光纤通信光纤PPT学习教案

1、会计学1光纤通信光纤光纤通信光纤2021-10-152第1页/共52页2021-10-153表中给出了一些介质的折射率。表中给出了一些介质的折射率。材料材料空气空气水水玻璃玻璃石英石英钻石钻石折射率折射率1.0031.331.521.891.432.42光的折射光的折射光的反射光的反射第2页/共52页2021-10-154 3光的偏振光的偏振 光波属于光波属于横波横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为这样的光称为线偏振光线偏振光(完全

2、偏振光）完全偏振光），如下图所示，如下图所示，“旋光现象旋光现象”。 从从普通光源普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如发出的光不是偏振光，而是自然光，如下下图图所示。所示。 自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为这种光称为部分偏振光部分偏振光，如，如下下图所示。图所示。第3页/共52页2021-10-155光的偏振光的偏振第4页/共52页2021-10-156 4光的色散光的色散 如图所示，当日光通过棱镜或水雾时会

3、呈现按红橙黄绿青蓝如图所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。间上散开。第5页/共52页2021-10-157波导波导 waveguidewaveguide：微波或光波的传输装置。微波或光波的传输装置。能够沿能够沿着平行于其轴的路径导引电磁场能流，同时使能

4、量着平行于其轴的路径导引电磁场能流，同时使能量包含在其内或于其表面相邻区域的任何包含在其内或于其表面相邻区域的任何结构结构。在媒。在媒质中，给定折射率的一层材料，在它的两边用较低质中，给定折射率的一层材料，在它的两边用较低折射率材料层加以限制，从而将波限制在较高折射折射率材料层加以限制，从而将波限制在较高折射率的材料里。率的材料里。导波导波 guided waveguided wave：传输媒质的分层将波的能量限传输媒质的分层将波的能量限制在导体中（例如：光纤、波导管）传播的方法。制在导体中（例如：光纤、波导管）传播的方法。一种由于特有的材料特性，其能量被限制在材料的一种由于特有的材料特性，其

5、能量被限制在材料的表面之间或表面附近的表面之间或表面附近的波波。其传播方向与材料边界。其传播方向与材料边界实际上是并行的。实际上是并行的。第6页/共52页2021-10-158ACB 波的形成必须与自身发生波的形成必须与自身发生相长干涉相长干涉，否则波，否则波就会与自身发生就会与自身发生相消干涉相消干涉而消失；而消失； 波的相位不仅在波行进时会变化，而且从介波的相位不仅在波行进时会变化，而且从介质界面反射时也要变化；质界面反射时也要变化； 因此，当波路径因此，当波路径A-B-C时所产生的总相位移时所产生的总相位移必须等于必须等于2 的整数倍。的整数倍。 第7页/共52页2021-10-159模

6、模 mode:传输媒质中电磁波的一种电磁场分布样传输媒质中电磁波的一种电磁场分布样式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊的场图形所表征。光纤中的传播模是由必须满足的场图形所表征。光纤中的传播模是由必须满足麦克斯韦方程组和一定边界条件所决定的。麦克斯韦方程组和一定边界条件所决定的。混合模混合模 hybrid mode :hybrid mode :电磁波传播方向上既有电电磁波传播方向上既有电场分量又有磁场分量的传播模。一般用场分量又有磁场分量的传播模。一般用HEHE模或模或EHEH模表示。光纤中一般传输这种类型的模式。模表示。光纤中一般传输这种类型的模

7、式。第8页/共52页2021-10-1510第9页/共52页2021-10-1511包层包层n2纤芯纤芯n1光纤的结构光纤的结构第10页/共52页2021-10-1512光纤的结构光纤的结构第11页/共52页2021-10-15131.1.结构结构: : 1.1 1.1 纤芯与包层纤芯与包层: : 1.2 1.2 外护层外护层 纤芯纤芯 包层包层 一次涂敷一次涂敷 二次涂敷二次涂敷 2a2a 2b2b第12页/共52页2021-10-1514第13页/共52页2021-10-1515 (a) 阶跃分布； (b) 三角分布； (c) 高斯分布 n2n2n1n2n2n1纤 芯包 层n2n2n1(a

8、)(b)(c)第14页/共52页2021-10-1516第15页/共52页2021-10-1517(a) 突变型多模光纤；突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；渐变型多模光纤； （c） 单模光纤单模光纤 第16页/共52页2021-10-1518 (a) 双包层；双包层； (b) 三角芯；三角芯； (c) 椭圆芯椭圆芯 特种单模光纤特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于下图，这些光纤的特征如下。和折射率分布示于下图，这些光纤的特征如下。 色散平坦光纤色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber,

9、DFF） 色散移位光纤色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF） 双折射光纤双折射光纤或或偏振保持光纤偏振保持光纤。 第17页/共52页2021-10-1519第18页/共52页2021-10-1520第19页/共52页2021-10-1521第20页/共52页2021-10-1522第21页/共52页2021-10-15233.阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析 分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法： 几何光学法分析问题的两个出发点：几何光学法分析问题的两个出发点： 数值孔径数值孔径 时间延迟时间

