工程硕士光纤课件第二章

第2章光纤和光缆,2.1光纤光缆的优点1.传输频带宽容量大2.传输损耗低3.直径小质量轻富于挠性4.抗干扰和化学腐蚀5.资源丰富,2.2光纤的基本传输理论,2.2.1射线法分析光在光纤中的传输,2.2.1射线法分析光在光纤中的传输,阶跃型光纤的轴向截面和光线传播情况。,2.2.1射线法分析光在光纤中的传输,光线从纤芯射至与包层的界面实现全反射的条件是：(1)纤芯的折射率一定要大于包层的折射率(2)进入光纤中的光线向纤芯与包层之间的界面入射时，入射角应大于临界角，换句话说，光从空气入射到光纤的入射角应小于0。因为每根光纤的包层与纤芯的折射率之比不同，所以它们发生全反射的临界角也不同。,2.2.1射线法分析光在光纤中的传输,光能够从空气射入光纤的条件,2.2.1射线法分析光在光纤中的传输,光能够从空气射入光纤的条件首先分析图25(a)，根据折射定率有：由图可知折射角=，所以有：根据sin2c+cos2c=1，所以,2.2.1射线法分析光在光纤中的传输,将(25)式代入(24)式，则有：将(26)式代入(23)式，则有：,(27),2.2.1射线法分析光在光纤中的传输,因为相对折射率差为：将(28)式代入(27)式，则有人们称角为能在光纤中形成全反射的光线在空气中最大的入射角，即为光纤捕捉射线的最大入射角，也称之为最大入射角，通常用表示，它的正弦为:,2.2.1射线法分析光在光纤中的传输,NA被定义为光纤的数值孔径，越大，则光纤接收光的能力越强，从立体的观点来看，是一个圆锥角，从光源发出的光，只有入射在该圆锥角以内的光才能在光纤中形成全反射而向前传播。,2.3光纤的基本特性,2.3.1光纤的损耗特性光纤损耗定义为长度为L(km)的光纤输出端光功率与输入端光功率的比值，用分贝(dB)表示为,损耗=,(dB/km),2.3.1光纤的损耗特性,光纤损耗的主要有吸收损耗、散射损耗及辐射损耗。,2.3.1光纤的损耗特性,1.辐射损耗当光纤弯曲到一定的曲率半径时，就会产生辐射损耗。光纤的弯曲有两种类型:一是光纤弯曲半径比光纤直径大得多，称为宏弯曲；二是光纤成缆时其轴线产生的随机性微弯曲。,2.3.1光纤的损耗特性,辐射损耗系数表为：,光纤弯曲产生辐射损耗示意图光纤的微弯,2.3.1光纤的损耗特性,2.吸收损耗（1）本征吸收它是光纤基础材料(如SiO2)固有的吸收。1)紫外吸收2)红外吸收（2）杂质吸收它是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。,2.3.1光纤的损耗特性,从图中可以看出，在光纤通信上可利用的光波长可达1.8m，因为在这段波长上，基本上可以完全避免氢氧根的影响,2.3.1光纤的损耗特性,3.散射损耗由于光的散射所造成的损耗就是散射损耗。产生散射损耗的原因有两种:一种是材料的固有因素(引起材料本征射)。一种是非固有因素(引起结构不完整散射)。,2.3.1光纤的损耗特性,图中给出了光纤的瑞利散射损耗。在短波长时，它对损耗的影响最大，当波长在1.0m以上长波长范围时，散射损耗很小。,2.3.2光纤的色散特性,光纤的色散，主要有材料色散、波导色散和模式色散三种。前两种色散是指每一个模式本身对多种波长的色散，后一种色散是多模光纤中各个模式由于传播途径的差异而形成的色散。单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。,2.3.2光纤的色散特性,材料色散是由于光纤材料本身的折射率随频率而变化，使得信号各频率成份的群速不同，引起色散。材料色散特性曲线,2.3.2光纤的色散特性,波导色散是模式本身的色散，即是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。单模光纤色散-波长曲线,2.3.2光纤的色散特性,光纤的V值越大，模式越多，各模式在同一频率下传输，各自的相位常数不同，群速不同，模式之间存在时延差，这种色散就是模间色散.模间色散,2.3.2光纤的色散特性,单模光纤色散-波长曲线,2.3.3光纤的偏振特性,波的偏振性质可以用偏振程度(也称偏振椭圆)表示，定义为：(1)当=0，90，180，时，=1，即输入为沿双折射轴的线偏振波时，输出也是线偏振波，且偏振方向保持不变。(2)当=45，135，225，时，即输入为线偏振，输出是椭圆偏振波，此时的输出偏振角。,2.4光纤的结构和类型,2.4.1光纤的结构,2.4.1光纤的结构,2.4光纤的结构和类型,2.4.2光纤的分类根据纤芯折射率在横截面上的分布形状来划分时，有阶跃型光纤和梯度型光纤两种。根据传导模式来分，有单模光纤和多模光纤两种。多模光纤是指能够同时传输多种模式的光纤，而单模光纤则只能传输单一的基模模式。根据所传播的光波波长来分，可以进一步将光纤划分为短波长光纤和长波长光纤。前者是指0.85m波长光纤，后者是指1.3m和1.55m波长光纤。,2.5光纤的制造,光纤光缆的制造过程大致如下图所示的流程图,光纤光缆制造流程图,2.7光缆的结构和类型,2.7.1光缆的结构和类型光缆种类很多，但是不论它的具体结构如何，都是由光纤芯线、护套和加强部件组成。光缆中光纤芯线结构分为单心型和多心型两种.单心型芯线又分为紧套芯线和松套芯线。多心型芯线又分为带状结构和单元式结构。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。,2.7光缆的结构和类型,光缆类型多种多样，根据缆芯结构的特点，光缆可分为四种基本型式。1.层绞式2.骨架式3.中心束管式4.带状式,2.8光缆的型号与命名法,光缆型号