2.2.1 光纤传输的原理与特性

1．概述

（1）光纤的结构

光纤是一种引导光沿特定方向传播的同心圆柱体，其结构如图2-2所示。中心部分是纤芯，其折射率是n1，纤芯外面的部分是包层，其折射率是n2。纤芯的折射率n1高于包层的折射率n2，从而形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。外面的护套层仅起到保护作用，不会对光的传输产生影响。

光纤的几何尺寸很小，纤芯直径一般为5～50µm，包层的外径为125µm，包括防护层整个光纤的外径，也只有250µm左右。

常用的构成纤芯和包层的材料是高纯度的石英（SiO2），它是生活中玻璃的主要成分。不过必须在石英中加入少量不同的掺杂剂，用以增大或减小石英的折射率，才能作为纤芯或包层材料，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

按照折射率分布不同，可将光纤分为两类：阶跃型光纤（SIF）和渐变型光纤（GIF）。阶跃型光纤又称为均匀光纤，其纤芯折射率是常数，而渐变型光纤的纤芯折射率是渐变的，不过阶跃型光纤和渐变型光纤的包层折射率都是常数。

按照光纤材料不同，可将光纤分为四类：石英光纤、石英芯-塑料包层光纤、多成分玻璃光纤和塑料光纤。其中，石英光纤损耗最低，在光纤通信中应用最广泛，本章的论述主要是针对石英光纤的。

按照传输模式不同，可将光纤分为两类：单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，为4～10µm，只能传输单一模式，可以完全避免模式色散，适用于大容量、长距离的光纤通信。多模光纤的纤芯直径较大，约为50µm，在一定的工作波长下可以传输多种模式，但会产生模式色散，限制传输距离，其优点是制造、耦合、连接都比单模光纤容易，适用于短距离通信及局域网等场合。

（3）光纤的标准

目前，国际上光纤主要采用国际电信联盟的ITU-T的G系列。与之对应，我国的光纤标准为国家标准GB/T 15912系列和信息产业部颁布的通信行业标准YD/T系列，具体如下。

①G.651：定义了渐变折射率多模光纤，主要是指0.85µm和1.31µm的多模光纤。

②G.652：普通单模光纤，指零色散波长在1.31µm窗口的单模光纤。

③G.653：色散位移光纤，在G.652光纤的基础上，将零色散点从1.31µm窗口移动到1.55µm窗口，解决了1.55µm波长的色散对单波长高速系统的限制问题。但光纤非线性效应导致的四波混频在G.653光纤上对DWDM系统的影响严重，故G.653并没有得到广泛推广。

④G.654：截止波长位移型单模光纤。这种光纤通过特殊设计使在1.55µm处的损耗系数降为0.185dB/km，这主要是为满足海底光纤长距离通信的要求。

⑤G.655：非零色散位移光纤。这种光纤是在1.55µm窗口有合理的、较低的色散，能够降低四波混频和交叉相位调制等非线性影响，同时能够支持长距离传输，而尽量减少色散补偿。

（4）光缆

光缆最主要的技术要求是保证光纤在制造成缆、敷设，以及在各种使用环境下光纤的传输性能不受影响并具有长期稳定性。

①光缆的主要特性。

机械性能：包括抗拉强度、抗压、抗冲击和弯曲性能。

温度特性：包括高温和低温特性。

重量：每公里重量（kg/km）。

尺寸：外径尺寸。

这些特性中最关键的是机械性能，目的是保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械强度，故必须采用加强芯和光缆保护层。

②光缆的结构。

缆芯：光缆结构中的主体，其作用主要是妥善地安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能。多芯光缆还要对光纤进行着色以便于识别。另外，为防止气体和水分子浸入，光纤中应具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件方式，另一种是放在护层中的外层加强方式。

光纤护层：同电缆护层一样，是由护套等构成的多层组合体。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。

③光缆的分类。

从光缆的缆芯结构划分，可分为层绞式、骨架式、带状光纤和束管式四大类。我国和欧亚各国多采用前两种结构。

从光缆的应用角度划分，可分为中继光缆、海底光缆、用户光缆、局内光缆、无金属光缆、复合光缆及野战光缆等。可根据其应用场合选择以上四类结构的光缆。

2．光纤的传输原理

（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。

由于光具有波粒二象性，即波动性和粒子性，指的是光波既能像波一样向前传播，有时又表现出粒子的特性。这里避开用麦克斯韦方程组这种复杂的方法来解释光的传播特性，将光看成一条光线，即用几何光学的方法来分析其传播特性。当光从一种介质入射到另一种介质时，在两种介质的分界面上会发生反射和折射，如图2-3所示。若入射光在分界面处被全部发射回第一种介质中，则称为全反射现象。

