光纤通信第二单元课件

1、第第2 2章章 光光 纤纤 2.1 2.1 光纤的基本概念光纤的基本概念 2.2 2.2 光纤传光原理光纤传光原理 2.3 2.3 光纤特性参数光纤特性参数 2.4 2.4 光纤连接方式光纤连接方式 2.5 2.5 光纤在通信领域中的应用光纤在通信领域中的应用 2.62.6* * 光纤的特性测量光纤的特性测量第第2 2章章 光光 纤纤 2.1 2.1 光纤的基本概念光纤的基本概念 2.1.1 2.1.1 光纤基本结构光纤基本结构 光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构。一种同心圆柱体结构。图图2-1 2-1 光纤结构示意图光纤结构示意图

2、纤芯和包层由透明介质材料构成，其折纤芯和包层由透明介质材料构成，其折射率分别为射率分别为n n1 1和和n n2 2。 为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是的必要条件是n n1 1n n2 2。 分层：分层：纤芯纤芯 包层包层 涂敷层涂敷层 套塑套塑( (二次涂敷二次涂敷) ) 材料：材料：石英石英 石英石英 环氧树脂环氧树脂 尼龙尼龙 或硅橡胶或硅橡胶 或聚乙稀或聚乙稀作用：作用：传导光波传导光波 将光波封闭将光波封闭 增加光纤的机械强度增加光纤的机械强度 在纤芯中传播在纤芯中传播 折射率：折射率：n n n n少量掺杂：少量掺杂： 五氧化二磷（五

3、氧化二磷（P P2 2O O5 5） 三氧化二硼（三氧化二硼（B B2 2O O3 3） 二氧化锗（二氧化锗（GeOGeO2 2） 氟（）氟（） （为了实现包层与纤芯之间的折射率差）（为了实现包层与纤芯之间的折射率差）2.1.2 2.1.2 光纤分类光纤分类（1 1） 按纤芯和包层材料划分按纤芯和包层材料划分 可分为石英光纤和塑料光纤可分为石英光纤和塑料光纤（2 2） 按光纤折射率分布特点划分按光纤折射率分布特点划分 主要分为阶跃光纤和渐变光纤主要分为阶跃光纤和渐变光纤图图2-2 2-2 阶跃光纤和渐变光纤的折射率分布图阶跃光纤和渐变光纤的折射率分布图（3 3）按光波模式（即电磁波类型）划分）

4、按光波模式（即电磁波类型）划分 可分为多模光纤和单模光纤。可分为多模光纤和单模光纤。多模光纤：多模光纤： 纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50 50 m m左右），适用于中容量、中距离通信。左右），适用于中容量、中距离通信。单模光纤：单模光纤： 纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个微米），适用于大容量、长距离通信。小（几个微米），适用于大容量、长距离通信。图图2-32-3（a)a)突变型多模光纤突变型多模光纤(b) (b) 渐变型多模光纤（渐变型多模光纤（c c）单模光纤）单模光纤 2.1.

5、3 2.1.3 光纤制造简述光纤制造简述 通信用光纤大多数由石英玻璃材料构成。光纤通信用光纤大多数由石英玻璃材料构成。光纤的制造要经历材料提纯、熔炼、拉丝、套塑等具体的制造要经历材料提纯、熔炼、拉丝、套塑等具体的工艺步骤。的工艺步骤。 （1 1）提纯工艺）提纯工艺 提纯的目的是去掉原料中的有害杂质，一般要提纯的目的是去掉原料中的有害杂质，一般要求有害杂质的含量不得大于求有害杂质的含量不得大于10106 6。（2 2）熔炼工艺）熔炼工艺 熔炼的目的是将超纯的原料经过高温化学反应，熔炼的目的是将超纯的原料经过高温化学反应，合成具有一定折射率分布的预制棒。合成具有一定折射率分布的预制棒。（3 3）拉

6、丝工艺）拉丝工艺 拉丝的目的是将已制作好的预制棒拉成高质量拉丝的目的是将已制作好的预制棒拉成高质量的光纤。的光纤。（4 4）套塑工艺）套塑工艺 套塑的目的是将带有涂覆层的光纤再套上一层套塑的目的是将带有涂覆层的光纤再套上一层热塑性材料，进一步增强光纤的强度。热塑性材料，进一步增强光纤的强度。 2.1.4 2.1.4 光缆结构及类型光缆结构及类型（1 1）光缆结构）光缆结构 缆芯缆芯 光缆中包含的光纤构成缆芯。缆芯可以放在光缆中包含的光纤构成缆芯。缆芯可以放在光缆的中心或非中心部位。光缆的中心或非中心部位。 加强构件加强构件 在光缆中心或外护层内加入钢丝或玻璃纤维在光缆中心或外护层内加入钢丝或玻

