光纖長度方向上的上能級粒子數保持不變，放大器的增益將達到很高的值，而且隨輸入信號光功率的增加，增益仍維持恒定不變，這種增益稱為小信號增益。在給定輸入泵浦光功率時，隨著信號光和ASE光的增大，上能級粒子數的增加將因不足以補償消耗而逐漸減少，增益也將不能維持初始值不變，并逐漸下降，此時放大器進入飽和工作狀態，增益產生飽和。飽和增益值不是一個確定值，隨輸入功率和飽和深度以及泵浦光功率而變。增益：輸出端口的信號功率與輸入端口的信號功率的比值，以

29、dB表示。（增益包括輸入光纖跳線和輸入口之間的連接損耗；并且實驗中需要假定跳線與用作EDFA輸入輸出端口的光纖同類；同時需要注意從信號光功率中排除ASE噪聲功率）。 小信號（線性）增益：ba圖2-5 典型EDFA的增益、噪聲系數與輸入功率的關系EDFA工作在線性范圍區時的增益，（這時在給定的信號波長和泵浦光功率電平下，它基本上與輸入信號光功率無關）輸出與輸入信號光功率之比，不包括泵光和ASE光。 式中Pin和Pout是被放大的連續信號光的輸入和輸出功率，PASE是放大的自發輻射噪聲功率。圖2-3中可以認為線b的左側是EDFA的線性工作區，即小信號工作區，右側是飽和工作區。在實際測量的中，由于P

30、out中會含有一定的PASE，所以在Pin很小的情況下，計算的增益偏大，當輸入功率增大，使得Pout遠遠大于PASE，計算結果就相當精確了。飽和輸出功率：增益相對小信號增益減小3dB時的輸出功率稱為飽和輸出功率，在本實驗中通過作圖法得到。 測量EDFA的增益曲線方法：接通EDFA測試儀電源，稍候（大約5分鐘）至穩定工作狀態。按照圖2-9，圖2-9 實驗裝置示意圖ba1550nmDFB Attenuator1 Isolator 1 Isolator 2Attenuator2 Filter EDFAOUTINPower meter DFB光源；隔離器（Isolator）；EDFA測試儀；光可變衰減

31、器（Turnable Attenuator）；光固定衰減器（Fixed Attenuator）；跳線（Jumper Cable）；光功率計a、測量信號功率，如圖中虛線所示，跳過EDFA，將兩個隔離器連接起來，調整衰減器到合適值，功率計上顯示的讀數可以認為是EDFA的輸入功率。b、如圖，在b點斷開（EDFA無輸入），EDFA輸出端按圖依次連接，功率計上的讀數可以認為是通過濾波器帶寬內的ASE功率。c、將第一個隔離器的輸出接到EDFA的輸入端，此時功率計上的讀數可以認為是放大后的信號和ASE的混合功率。注意：衰減器2不一定使用，但是當放大器放大后的信號超出8mw以后，功率計的讀數將會因為接近飽和而

32、不準確，所以此時需要加入衰減器2，但衰減器2需要標定一下（把功率調低，測量有衰減和沒有衰減的準確讀數，兩個相除可以得到衰減器2的衰減倍數），測量時應該記錄實際值（即讀數×衰減倍數，否則NF將不正確。調整衰減器（通常510倍一個點），重復a、b、c步驟，用功率計測量并記錄信號光的輸入功率Pin，同時對應每一個輸入功率值，都要測得一個經過EDFA的放大后輸出功率Pout，同時測量每組衰減狀態下EDFA的輸入懸空，輸出接光功率計，測得EDFA的自發輻射噪聲功率PASE；并將實驗數據填入表2-2中，并通過公式2計算出各個輸入功率下的增益值G。表2-3 EDFA增益實驗數據光源波長（nm）編號

33、輸入功率Pin（dBm）輸出功率Pout（dBm）噪聲功率PASE（dBm）增益G（dB）1310112.3816.87-23.315.112212.3916.88-23.285.107312.4016.87-23.295.104412.4016.89-23.295.1051550511.5319.02-49.587.745611.5319.04-49.607.747711.5219.03-49.617.751811.5619.02-49.607.735如表所示，光信號通過EDFA后能有效的放大，增強光信號功率，即可延長。工作在低損耗的波長1550nm窗口，并能對其較寬的帶寬范圍內提供均衡和穩