10、延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布分布 几何光学法分析问题的两个角度：几何光学法分析问题的两个角度： 突变型多模光纤突变型多模光纤 渐变型多模光纤渐变型多模光纤第22页/共52页2021-10-1524第23页/共52页2021-10-1525第24页/共52页2021-10-1526第25页/共52页2021-10-1527第26页/共52页2021-10-1528 212221nnnNA第27页/共52页2021-10-1529临界光锥与数值孔径临界光锥与数值孔径 非全反射光全反射光临界光锥包层( n2)纤芯( n1 n2)c第28页

11、/共52页2021-10-1530第29页/共52页2021-10-1531第30页/共52页2021-10-1532第31页/共52页2021-10-1533第32页/共52页2021-10-1534第33页/共52页2021-10-1535第34页/共52页2021-10-1536第35页/共52页2021-10-1537光在渐变折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播第36页/共52页2021-10-1538阶跃光纤阶跃光纤step-index fibero on2n2n1n1r rb ba a纤芯纤芯包层包层 纤芯直径纤芯直径:2a=50 3 m 包层直径包层直径:2b=1

12、25 3 m1.相对折射率差相对折射率差: = (n1-n2)/n1 纤芯与包层均采用相同的基础材料纤芯与包层均采用相同的基础材料SiO2,然后各掺入不同的杂质然后各掺入不同的杂质,使得使得n1略高于略高于n2.2.2.阶跃光纤中光射线种类：阶跃光纤中光射线种类： (1)(1)子午射线子午射线: :穿越光纤轴线穿越光纤轴线, ,截面截面投影是一条直线投影是一条直线 (2)(2)斜射线斜射线: :不穿越光纤轴线不穿越光纤轴线, ,截面截面投影是焦散面投影是焦散面 折射率分布示图折射率分布示图第37页/共52页2021-10-1539 一种一种纤芯折射率为离光纤轴距离的函纤芯折射率为离光纤轴距离的

13、函数的光纤数的光纤。随着离轴的距离增加，折射。随着离轴的距离增加，折射率逐渐降低。这种特性使光线趋于留在率逐渐降低。这种特性使光线趋于留在纤芯内纤芯内连续折射连续折射，因此迫使光线保持在，因此迫使光线保持在光纤中。光纤中。 纤芯直径纤芯直径:2a=50 3 m 包层直径包层直径:2b=125 3 m 数值孔径数值孔径 NA(r)NA(r)： 在渐变光纤中，数值孔径是纤芯端面在渐变光纤中，数值孔径是纤芯端面上位置的函数。上位置的函数。 NA(r)= n(r)2 - n22 仅当光射线落入位置仅当光射线落入位置r处的处的NA(r)以内以内，形成全反射，才有形成导波的可能。，形成全反射，才有形成导波

14、的可能。o on n2 2r rb ba a纤芯纤芯包层包层 折射率分布示图折射率分布示图n(r)n(r)第38页/共52页2021-10-1540第39页/共52页2021-10-1541第40页/共52页2021-10-1542第41页/共52页2021-10-1543第42页/共52页2021-10-1544第43页/共52页2021-10-1545 在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射、和在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射、和辐射的信号功率被认为是辐射的信号功率被认为是损耗损耗，通常用，通常用dBdB表示。表示。 一一. .光纤损耗直接决定了通信线路无中继的区间及中继

15、光纤损耗直接决定了通信线路无中继的区间及中继站间距离的长度。站间距离的长度。 目前：目前： 800800 900 nm 2.0 dB/km900 nm 2.0 dB/km 1310 nm 0.4 dB/km 1310 nm 0.4 dB/km 1550 nm 0.25db/km 1550 nm 0.25db/km 光纤损耗的不断下降，促进了光纤通信的实用化。光纤损耗的不断下降，促进了光纤通信的实用化。 二二. .表征光纤损耗的损耗系数表征光纤损耗的损耗系数: : = 10lgPi/Po/L dB/km dB/km 式中式中Po是光纤输出端的光功率；是光纤输出端的光功率；Pi是注入光纤的光是注入

16、光纤的光 功率；功率；L为光功率经过的长度。为光功率经过的长度。第44页/共52页2021-10-1546第45页/共52页2021-10-1547 c c 原子缺陷吸收：原子缺陷吸收：光纤材料受外界辐射而受激产生原子缺光纤材料受外界辐射而受激产生原子缺陷，吸收光能，造成损失。陷，吸收光能，造成损失。 2. 2. 散射损耗散射损耗 所谓散射，所谓散射，是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光的现象除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光的现象。 散射损耗散射损耗，是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的，是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗称为散射损耗。它可分为：耗称为散射损耗。它可分为： a a 本征散射：本征散射： 浓度不均匀引起的散射；浓度不均匀引起的散射； 掺杂不均匀引起的散射；掺杂不均匀引起的散射； b b 波导散射损耗：波导散射损耗：光纤芯直径不一致引起模式的转换或模光纤芯直径不一致引起模式的转换或模式