《光纤通信原理》PPT课件.ppt

第2章 光纤和光缆,第2章 光纤和光缆,2.1 光纤的结构和类型 2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的类型 2.2 光纤的传输原理 2.2.1 几何光学方法 2.2.2 光纤传输的波动理论 2.3 光纤传输特性 2.3.1 光纤的损耗特性 2.3.2 光纤的色散特性 2.3.3 光纤的频带特性,2.1 光纤的结构和类型,2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的类型,2.1.1 光纤的结构,纤芯： 玻璃 n1 传导光波 包层： 玻璃 n2 将光封闭在光纤中传播 涂敷层：环氧树脂或硅橡胶 增强光纤的机 械强度,图2-1 光纤的结构图,2.1.2 光纤类型,二 . 按光纤结构分,a,-b,-a,b,在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变， 纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。 这种光纤频带较窄，适用于小容量短距离通信,r,n,1. 阶跃光纤（SIF）,2. 渐变光纤（GIF）,a,-a,b,-b,r,n,纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包 层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。,这种光纤频带较宽，适用于中容量中距离通信,三. 按传输光场模式分 1. 多模光纤（MMF）： 对于较大的纤芯直径（50m ），纤芯内传输多个模式的光波。 （1）大尺寸阶跃光纤 （2）大尺寸渐变光纤 2.单模光纤（SMF）：单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4m10m 范围内。 此光纤带宽极宽，适用于大容量、长距 离通信,2.2 光纤的传输原理,2.2.1 几何光学方法,光的折射与反射,当光线大于临界角入射,当光线小于临界角入射,光纤的传光原理,1.突变型多模光纤,数值孔径,表示光纤接收光的能力,时间延迟,g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤的折射率分布 由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax,（1）NA,2. 光在渐变光纤中传播,由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax,（2）射线方程的解,射线方程,1）将光线轨迹（r）和空间折射率 分布(n)联系起来 2）由射线方程可推导出光纤轨迹表达式,圆柱坐标系,折射率具有圆对称性和沿轴 线分布的均匀性，n与，z无关,(3) 射线方程的解,取n(r)n(0)得到光线轨迹的普遍公式为：,1) 渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数 2) 对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0， 其周期=2/A=2a/ ， 取决于光纤的 结构参数(a, )， 而与入射角0无关。 ,*=0cos(Az),把光线入射点移到中心轴线(z=0, ri=0)，,(4)自聚焦效应,这说明不同入射角相应的光线， 虽然经历的路程 不同，但是最终都会聚在P点上，这种现象称为 自聚焦效应。,2.2.2 光纤传输的波动理论-光在光纤中的模式传播,光纤-圆柱形介质波导,电场或磁场在波导中的某种稳定存在的形式,1 波动方程和电磁场表达式,求得纵向场分量，在得到横向场分量,38,光沿Z轴传播，传输常数为,光纤的圆对称性， 应为方位角的周期函数,k=2/=2f/c=/c 和f为光的波长和频率 这样就把分析光纤中的电磁场分布，归结为求解贝塞尔方程 设：纤芯(0ra) 折射率n(r)=n1 包层(ra) 折射率n(r)=n2 为求解此方程，引入无量纲参数u, w和V。,u2=a2(n21k2-2) 0r a 导波径向归一化相位常数 w2=a2(2-n22k2) r a 导波径向归一化衰减常数 V2=u2+w2=a2k2(n21-n22) 归一化频率,归一化传输常数,利用这些参数， 把式(2.21)分解为两个贝塞尔微分方程：,因为光能量要在纤芯(0ra)中传输： 在r=0处， 电磁场应为有限实数 在包层(ra)，光能量沿径向r迅速衰减 当r时， 电磁场应消逝为零。