34、定的增益特性等優點，淘汰了傳統再生中繼的光一電一光轉換，是一種理想的光纖放大器。采用光纖放大器后，經過多分支后，用戶仍可正常接收。2.2光纖的色散2.2.1色散的概念所謂色散是指光脈沖信號中不同波長或不同模式在光纖中的傳播速度不同而到達光纖終端的傳播時間有先有后，產生群時延差，引起輸出光脈信號展寬的物理現象。2.2.2 色散的分類單模光纖主要有材料色散、波導色散和折射率分布色散三種。從理論上講，單模光纖在理想情況下是只傳播基模HE,;一個模的光波導，無其它模式，故不存在模式色散。但是實際光纖制造不可能理想均勻，具有橢圓度和因彎曲、扭轉等產生的剩余應力，從而發生局部雙折射的極化問題，使HE,;產

35、生極化正交的HEx , HEY的雙模傳輸，二者速度不同，出現時延差，得到“模色散”一偏振色散。不過這一色散一般很小，只在極高速通信中才有影響。通常只討論主要的三種:(1)材料色散是由于光纖材料引起的色散。材料色散產生的物理原因是因為光纖材料本身的折射率因波長而異，使組成光信號的各波長成份在光纖傳播的群速度不同，產生群時延差，引起輸出光脈沖波形展寬的物理現象。經長度為L的光纖的光信號脈沖展寬為: 式中dm一單位光纖長度的材料色散，8一光脈沖譜寬。 (2)波導色散是由于光波導結構參數而決定的，故又稱結構色散。它是對一個模式而言的色散。所謂波導色散，這是由于纖芯和包層的折射率不同，造成輸出光脈沖波形

36、展寬的物理現象。光信號功率在單模光纖中傳輸與多模光纖不同，除絕大部分光功率在纖芯中傳輸外，總有一小部分光功率在色層中傳輸。當纖芯和色層的折射率相差甚小時，在界面的全反射現象將以部分光能向色層滲入的方式發生。而且這種滲入的比例因波長而異，和材料色散相反，波長越長的光，滲入色層的比例越大，光傳播路徑越長，到達光纖末端經歷的時間越長，相當于速度慢;波長越短的光，滲入色層的比例越小。傳播路徑越短，到達光纖末端的歷時亦越少，相當速度快;于是波長不同的光信號產生了群時延差，引起脈沖展寬。所以，波導色散是由于光向色層滲入發生的物理現象。在多模光纖中波導色散遠小于模式色散。但在單模光纖它可以和材料色散相比擬，

37、雖然材料色散比波導色散一般要大一兩個數量級占主導地位，仍不可忽視。 從上述分析可知，材料色散和波導色散均受光波波長所左右，故又合稱波長色散。 (3)折射率分布色散:它是因纖芯和包層的折射率差隨光頻改變而發生的色散。很小，一般略而不計。單模光纖的總色散d等于材料色散d、波導色散dw、折射率分布色散dA的代數和: 在一定范圍內，波導色散與材料色散具有相反的符號。只要巧妙選擇某個特定中心波長點，就能使材料色散抵消波導色散而實現總色散為零，此時對應的波長叫零色散波長。 由于波導色散與光纖的相對折射率差、芯徑、折射率分布形狀有密切的關系，對光纖某一模式的傳播特性是纖芯半徑同波長比值的函數。所以，常用改變

38、光纖結構和折射率分布的方法來改變波導色散的大小和符號，達到調節零色散波長移位之目的。2.2.3色散對光通信的影響光纖的色散會使光脈沖信號展寬，限制了光纖通信系統的傳輸速率即光纖帶寬或容量和再生中繼段長度，成為高速率大容量長距離光纖系統十分重要的問題。在相同的功率代價下，色散容限與速率的平方成反比。傳輸速率越高，脈沖的展寬越迅速，色散容限也變得越小。在1 dB功率代價下，傳輸速率為2._5 Gb/s信號的色散容限約為16,000 ps/nm，傳輸速率為10 Gb/s信號的色散容限約為1,000 ps/nm，而傳輸速率40 Gb/s信號的色散容限變得更小，只有62 ps/nm。色散及非線性效應的綜