光线在两介质界面处发生全反射必须满足以下两个条件。

①光线必须由光密介质入射到光疏介质，即n1﹥n2。

②入射角必须大于其临界角，即θc﹤θ1﹤90°。

这里临界角。

由光纤的结构可知，光纤纤芯的折射率n1高于包层的折射率n2，当激光被耦合进入纤芯后，只要到包层和纤芯界面的入射角大于临界角，就会发生全反射，使光束在包层和纤芯的界面之间来回反射，从而使光束在光纤中传输下去。光纤的导光原理如图2-4所示。

根据光的反射和折射定理可知，当光线的入射角满足下式时，可在光纤中传播。

式中，，是光纤纤芯和包层的相对折射率差。

若光纤外为空气，则有n0=1，就有

（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sinθmax为光纤的数值孔径（Numerical Aperture），记为NA，即

数值孔径NA是光纤的一个极为重要的参数，反映了光纤捕捉光线的能力。

NA越大，光纤捕捉光线的能力就越强，光纤与光源之间的耦合效率就越高。理论上讲，光纤的相对折射率差Δ应当取得大一些，但Δ太大会导致光纤严重的多径色散。实际工程中，单模光纤的NA取值在0.1左右，多模光纤的NA取值在0.2左右。

3．光纤的传输特性

（1）光纤的损耗特性

光纤损耗的定义：光纤中传播的光信号能量随着传播距离而不断衰减。

光纤损耗的影响：决定了光信号在光纤中最大的传输距离。

光纤损耗的分类：吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。其中，吸收损耗与光纤材料有关。例如，石英光纤本身的损耗主要由光纤的本征吸收、瑞利散射、杂质吸收等因素构成。

石英光纤的损耗随工作波长的变化如图2-5所示。通常将石英光纤的通信波段划分为三个波段，即850nm附近的短波长段、1310nm附近和1550nm附近的长波长段。

目前光纤采用的低损耗光谱如表2-1所示。光纤的第一低损耗窗口位于850nm附近，第二低损耗窗口位于1310nm附近（即S波段），第三低损耗窗口位于1550nm附近（即C波段）。1561～1625nm范围定义为L波段或第四窗口。朗讯1998年推出了全波光纤即低水峰光纤，使1383nm的水峰几乎不存在（衰减小于0.31dB/km），打开了光纤的第五窗口，即E波段（1350～1450nm）。

（2）光纤的色散特性

光纤色散的定义：不同频率（或波长）的电磁波以不同的相速度和群速度在媒质中传播的物理现象。

光纤色散的影响：会导致光脉冲在传播过程中展宽，致使前后脉冲相互重叠，引起数字信号的码间串扰，从而限制光纤通信系统的带宽及容量。

光纤色散的分类：一类是波长色散，它与波长相关；另一类是模式色散，它与光波波长无关，是由于不同模式在光纤中具有不同的传播速度，因此造成光脉冲的展宽。

多模光纤中，模式色散起决定性作用，它最终限制了光纤的传输带宽，所以高速传输系统和长途通信线路中只用单模光纤作为传输介质。

单模光纤中，一般不存在模式色散，仅存在波长色散。这主要是由于光源发出的光脉冲不可能是单色光，即使是单色光，由于光波上调制的信号存在一定的带宽，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引起光脉冲的展宽。由于光波的波长不同，其颜色也不同，因此又将这种色散称为色度色散。

（3）光纤的非线性特性

光纤非线性效应：当注入光纤的光功率较小时，光纤是线性介质，光纤的各个参量随光场强弱作线性变化；当光功率较大时，光纤将出现非线性变化。出现这种现象的原因是过大的光功率注入使得光纤介质产生了电偶极子，电偶极子反过来与光波产生相互调制，在光功率小时引起小的振荡即线性响应，在光功率大时引起大的振荡产生非线性响应。

光纤非线性的影响：产生功率损耗，引起各波长间的串扰，导致光信号传输失真。

光纤非线性的分类：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等。