7、璃纤维增强塑料，用来增强光缆的拉伸强度。增强塑料，用来增强光缆的拉伸强度。 光缆护层光缆护层 光缆从里到外加入一层或多层圆筒状护套，用光缆从里到外加入一层或多层圆筒状护套，用来防止外界各种自然外力和人为外力的破坏。护套来防止外界各种自然外力和人为外力的破坏。护套应具有防水防潮、抗弯抗扭、抗拉抗压、耐磨耐腐应具有防水防潮、抗弯抗扭、抗拉抗压、耐磨耐腐蚀等特点。蚀等特点。 光缆护层常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨光缆护层常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯和聚酰胺。此外，还有铝、钢、铅等密实的金属酯和聚酰胺。此外，还有铝、钢、铅等密实的金属层用来防潮。层用来防潮。 填料填料 在缆芯与护套之间填充防潮

8、油胶，用来阻止外在缆芯与护套之间填充防潮油胶，用来阻止外界水分和潮气侵入缆芯内。界水分和潮气侵入缆芯内。 铠装铠装 用钢丝、钢带等坚硬金属材料做成光缆的外用钢丝、钢带等坚硬金属材料做成光缆的外护套，进一步提高光缆强度，用来防鼠、防虫、护套，进一步提高光缆强度，用来防鼠、防虫、防火、防外力损坏。防火、防外力损坏。 其他其他 有些光缆内放入若干根铜导线，用做中继馈有些光缆内放入若干根铜导线，用做中继馈电线、监控信号线等。电线、监控信号线等。（2 2）光缆类型）光缆类型 按敷设方式分类按敷设方式分类 可分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水下可分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水下光缆（海底光缆）、室

9、内光缆等。光缆（海底光缆）、室内光缆等。 按缆芯分类按缆芯分类 光纤束光缆：光纤束光缆：光纤与光纤之间不是固定黏结在一光纤与光纤之间不是固定黏结在一起的，每根光纤具有一定的位移自由。起的，每根光纤具有一定的位移自由。 光纤带光缆：光纤带光缆：光纤带是利用黏结材料将多根光纤光纤带是利用黏结材料将多根光纤（带有一次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平（带有一次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平面排列。面排列。 按加强构件材料分类按加强构件材料分类 分为分为金属加强构件光缆金属加强构件光缆和和无金属光缆。无金属光缆。 按加强构件位置分类按加强构件位置分类 集中型加强构件集中型加强构件：又分为层绞式光缆

10、、骨架式：又分为层绞式光缆、骨架式光缆。光缆。 分布型加强构件分布型加强构件：又称为中心管式光缆。：又称为中心管式光缆。 有无铠装分类有无铠装分类 简式光缆简式光缆：主要用于架空光缆、管道光缆。：主要用于架空光缆、管道光缆。 铠装光缆铠装光缆：主要用于长途干线直埋光缆。：主要用于长途干线直埋光缆。2.1.5 2.1.5 光缆（光纤）型号命名方法光缆（光纤）型号命名方法 光缆（光纤）型号的命名是采用一横列十三项光缆（光纤）型号的命名是采用一横列十三项参数来表示的。其中，第一至第五项是光缆类型参参数来表示的。其中，第一至第五项是光缆类型参数，第六至第十二项是光纤规格参数，第十三项是数，第六至第十二

11、项是光纤规格参数，第十三项是附加参数。附加参数。图图2-4 2-4 光缆型号命名方法光缆型号命名方法 光缆各项参数的具体意义如下：光缆各项参数的具体意义如下： 第一项光缆分类代号第一项光缆分类代号 第二项加强构件代号第二项加强构件代号 第三项结构特征代号第三项结构特征代号 第四项护套代号第四项护套代号 第五项外护层代号第五项外护层代号图图2-5 2-5 多模光纤和单模光纤规格参数的具体表示多模光纤和单模光纤规格参数的具体表示光缆类型举例：光缆类型举例： （1 1）GYFGTYGYFGTY4D9/1254D9/125（205205）B B型骨架式光型骨架式光纤束光缆纤束光缆（2 2）GYTSGY

12、TS型层绞式光纤束型层绞式光纤束 光缆光缆 图图2-62-6 光缆结构图光缆结构图2.2 2.2 光纤传光原理光纤传光原理2.2.1 2.2.1 光的射线理论及光纤传光分析光的射线理论及光纤传光分析2.2.1.1 2.2.1.1 光的射线理论光的射线理论（1 1）直线传播定律）直线传播定律 光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为传播速度为v v = = c c/ /n n c c是真空中光速是真空中光速，n n是均匀介质折射率是均匀介质折射率。（2 2）反射定律和折射定律）反射定律和折射定律 光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏光线经过两种不同介