,在纤芯和包层的电场Ez(r, , z)和磁场Hz(r, , z)表达式为,光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数,Jv(u)类似振幅衰减的正弦曲线Kv(w)类似衰减的指数曲线 u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为横向传输常数 决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，所以称为纵向传输常数,Jv(u)和Kv(w)图,2 特征方程和传输模式,因为电磁场强度的切向分量 在纤芯包层交界面连续， 在r=a处应该有,每一条曲 线表示一 个传输模 式的随 V的变化,归一化传输常数,归一化频率,模式截止 要求在包层电磁场消逝为零， 必要条件是w0。 如果w0， 电磁场将在包层振荡， 传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。 w=0(=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态， 这个状态称为模式截止。其u、 w和值记为uc、wc 和c，此时V=Vc=uc。,模式远离截止 模式远离截止当V时， w增加很快，当w时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止，其u值记为u。,LP模,对于弱导波光纤（1%），一些精确模的传输常数接近相同，通常把这种现象称为简并，这些模式称为简并模。 P24 表2.2,当=0时，有TE0u ，TM0u,和金属波导不同，光纤属于介质波导,类型可分为TEu、TMu 、EHu和HEu模式。 TE0u：横电波 特点：纵向无电场仅有磁场 TM0u：横磁波 特点：纵向无磁场仅有电场 计算得到零阶贝塞尔方程 的根：2.40483，5.52008， 8.65373 依次对应TE01TM01, TE02TM02, TE03TM03DE 截止频率,TEon模 TMon模,当0时， HE模，EH模,电磁场的六个分量都存在 HE模 : EZHZ 低阶模式的归一化频率VC 0 HE11（基模） 2.40483 TE01 TM01 HE21 3.83171 EH11 HE12 HE31 5.13562 EH21 HE41 5.52008 TE02 TM02 HE22 6.38016 EH31 HE51,对于一条实际光纤，其归一化频率V是一定的，只有VcV 临界条件Vc=V,3 单模光纤的模式特性,2单模场结构,3 双折射,2.2总结,NA ,阶跃光纤,渐变光纤,传光原理,自聚焦效应,射线理论,传光原理,波动理论,光纤的归一化频率 V,模式的截止频率VC,单模光纤（HE11)传输条件,sinNA 的光能在光纤中传输,VCV,2.3 光纤的传输特性,2.3.1色散特性 2.3.2频带特性 2.3.3 损耗特性 2.3.4 光纤的标准,2.3.1 色散特性,一.定义,光纤中传输的光信号是由不同模式、频率的电磁 波携带的，它们的传输速度不同而引起传输信号 在波形上发生畸变的的一种物理现象。,二.表示方法 ： 三.分类：,1. 模式色散 定义：在多模光纤中，由于不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，因此有不同的群时延差，在光纤的输出端会造成脉冲展宽。,渐变型光纤模式色散 由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型多模光纤的模式色散较小。,2.模内色散 单模光纤中内部只有HE11模，不存在模式色散。只有模内色散。原因是群速度色散。 群速度色散：基模的群速度与频率有关，光脉冲的不同频率分量具有不同的群速度，因而到达光纤输出端的时间会产生差别，结果导致脉冲展宽。 vg=v.cos vg Z,(1)材料色散 定义：是光纤材料的折射率随频率而变，可使信号的各频率群速度不同引起色散。 （2）波导色散 定义：模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数 不同，群速度不同而引起的色散。,四.总色散 单模光纤中： 在1.31m，总色散为零。这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。 在1.55m，损耗最低，色散很大。 如将零色散波长从1.31m移到1.55m，这就是色散位移光纤(DSF)。,2.3.2 频带特性,色散和带宽描述的是光纤的同一特性 色散是在时域的表现形式即脉冲展宽 带宽是在频域的表现形式即高频分量的衰减,H(t),Pin(t),t,Pout(t),t,Pin(),H(),Pout(),光纤的传递函数H()=Pout()/Pin(),H()具有低通滤波器的特性,1/2,实测表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设,图 2.11 光纤带宽和脉冲展宽的定义,2.3.3 损耗特性,一. 