39、合作用，使得系統對光纖鏈路的殘余色散變得更加敏感4。1.用時域特性來描述色散效應對通信速率和傳輸距離的限制:光纖色散是光波信號出現畸變的重要原因，在傳數字信號時表現為光脈沖時間展寬，即光脈沖的上升時間和下降時間加大。碼速越高，要求光纖系統總的上升時間越小。但光脈沖傳輸距離越遠，脈沖展寬越厲害。而且伴隨信號碼速的不斷增大，二相鄰光脈沖間距變小。因此，當光脈沖展寬到一定程度，便會使碼元前、后重疊，變得難于分辨，引起嚴重碼間干擾，造成光接收機靈敏度降低。所以，單模光纖的色散使光脈沖變形展寬，不僅限制了信號比特率的更大提高，而且似衰減一樣還限制了高碼速率光纖系統的再生中繼段長度。 2.用光纖頻域特性描

40、述色散效應對光通信系統帶寬的限制: 從頻域觀點看，光纖系統即是一個有一定帶寬的網絡。它除受光發機和接收機制約外，還受光纖長度和碼速的影響。光纖越長相當于帶寬越窄;信號碼速越高，表示信號中高頻分量越大，占有的頻帶越寬。當碼速高到某一程度時，光脈沖經光纖傳輸一定距離，會有相應的信號頻率成分量被抑制掉，即輸出光信號產生了頻率失真，表現在波形上即為脈沖展寬。色散與帶寬的數學表達式可寫成: 式中d一色散系數，單位用ps/nm·km表示， 一光源譜寬，單位為nm, L一光纖長度，單位為km從(2-7)式明顯看出，光纖通信系統的帶寬或碼速亦即通信容量和光纖色散成反比。2.2.4在實際工程設計應用中

41、減少小色散效應的方法1光纖的選擇根據長途通信網和本地中繼傳輸網規劃發展的要求，凡在大容量較長中繼的網路上采用2. 5Gb/s及以上系統，結合遠期擴容趨勢，宜選用色散小的光纖，如G.653色散位移光纖。近期選用速率低于2. 5G6/s系統含2. 5Gb/s、系統時，G.652光纖也可以使用。2.工作波長的選擇及色散補償器的采用：一般在采用6221VIb/s系統組織本地傳輸網中繼距離30Km左右時，可選用1310nm，窗口或1550nm窗口，要進行經濟比較和分析今后擴容難易度。 若采用2. 5Gb/s及以上系統，宜采用1550nm窗口。對應用廣泛的零色散波長為1310nm的G. 652光纖在155

42、0nm波長區色散系數偏大而難于實現高速率長距離傳輸，宜采取色散補償器(DCF)和光放大器。所謂DCF是用具有大負色散特性的光纖制成的，在G. 652光纖線路中每隔一定距離介入一個一定長度的DCF去抵消1550nm處的色散，但介入一定的衰減，故需加裝光放大器。2.2.5色散補償的原理 色散補償通常用脈沖光信號在光纖中傳輸方程來進行解釋，在不考慮非線性影響時，信號傳輸方程可寫成： 式中，A為脈沖包絡幅度，群速度色散GVD,為三階色散。當> 1 ps2/km時，的影響可以忽略，這時方程解為： 式中，為的傅里葉變換，為初始輸入脈沖包絡幅度。由式(2-11)可知，信號的色散誘導傷害是由相位因子引起