13、质的交界面时，会发生偏折。设入射角折。设入射角i i , ,反射角反射角r r , ,折射角折射角t .t . i i = =r r 反射定理反射定理 折射定理折射定理 12sinsinitnn2112sinsinitnvnv（3 3）全反射定律）全反射定律 光线从光密介质光线从光密介质n n1 1射向光疏介质射向光疏介质n n2 2时，若入射时，若入射角满足以下关系：角满足以下关系：i i c c arcsin( arcsin(n n2 2/ /n n1 1) ) 则只有反射光，而无折射光则只有反射光，而无折射光, ,c c称为全反射临称为全反射临界角。界角。全反射的条件：全反射的条件：(a

14、)(a)光波必须是由光密介质斜入射至光疏介质。光波必须是由光密介质斜入射至光疏介质。(b)(b)光波的入射角光波的入射角i i，必需大于临界角，必需大于临界角c c 。2.2.1.2 2.2.1.2 光纤的三类入射光光纤的三类入射光(1)(1)子午光线子午光线若入射光线与光纤轴心线相交，则称为子午光线。若入射光线与光纤轴心线相交，则称为子午光线。光线始终在经过光纤轴线的某个平面内（光纤轴光线始终在经过光纤轴线的某个平面内（光纤轴心平面、子午面）。心平面、子午面）。(2)(2)斜射光线斜射光线若入射光线与光纤轴心线无论在光纤的入射端面若入射光线与光纤轴心线无论在光纤的入射端面上还是在光纤内部都不

15、相交，则称为斜射光线。上还是在光纤内部都不相交，则称为斜射光线。光线入射方向与子午面夹有一定角度。光线入射方向与子午面夹有一定角度。(3)(3)螺旋光线螺旋光线 光线轨迹相当于沿着芯与包层交界的圆柱面光线轨迹相当于沿着芯与包层交界的圆柱面螺旋前进。螺旋前进。（4 4）内焦散面及三类入射光之间的关系）内焦散面及三类入射光之间的关系斜光线斜光线射入光纤后形成一条空间折线，此折线在射入光纤后形成一条空间折线，此折线在圆周方向的投影是一段段搭接在纤芯边界圆上的圆周方向的投影是一段段搭接在纤芯边界圆上的等长弦。等长弦。等长弦绕轴一周后不一定合成一个正多边形，而等长弦绕轴一周后不一定合成一个正多边形，而绕

16、轴足够多圈后，不同方位的弦互相交叠，将充绕轴足够多圈后，不同方位的弦互相交叠，将充满以纤芯边界为外缘的环形区，环的内圆半径等满以纤芯边界为外缘的环形区，环的内圆半径等于等长弦的弦心距。于等长弦的弦心距。光纤中的斜光线是以此环形为底面的圆管壁中曲光纤中的斜光线是以此环形为底面的圆管壁中曲折行进的，圆管内圆柱面又称折行进的，圆管内圆柱面又称内焦散面内焦散面。如果弦长逐渐缩短，即对应距中心较远且入射面如果弦长逐渐缩短，即对应距中心较远且入射面更为倾斜的情况，则内焦散面逐渐向外扩张，最更为倾斜的情况，则内焦散面逐渐向外扩张，最终趋向于与纤芯边界圆重合，此时的光线轨迹相终趋向于与纤芯边界圆重合，此时的光

17、线轨迹相当于沿着芯与包层交界的圆柱面螺旋前进，因而当于沿着芯与包层交界的圆柱面螺旋前进，因而被称为被称为螺旋光线螺旋光线，即螺旋光线是斜光线的内焦散，即螺旋光线是斜光线的内焦散面半径等于纤芯半径的极限的情况。面半径等于纤芯半径的极限的情况。子午光线是斜光线的内焦散面半径趋于零的极限子午光线是斜光线的内焦散面半径趋于零的极限情况。情况。 内焦散面半径内焦散面半径r r 投影弦投影弦子午线子午线 r 0 r 0 2a2a斜光线斜光线 o r a o r 00，表明芯内场为导波场，而在包层中是衰减，表明芯内场为导波场，而在包层中是衰减场，场， W W越大，场衰减越快。越大，场衰减越快。 W W2 2

18、0 H Hz z， EH EHlnln H Hz z E Ez z， HE HElnln 2.2.3.3 2.2.3.3 导波模式的存在条件导波模式的存在条件 表表2-2 2-2 导波模式与归一化截止频率导波模式与归一化截止频率V Vc c的对应关系的对应关系导波模式（矢量模）导波模式（矢量模）V Vc cHEHE11 11 0 0 TETE0101, TM, TM0101, HE, HE2121 2.4048 2.4048 EHEH1111, HE, HE1212, HE, HE3131 3.8317 3.8317 EHEH2121, HE, HE4141 5.1356 5.1356 TET

