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护套包层纤芯n2n1 图1-4 光纤的典型结构 n2n1n2n(r)2b2a2b2a2b2an2n1 图1-5 三种典型光纤
纤芯的粗细、材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起着决定性的影响。图1-5所示为三种典型光纤的情况。从图中可看出，纤芯和包层横截面上，折射率剖面有两种典型的分布。一种是纤芯和包层折射率沿光纤径向分布都是均匀的，而在纤芯和包层的交界面上，折射率呈阶梯形突变，这种光纤称为阶跃折射率光纤。另一种是，纤芯的折射率不是均匀常数，而是随纤芯径向坐标增加而逐渐减少，一直渐变到等于包层折射率值，因而将这种光纤称
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为渐变折射率光纤。这两种光纤剖面的共同特点是：纤芯的折射率n1大于包层折射率n2，这也是光信号在光纤中传输的必要条件。对阶跃折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯和包层的交界面形成全反射，引导光波沿纤芯向前传播；对于渐变折射率光纤而言，它可以使光波在纤芯中产生连续折射，形成穿过光纤轴线的类似于正弦波的光射线，引导光波沿纤芯向前传播，两种光射线轨迹如图1-5所示。阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，随着纤芯直径的粗细不同，光纤中传输模式的数量多少也不同。因此，阶跃折射率光纤或渐变折射率光纤又都可以按照传输模式的数量多少，分为单模光纤和多模光纤，这又是一种光纤的分类方法。单模光纤的纤芯直径极细，直径一般小于10?m；多模光纤的纤芯直径较粗，通常直径等于50??m左右。但从光纤的外观上来看，两种光纤区别不大，包括塑料护套的光纤直径都小于1mm。
3.2 光纤的种类
由于单模光纤具有内部损耗低、带宽大、易于升级扩容和成本低的优点，国际上已一致认同DWDM系统将只使用单模光纤作为传输媒质。目前，ITU-T已经在G.652、G.653、G.654和G.655建议中分别定义了4种不同设计的单模光纤。
其中G.652光纤是目前已广泛使用的单模光纤，称为1310nm性能最佳的单模光纤，又称为色散未移位的光纤。按纤芯折射率剖面，又可分为匹配包层光纤和下陷包层光纤两类，两者的性能十分相近，前者制造简单，但在1550nm波长区的宏弯损耗和微弯损耗稍大；而后者连接损耗稍大。 G.653光纤称为色散移位光纤或1550nm性能最佳光纤。这种光纤通过设计光纤折射率的剖面，使零色散点移到1550nm窗口，从而与光纤的最小衰减窗口获得匹配，使超高速超长距离光纤传输成为可能。
G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。这类光纤的设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm的色散较高，可达18ps/(nm.km)，必须配用单纵模激光器才能消除色散的影响。G.654光纤主要应用于需要很长再生段距离的海底光纤通信。
G.655光纤是非零色散移位单模光纤，与G.653光纤相近，从而使1550nm附近保持了一定的色散值，避免在DWDM传输时发生四波混频现象，适合于DWDM系统应用。
除上述所讲的四种已正式标准化的光纤外，还有一种适合于更大容量和更长传输距离的大有效面积光纤也已经问世。其零色散点在1510nm左右，但有
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效面积增大到72平方??m以上，因而可以更有效地克服非线性影响，最适合以10Gbit/s为基础的DWDM系统应用。
? 想一想：
在我国，大面积敷设的是哪一种光纤？
3.3 光纤的基本特性
3.3.1 几何尺寸（模场直径）
单模光纤的纤径直径为8~9??m，与工作波长1.3~1.6??m处于同一数量级，由于光衍射效应，不易测出纤芯直径的精确值。此外，由于基模LP01场强的分布不只局限于纤芯之内，因而单模光纤纤芯直径的概念在物理上已没有什么意义，应改用模场直径的概念。模场直径是光纤内基模场强空间强度分布集中程度的度量。
G.652光纤在1310nm波长区的模场直径标称值应在8.6~9.5??m范围，偏差小于10%；G.655光纤在1550nm波长区的模场直径标称值应在8~11??m范围，偏差小于10%。
上述两种单模光纤的包层径均为125??m。
3.3.2 衰减常数