43、的，而此相位因子由脈沖在光纖中傳輸時不同頻譜分量傳輸速度不同引起的。所以色散補償方法的基本思路是如何消除這個相位因子的影響，達到恢復輸入光信號的初始波形。光纖的色散補償可以在整個光纖鏈路中進行，也可以在發送端進行，即預補償技術，也可以在接收端進行，通常采用電色散補償技術。也可以在接收端進行，通常采用電色散補償技術。我們采用在光纖鏈路中進行色散補償的仿真，仿真采用不歸零碼(NRZ)脈沖信號，采用M-Z調制器進行調制，傳輸速率為40Gbit/s，光纖為G.6_52標準單模光纖，傳輸距離為50km，色散系數為17ps/(nmkm),入纖光功率為OdBm。仿真模型如圖2-10所示5。圖2-10 色散補

44、償仿真模型圖 調制好的信號圖觀測儀進行觀測經光纖，光功率放大器，色散補償光纖(DCF)后，在接收端采用眼，沒有補償的眼圖與補償后的眼圖分別如圖2.3 ,圖2.4所示。 圖2-11 沒有補償的眼圖圖2-12補償后的眼圖 從圖中可以看出，沒有進行色散補償的眼圖己經閉合，我們無法從接收端正確的識別信號，而采用了色散補償的眼圖很好，眼開度較大，能從接收端正確的識別信號。從圖2.3中還可以看出，隨著傳輸速率的提高，色散對光纖通信的影響顯得尤為突出，當傳輸速率為40 Gbit/s時，通過G.652標準單模光纖的長度約為2.812km，仿真實驗中傳輸的距離為5Okm，因而在接收端無法識別信號。因此，在現代高

45、速光纖通信中，要實現長距離的傳輸，必須進行色散補償。雖然現在新鋪設的光纖線路采用色散值較小的新型光纖，但隨著距離的增加，傳輸鏈路中的累積色散也會很大，這同樣會影響通信的質量，限制傳輸的距離，因此同樣需要進行色散補償。2.3光纖的數值孔徑2.3.1光纖數值孔徑概述光波在光纖中是利用全反射原理進行傳播的， 當光纖端面光線入射角大于某一值時，該束光線就 不能在光纖中傳播。數值孔徑是描述光纖傳輸光線 的參數，用來表征光纖的聚光能力。理論上數值孔 徑 NA的計算公式如下： 式中為纖芯折射率，為包層折射率，為纖芯和包層折射率差。光纖的數值孔徑與纖芯的折射率和芯包折射率差有關，而與光纖的纖芯直徑無關。 使用

46、大數值孔徑光纖有利于減小光纖的彎曲損耗。2.3.2光纖數值孔徑對光通信影響實驗為了測試光纖數值孔徑對光纖通信的影響，本人做以下實驗：1、實驗目的：分別測規格為3.2/125um的單模光纖和62.5/125um的多模光纖的數值孔徑，比較其光功率大小。2、實驗原理：光纖數值孔徑的基本定義式為： 其中，n0為光纖周邊截止的折射率，一般為空氣（n0=1）。n1和n2 分別為光纖纖芯和包層的折射率。光纖在均勻光場的照射下，其遠場功率角分布與光纖數值孔徑NA有如下關系： 其中是遠場輻射角，P（）和P（0）處的遠場輻射功率，g為光纖折射率分布參數。當P（）和P（0）10%時，SinNA，因此可將對應于P（）

47、角度曲線上光功率下降到中心值的10%處的角度0 的正弦值定義為光纖的數值孔徑，稱為有效數值孔徑：NAeff =Sin0 ，本實驗中采用通過測量光纖出射光斑尺寸大小來計算出光纖出射角度，從而確定光纖的數值孔徑。這種方法在測量光纖數值孔徑時較為常用。具體測量方法如圖3.1所示。我們用532nm半導體激光器作為光源，此時測量出射光斑尺寸D和光斑距離出射端距離L，則光纖數值孔徑為： 測量直徑的方法是功率計沿著圓斑的直徑由中心向外圍移動，記錄中心功率為P1 ，此時平移臺刻度為R；當邊緣功率P2 P1 *10%時，記錄功率計移動過的距離R2 。根據上述公式，數值孔徑為： 3、 實驗數據處理多模光纖數值孔徑