定义： 光波在光纤中传输，随着距离的增加光 功率逐渐下降这就是光纤的传输损耗。 该损耗直接关系到光纤通信系统传输距离 的长短，是光纤最重要的传输特性之一。,光纤的损耗如图所示,二. 表示方法,Pi表示输入光纤的功率， Po表示输出光功率 L为光纤长度（km）,三.分类,光纤损耗,本征吸收,吸收损耗,散射损耗,弯曲损耗,杂质吸收,原子缺陷吸收,瑞利散射损耗,结构不完善引起的散射损耗,紫外吸收,红外吸收,氢氧根,过度金属离子,光纤弯曲损耗,光纤微弯损耗,1.吸收损耗 定义：由于组成光纤的材料和杂质对光波的吸收，使一部分光能变成散失的热能从而造成光功率的损失。 （1）本征吸收：光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。 紫外吸收带 红外吸收带,（2）杂质吸收损耗：由于光纤中的杂质对光的吸收作用而造成的附加的吸收损耗，它是造成光纤损耗的主要原因。 过度金属离子： 氢氧根离子：造成杂质吸收损耗的主要 根源,2. 散射损耗 定义：散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起的散射。 （1）瑞利散射固有损耗 由于光纤材料密度的微观变化以及各成 分浓度不均匀引起光的散射 它引起的损耗与-4成正比。,（2）布里渊和喇曼散射 非线形散射，只有注入功率超过某一阈 值时才发生。 在通信线路中不考虑。 （3）结构不完善散射损耗（辐射损耗） 结构缺陷,四. 光纤的损耗特性曲线 本征吸收损耗 固有损耗 瑞利散射损耗 非固有损耗,0.01,0.05,0.1,0.5,1,5,10,50,100,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,实验,波导缺陷,紫外吸收,瑞利散射,红外,吸收,波长 /,m,m,损耗 / (dBkm,1,),光纤通信三个窗口： 0.85m 1.31 m 1.55 m 第一窗口 第二窗口 第三窗口 短波长窗口 长波长窗口,五.实用光纤损耗谱 SIFGIFSMF 损耗依次减小,五. 实用光纤的损耗谱,2.3.4 光纤的标准,2.4 光缆,2.4.1 光缆基本要求 1. 光缆要有优良的机械特性，为防止光纤断裂提供保证。 2. 不能因成缆而影响光纤的传输特性 3. 缆径细，重量轻 4. 容易铺设和接续 5. 便于施工和维护,2.4.2 光缆结构和类型,一. 结构 1. 缆芯 缆芯是由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传输光波。 2. 加强元件 加强元件一般有金属丝和非金属纤维，其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷。 3. 护层 光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器保护作用，避免受外界的损伤。,二. 类型 层绞式 骨架式 中心束管式 带状式,三. 特性 1. 拉力特性 2. 压力特性 3. 弯曲特性 4. 温度特性,2.5 无源光器件,一. 光纤连接器 光纤连接器(Fiber Connector) 是实现光纤活动连接的重要组成部分。它与光纤适配器一起实现了光纤的活动连接。 光纤适配器（法兰 ） （Fiber Adapter） 是实现光纤活动连接的重要器件之一，它通过尺寸精密的开口套管在适配器内部实现了光纤连接器的精密对准连接。,1. 功能 把两根光纤的端面结合在一起。 2. 分类 永久性连接 ：光纤线路上的连接 0.2dB 活动连接： 可以拆卸的连接 0.1dB,3. 主要要求 （1）连接损耗小 （2）稳定性好 （3）拆装方便 （4）重复性好 （5）同型号可交换 （6）体积小成本低,4. 结构 （1）固定连接器：粘接法 熔接法 （2）活动连接器： 连接类型： FC、SC、ST等 端面接触型：PC、UPC、APC等,基本结构,FC-APC连接器,FC-PC连接器,LC连接器,MU连接器,SC-APC连接器,ST连接器,多芯连接器,SC-PC连接器,连接器,套筒,插芯,FC适配器,LC适配器,SC适配器,5. 产生连接损耗的原因,二. 光纤耦合器 1. 功能：实现光信号分/合路的功能器件， 一般是同一波长的光进行分路和和路。 2. 分类 T 型：22的3端耦合器 合路器 分路器 星型： nm 定向： 22的3端或4端耦合器,合路器 T型 分路器 星型 定向,1,4,2,3,1,2,3,3,1,2,3. 基本结构 光纤型 波导型 微器件型：见下一张,光纤,自聚焦透镜,自聚焦透镜,光纤,滤光片,l,1,、,l,2,l,1,l,2,l,1,l,2,l,3,l,1,l,2,l,3,光纤,自聚焦透镜,硅光栅,光纤,自聚焦透镜,分光片,1,3,4,2,(,b,),(,a,),(,c,),(,d),4. 特性指标 参