【文章內(nèi)容簡介】 。第三章光纖衰減（損耗）特性分析與研究光波在光纖中傳輸時，隨著傳輸距離的增加而光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗，即光纖衰減。形成光纖損耗的原因很多，有來自光纖本身的損耗，也有光纖與光源的耦合損耗以及光纖之間的連接損耗。而光纖本身損耗大致包括兩類：吸收損耗和散射損耗。，是光纖本身損耗的分類。光纖本身損耗吸收損耗散射損耗本征吸收雜質(zhì)吸收線性散射損耗非線性散射損耗紅外吸收過渡金屬離子吸收紫外吸收氫氧根離子吸收瑞利散射材料不均勻引起的散射吸收損耗受激布里淵散射 光纖本身損耗的分類吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子（OH－）等雜質(zhì)對通過光纖材料的光的吸收而產(chǎn)生的損耗。前者是由光纖材料本身的特性所決定的，稱為本征吸收損耗。 本征吸收損耗當(dāng)光波通過光纖材料時，就有一部分光能被吸收消耗掉而轉(zhuǎn)變成其他形式的能，即使完全純凈的石英光纖也有吸收損耗。這種由于石英光纖材料本身吸收而形成的損耗，是光纖材料固有的，稱為材料固有吸收損耗，即本征吸收損耗。因此，本征吸收基本上確定了任何特定材料的吸收的下限。本征吸收損耗在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。在短波長區(qū)，主要是紫外吸收的影響；在長波長區(qū)，紅外吸收起主導(dǎo)作用。（1）紫外吸收損耗紫外區(qū)的波長范圍是6103～，是在現(xiàn)用的光通信頻段之外（～）。但此吸收帶的尾部可拖到1μm左右，～1μm的波段范圍，隨著波長增加，吸收的能量按指數(shù)規(guī)律下降。（2）紅外吸收損耗～300μm?！?，已影響到目前使用的石英系光纖工作波長的上限，這也是使得波段擴展困難的原因之一。 雜質(zhì)吸收損耗除本征吸收以外，還有雜質(zhì)吸收，它是由材料的不純凈和工藝不完善而造成的附加吸收損耗。影響最嚴(yán)重的是過渡金屬離子吸收和水的氫氧根離子吸收。（1）過渡金屬離子吸收損耗過渡金屬離子主要包括鐵、鉻、鈷、銅等，它們在光纖工作波段都有自己的吸收峰，雜質(zhì)含量越高，損耗就越嚴(yán)重。為了降低損耗，需要嚴(yán)格控制這些金屬離子的含量。例如要使銅離子的峰值波長吸收損耗降為1dB/km，10﹣10，這在工藝上要求是十分高的。（2）氫氧根離子吸收損耗熔融的石英玻璃中含水時，由水分子中的氫氧根離子（OH）振動而造成的吸收為氫氧根離子吸收。近年來在生產(chǎn)工藝上使用了許多方法降低OH的含量。，從圖中可以看出，因為在這一波段范圍內(nèi)，基本上可以完全避免氫氧根離子的影響。波長λ/μm損耗(dB/km)1023456超高純度光纖沿用光纖OH含量的影響 光纖對不同波長的光波吸收損耗光通過密度或折射率分布不均勻的物質(zhì)時，除了在光的傳播方向以外，在其他方向也可以看見光，這種現(xiàn)象稱為光的散射。散射損耗是由于光纖的材料、形狀及折射指數(shù)分布等的缺陷或不均勻，使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射，由此產(chǎn)生的損耗為散射損耗。散射損耗可分為線性散射損耗和非線性散射損耗兩大類。線性散射損耗主要包括瑞利散射和材料不均勻引起的散射，非線性散射主要包括受激拉曼散射和受激布里淵散射等。任何光纖波導(dǎo)都不可能是完美無缺的，無論是材料、尺寸、形狀和折射率分布等等，均可能有缺陷或不均勻，這將引起光纖傳播模式散射性的損耗。由于這類損耗所引起的損耗功率與傳輸模式的功率成線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。（1）瑞利散射瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。這種散射是由光纖材料的折射率隨機性變化而引起的。而材料的折射率變化是由于密度不均勻或者內(nèi)部應(yīng)力不均勻而產(chǎn)生散射的。瑞利散射損耗與光波長的四次方成反比（即與1/λ4成正比），它隨波長的增加而急劇減小。對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。