光纤的损耗主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗，弯曲损耗前面已经讲过，对光纤衰减常数的影响不大；决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗。
吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的，其中的过量金属杂质和氢氧根OH-离子对光的吸收而产生的损耗。
散射损耗通常是由于光纤材料密度的微观变化，以及所含SiO2、GeO2和P2O5等成分的浓度不均匀，使得光纤中出现一些折射率分布不均匀的局部区域，从而引起光的散射，将一部分光功率散射到光纤外部引起损耗；或者在制造光纤的过程中，在纤芯和包层交界面上出现某些缺陷、残留一些气泡和气痕等。这些结构上有缺陷的几何尺寸远大于光波，引起与波长无关的散射损耗，并且将整个光纤损耗谱曲线上移，但这种散射损耗相对前一种散射损耗而言要小得多。
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综合以上几个方面的损耗，单模光纤在1310nm和1550nm波长区的衰减常数一般分别为0.3~0.4dB/km(1310nm)和0.17~0.25dB/km(1550nm)。ITU-T G.652建议规定光纤在1310nm和1550nm的衰减常数应分别小于0.5dB/km和0.4dB/km。
3.3.3 色散系数
光纤的色散指光纤中携带信号能量的各种模式成分或信号自身的不同频率成分因群速度不同，在传播过程中互相散开，从而引起信号失真的物理现象。一般光纤存在三种色散：
1）模式色散：光纤中携带同一个频率信号能量的各种模式成分，在传输过程中由于不同模式的时间延迟不同而产生。
2）材料色散：由于光纤纤芯材料的折射率随频率变化，使得光纤中不同频率的信号分量具有不同的传播速度而引起的色散。
3）波导色散：光纤中具有同一个模式但携带不同频率的信号，因为不同的传播群速度而引起的色散。
这三种色散统称为色度色散。ITU-T G.652 建议规定零色散波长范围为：1300nm~1324nm，最大色散斜率为0.093ps/（nm2.km），在1525~1575nm波长范围内的色散系数约为20ps/（nm.km）。 ITU-T G.653建议规定零色散波长为：1550nm，在1525~1575nm区的色散斜率为0.085ps/（nm.km）。在1525~1575nm波长范围内的最大色散系数为3.5ps/（nm.km）。G.655光纤在1530~1565nm范围内的色散系数在绝对值应处于0.1~6.0 ps/（nm.km）。
? 技术细节：
几种光纤色散特性如下图：
正色散系数G.655光纤G.653光纤17色散系数（ps/nm·km）1310负色散系数G.655光纤波长λ（nm）G.652光纤1550
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3.4 思考题
光纤的种类有那些，各有什么特点？ 色散的种类有那些？
4 DWDM关键技术
? 目标：
了解DWDM光源的要求及解决方法。 了解DWDM光放大技术。 了解DWDM复用和解复用技术。 了解DWDM的光监控信道。
4.1 光源
光源的作用是产生激光或荧光，它是组成光纤通信系统的重要器件。目前应用于光纤通信的光源半导体激光器LD（Laser Diode）和半导体发光二极管LED（Light Emitting Diode），都属于半导体器件。共同特点是：体积小、重量轻、耗电量小。
LD和LED相比，其主要区别在于，前者发出的是激光，后者发出的是荧光， 因此，LED的谱线宽度较宽，调制效率低，与光纤的耦合效率也低；但它的输出特性曲线线性好，使用寿命长，成本低，适用于短距离、小容量的传输系统。而LD一般适用于长距离、大容量的传输系统，在高速率的PDH和SDH设备上被广泛采用。
高速光纤通信系统中使用的光源分为多纵模（MLM）激光器和单纵模（SLM）激光器两类。从性能上讲，这两类半导体激光器的主要区别在于它们发射频谱的差异。MLM激光器的发射频谱的线宽较宽，为nm 量级，而且可以观察到多个谐振峰的存在。SLM激光器发射频谱的线宽，为0.1nm量级，而且只能观察到单个谐振峰。SLM激光器比MLM激光器的单色性更好。
DWDM系统的工作波长较为密集，一般波长间隔为几个纳米到零点几个纳米，这就要求激光器工作在一个标准波长上，并且具有很好的稳定性；另一方面，DWDM系统的无电再生中继长度从单个SDH系统传输50~60km增加到500~600km，在延长传输系统的色散受限距离的同时，为了克服光纤的非线性效应｛如受激布里渊散射效应（SBS）、受激拉曼散射效应（SRS）、自相位调制效应（SPM）、交叉相位调制效应（XPM）、调制的
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