48、實驗數據處理：表2-4多模光纖數值孔徑實驗數據L=2.80cm序號圓斑中心功率P1/mW邊緣功率P2/mWP1時平移臺刻度R1 /mmP2時平移臺刻度R2 /mm數值孔徑NA1211.220.713.70120.8220.2462208.120.513.60320.8450.2503207.521.013.60120.8550.2504208.320.913.90020.7910.2555208.120.713.92420.9000.241平均值208.620.813.74620.8430.248單模光纖數值孔徑數據處理：表2-5單模光纖數值孔徑實驗數據L=2.80cm序號圓斑中心功率P1/m

49、W邊緣功率P2/mWP1時平移臺刻度R1 /mmP2時平移臺刻度R2 /mm數值孔徑NA142.14.417.37922.0500.165241.74.217.24922.1850.170340.64.017.36522.0810.166439.94.017.31122.1910.171540.14.117.12122.1170.175平均值40.94.117.22522.1450.170如表所示，單模光纖數值孔徑為0.17小于多模光纖數值孔徑，前者圓斑中心功率亦小于后者，則表明NA越大，光纖接收光的能力也越強。從增加進入光纖的光功率的觀點來看，NA越大越好，因為光纖的數值孔徑大些對于光纖的對

50、接是有利的，但是NA太大時，光纖的?；兗哟?，會影響光纖的帶寬。因此，在光纖通信系統中，對光纖的數值孔徑有一定的要求。通常為了最有效地把光射入到光纖中去，應采用其數值孔徑與光纖數值孔徑相同的透鏡進行集光6。2.4光纖連接錯位對光通信的影響眾所周知，當兩端光纖進行連接時，必須達到相當高的對中精度，才能使光信號以較小的損耗傳輸過去。反過來，如果將光纖的對中精度做適當的調整，就可以控制其衰減量。位移型光纖衰減器在對接時，發生一定錯位，使光能量損失一些，從而達到控制衰減量的目的。通過使用普通尾纖，用熔接機將2根尾纖的纖芯在錯位的情況下進行熔接工作（如圖），使光在傳輸過程中發生偏芯損耗，得到連接器式固定

51、衰減器，又稱在線固定衰減器7。圖2-13光纖橫向錯位d為橫向偏移量為了研究光纖連接錯位對光通信產生的影響，做以下光纖衰減器實驗：實驗步驟1、按圖2-14搭建實驗光路，調整五維調節架，將激光耦合到光纖中；圖2-14 光纖衰減器衰減值驗證實驗注：1激光器；2物鏡；3五維調節系統；4光纖衰減器；5功率計。2、測量耦合后光纖輸出端的輸出功率P1；3、將5dB的光纖衰減器連接到光纖輸出端，測量衰減后的功率P2；4、根據公式（6-1），計算光經過衰減器后衰減的分貝值；與實際值比較，分析誤差產生的原因。實驗數據處理：光纖損耗的常用單位是分貝（dB），分貝與功率之間的關系如下所以： dB=-10lg 我們通過

52、測量經耦合后光纖輸出端的功率P1和在輸出端接上衰減器之后的功率P2就可求的該衰減器的衰減值是多少。（本實驗分別采用5dB、10dB、15dB、20dB光纖衰減器進行實驗，橫向偏移量d分別是20dB衰減器15dB衰減器10dB衰減器5dB衰減器）表2-6光纖衰減1234輸出功率（mW）衰減值（dB）輸出功率（mW）衰減值（dB）輸出功率（mW）衰減值（dB）輸出功率（mW）衰減值（dB）5dB衰減器63.15.1362.75.1662.95.1562.85.1510dB衰減器24.89.2924.49.2625.59.3524.19.2515dB衰減器9.113.548.813.698.513.848.713.7420dB衰減器2.519.162.419.332.618.982.319.52該實驗輸入功率為205.8mW如表所示，錯位越嚴重即橫向偏移量d越大，衰減值越高，以至于使光通信的距離變短。3.光纖通信技術的應用3.1 光纖通信技術在電力通信領域的應用近年來，我國光通信產業發展極其迅速，我國許多地區的電力系統都在建設專用