（2）材料不均勻所引起的散射散射在光纖制造過程中，由于結(jié)構(gòu)缺陷（如光纖中的氣泡、未發(fā)生反應(yīng)的原材料以及纖芯和包層交界處粗糙等），將會使光線產(chǎn)生散射并引起損耗。 它與瑞利散射不同，這種不均勻性較大，結(jié)構(gòu)尺寸大于波長，散射損耗與光波長無關(guān)。這種散射主要是通過改變制作工藝予以減小。 非線性散射損耗光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激拉曼散射和受激布里淵散射。在高功率傳輸時，光纖中的受激拉曼散射和受激布里淵散射能導(dǎo)致相當(dāng)大的損耗，一旦入射光功率超過閾值，散射光強將呈指數(shù)增長。除光纖本身損耗兩種主要損耗（即吸收損耗和散射損耗）之外，引起光纖損耗的還有光纖彎曲產(chǎn)生的損耗以及纖芯和包層中的損耗等。光纖損耗，是衡量光纖傳輸特性的一個重要指標(biāo)。為了衡量一根光纖損耗特性的好壞，在此引入損耗系數(shù)（衰減系數(shù)）這一概念，即傳輸單位長度（1 km）光纖所引起的光功率減小的分貝數(shù)。如果入纖功率為Pin，經(jīng)過一段距離L后輸出功率為Pout，則 （31）式中α為損耗系數(shù)，習(xí)慣采用dB/km來表示光纖的傳輸損耗，即 （32）光纖的損耗是與波長有關(guān)的。普通光纖有3個低損耗的工作波長區(qū)，稱為光纖的3個工作波長窗口。波長與它們的損耗值見表31。表31 3個工作波長窗口及其損耗值工作波長/μm損耗值α/(dBkm1)光纖損耗對中繼距離的影響有兩方面，一是光纖本身的固有衰減，二是光纖的鏈接損耗和微彎帶來的附加損耗。而低損耗是實現(xiàn)遠(yuǎn)距離光纖通信的前提。在衰減受限系統(tǒng)中，中繼距離越長，則光纖通信系統(tǒng)的成本越低，獲得的技術(shù)經(jīng)濟效益越高。在考慮到光纖和接頭損耗的基礎(chǔ)上，可以利用極限值設(shè)計法來設(shè)計中繼距離： （33）式中， （34） （35）上述公式中PT表示發(fā)送光功率（dBm），PR表示接收靈敏度（dBm）,ACT和ART分別表示線路系統(tǒng)發(fā)送端和接收端活動連接器的接續(xù)損耗（dB），ME是設(shè)備富余度（dB）,MC是光纜富余度（dB/km），Lf是單盤光纜長度（km），n是中繼段內(nèi)所用光纜的盤數(shù)，αfi是單盤光纜的衰減系數(shù)（dB/km），Af是中繼段的平均光纜衰減系數(shù)（dB/km），αsi是光纖各個接頭的損耗（dB），AS是中繼段平均接頭損耗（dB），PP是光通道功率代價（dB），包括反射功率代價Pr和色散功率代價Pd，其中色散功率代價Pd是由碼間干擾、模分配噪聲及啁啾聲所引起的色散代價（dB）（功率損耗），通常應(yīng)小于1dB。但這種設(shè)計方法僅考慮現(xiàn)場光功率概算參數(shù)值，而忽略其實際分布，因此使設(shè)計出的中繼距離過于保守，即其距離過短，不能充分發(fā)揮光纖通信系統(tǒng)的優(yōu)越性。事實上，光纖通信系統(tǒng)的各項參數(shù)值的離散性很大，若要提高光纖系統(tǒng)效益，加長中繼距離可以用統(tǒng)計法。這種設(shè)計方法能充分利用系統(tǒng)統(tǒng)計分布特性，更有效地設(shè)計出中繼距離。在光纖通信系統(tǒng)中，光纖線路的傳輸特性主要體現(xiàn)在其衰減特性和色散特性上。本章主要講述了光纖的衰減（損耗）特性，開始介紹了光纖衰減的分類及損耗系數(shù)，然后講述了光纖衰減對中繼距離的影響。第四章光纖色散特性分析與研究光纖色散是光纖通信的另一個重要特性。光纖的色散會使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量和傳輸距離。 色散的概念所謂色散，就是電磁波沿傳播方向上的傳播常數(shù)或傳播速度不同的現(xiàn)象。簡單地說，光纖的色散就是由于光纖中或光信號中的不同頻率成分或不同的模式。在光纖中傳輸時，由于相速度或群速度的不同而使得傳播時間不同，因此造成載有相同信息的不同頻率或不同模式的光信號到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。這種現(xiàn)象表現(xiàn)在傳播光脈沖信號時，將隨著傳輸距離的延長，脈沖的寬度越來越被展寬，致使前后光脈沖相互重疊，影響光纖通信質(zhì)量。 色散的表示方法色散的大小用時延差來表示。所謂時延，是指信號傳輸單位長度所需要的時間，用τ表示。由電磁場理論的知識，可推導(dǎo)出載頻為f0的調(diào)制信號，單位長度的時延表示式為 （41）式中，c表示光速；β為沿軸向的傳播系數(shù)；k0為真空中的相位常數(shù)。所謂時延差，是指不同速度的信號，傳輸同樣的距離，需要的不同時間，即各信號的時延不同，這種時延上的差別，稱為時延差，用Δτ表示。時延差可由信號中的不同頻率成分引起，也可由不同的模式成分引起。下面介紹由不同頻率成分引起的時延差。目前光纖通信上使用的光源，均為半導(dǎo)體光源，都有一定的譜線寬度，如設(shè)光源的帶寬為Δω，則單位帶寬上引起的時延差為dτ/dω，Δω的帶寬上引起的時延差應(yīng)為 （42）并利用k0=ω/c=2π/λ，以及λ=c/ f0的關(guān)系式，可近似得出時延差的表達(dá)式 （43）從式中可以看出，信號的時延差與信號源的相對帶寬成正比，光源的相對帶寬越窄，信號的時延差就越小，則引起的色散就越小。因此可得出結(jié)論：時延并不代表色散的大小，因為任何光信號傳輸某個距離都是需要時間的，即都有時延。而信號中不同頻率成分或不同模式成分之間的時延差才能表示色散的大小。時延差越大，色散就越嚴(yán)重。時延差系數(shù)的單位是ps/（kmnm）。從光纖色散產(chǎn)生的機理來看，它包括模式（模間）色散、材料色散、波導(dǎo)色散3種。模式色散，是不同模式的傳播速度不同引起的色散；材料色散，即光纖材料的折射率隨光頻的變化而變化，從而使不同頻率的光波的傳播速度不同，形成色散；波導(dǎo)色散，是在同一模式內(nèi)，不同頻率電磁波的傳播速度不同引起的色散。其中，材料色散和波導(dǎo)色散都屬于頻率色散。在多模光纖中，模式色散和頻率色散都存在，且模式色散占主導(dǎo)地位。而在單模光纖中只傳輸基膜，因此沒有模式色散，只存在頻率色散（包括材料色散和波導(dǎo)色散）。 模式色散在多模光纖中，不同模式在同一波長下傳輸，各自的相位常數(shù)βmn不同，群速不同，模式之間存在時延差，這種色散稱為模式色散。以多模階躍光纖為例來說明。，兩條不同的子午線代表不同模式的傳輸路徑。由于各射線的θ1不同，其軸向的傳輸速度也不同，因此引起了模式色散。光射線形成導(dǎo)波的條件是90176。＞θ1＞θc（θc為產(chǎn)生全反射時的臨界角），當(dāng)入射角=90176。時，射線與光纖軸線平行，此時軸向速度最快，在長度為L的光纖上傳輸，所用的時間最短，即式中c為光在真空中的速度。然而，光線從始端到終端所需時間最長的是入射角θ1=θc的情形，其軸向速度為該子午線從始端到達(dá)終端所需要的時間為這兩條射線的最大時延差為 （44）式中， 稱為光纖相對折射率差。可見，相對折射率差愈小，最大時延差愈小，則光纖色散愈小。Ln1n22a2bθi 多模階躍型光纖模式色散 材料色散由于光纖材料本身的折射指數(shù)n和波長λ呈非線性關(guān)系，從而使光的傳播速度隨波長而變化，這樣引起的色散稱為材料色散。平面波（光波）在無界材料中的傳播常數(shù)為若令，則 （45）式中N稱為材料的群指數(shù)，它表征了材料的特性。將式（411）代入式（43），得出表示材料色散的時延差式為 （46）式中為色散系數(shù)，它表示了色散的嚴(yán)重程度。λ/μmf/THz色散系數(shù)6005004003000SiO2K9SSK1 材料色散特性曲線 波導(dǎo)色散光纖中的光波一部分在纖芯中傳輸，而另一部分在包層中傳輸，由于纖芯和包層的折射率不同，造成了脈沖展寬的現(xiàn)象，稱為波導(dǎo)色散，或稱結(jié)構(gòu)色散。這種色散主要是由光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的。對于單模光纖來說，由于不存在模式色散，因此這種色散比較重要。從圖中可以看出，在λ=，材料色散為零；～，材料色散與波導(dǎo)色散相互抵消，總色散為零。稱其為零色散波長。﹣60﹣40﹣200200波長λ/μm色散/(ps/kmnm)總色散波導(dǎo)色散材料色散 單模光纖色散波長曲線除三種主要光纖色散（模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散）對系統(tǒng)中繼距離有影響外，與光纖色散有關(guān)的種種因素也會使系統(tǒng)性能參數(shù)出現(xiàn)惡化，重要的有：碼間干擾、模分配噪聲及啁啾聲。 碼間干擾