19、E0202, TM, TM0202, HE, HE2222 5.5201 5.5201 理论指出，实际光纤中能够传输的导波模式必须满足理论指出，实际光纤中能够传输的导波模式必须满足 V V V Vc c (2-16)(2-16) 对于实际光纤，可以先由对于实际光纤，可以先由 (2-17)(2-17)式算出式算出V V的数值的数值大小，然后利用大小，然后利用 (2-16)(2-16)式就可确定该光纤传输的导式就可确定该光纤传输的导波模式。波模式。(2-17)(2-17)2222122 aVUW ann结论：结论：（1 1）HEHE1111模式（模式（V Vc c = 0 = 0）在任何光纤中都存

20、在（因为）在任何光纤中都存在（因为单模和多模光纤总有单模和多模光纤总有V V0 0）。）。 HEHE1111 模式称为基模。模式称为基模。（2 2）满足）满足0 0V V2.40482.4048条件的光纤，仅含基模，称条件的光纤，仅含基模，称为单模光纤；反之，满足为单模光纤；反之，满足V V2.40482.4048条件的光纤，条件的光纤，则含有基模和其他模式，称为多模光纤。于是得到则含有基模和其他模式，称为多模光纤。于是得到光纤的单模工作条件为光纤的单模工作条件为 0 0V V2.40482.4048 多模工作条件为多模工作条件为 V V2.40482.4048（3 3）纤芯越细，高阶模数量越

21、少；纤芯越粗，高阶）纤芯越细，高阶模数量越少；纤芯越粗，高阶模数量越多。模数量越多。（4 4）工作波长越长，高阶模数量越少；工作波长）工作波长越长，高阶模数量越少；工作波长越短，高阶模数量越多。越短，高阶模数量越多。（5 5）光纤端面临界入射角）光纤端面临界入射角 0 0越小，高阶模数量越少；越小，高阶模数量越少； 0 0越大，高阶模数量越多。越大，高阶模数量越多。（6 6）理论算得光纤传导模的总数）理论算得光纤传导模的总数N N 为为阶跃多模光纤阶跃多模光纤 N N V V 2 2/2/2渐变多模光纤渐变多模光纤 N N V V 2 2/4/42.2.3.4 2.2.3.4 标量模标量模 标

22、量模又称为线性偏振模。标量模又称为线性偏振模。简并模简并模 场型分布相同的模式称为简并模。场型分布相同的模式称为简并模。 原始场型的图案一样，而模式并不唯一。即一原始场型的图案一样，而模式并不唯一。即一个原始场型并不唯一对应一个模式，故模式的概念个原始场型并不唯一对应一个模式，故模式的概念用用“特解特解”来描述比较好。来描述比较好。线性极化模：线性极化模：(linearly polarized(linearly polarized，或称为线，或称为线偏振模）偏振模） 将原始场型按照将原始场型按照“传输常数相近者合并传输常数相近者合并”的原的原则得到的场型，或者是把简并模集中在一起。则得到的场型

23、，或者是把简并模集中在一起。 之所以称为线偏振或极化模，是因为电场的振之所以称为线偏振或极化模，是因为电场的振动方向叫做极化方向或偏振方向，电场两个互相垂动方向叫做极化方向或偏振方向，电场两个互相垂直方向上振动（光纤横截面内电场沿直方向上振动（光纤横截面内电场沿X X轴向，磁场轴向，磁场沿沿Y Y轴向的偏振解）的模式，被称为两个极化模或轴向的偏振解）的模式，被称为两个极化模或偏振模。偏振模。 另外一套与之正交。另外一套与之正交。模式、简并模与线性极化模的区别和联系模式、简并模与线性极化模的区别和联系 线性简化模用线性简化模用LPLPmnmn表示，即不管表示，即不管TETE、TMTM、HEHE和

24、和EHEH的区别，只考虑它们的相位常数，把相位常的区别，只考虑它们的相位常数，把相位常数相等的模式都给与一个相同的称呼数相等的模式都给与一个相同的称呼LPLPmnmn模。模。 LP LPmnmn是混合模，其中是混合模，其中m m表示沿圆周方向光场强表示沿圆周方向光场强度出现的零点（或极点）对数，度出现的零点（或极点）对数，n n表示沿径向出现表示沿径向出现的零点个数。的零点个数。LPLPmn mn ： 对于对于EHEHlnln ，l=m-1l=m-1，且当，且当l=0l=0时，为时，为TETE0n0n和和TMTM0n0n对于对于HEHElnln ，l=m+1l=m+1 一般一个一般一个LPLP

25、mnmn模一般代表两个真实模：模一般代表两个真实模：EHEHm-1m-1，n n 和和 HEHEm+1m+1，n n的组合（电磁场在两个互相垂直方向的组合（电磁场在两个互相垂直方向上振动，电场偏振动方向正交），如果还考虑到上振动，电场偏振动方向正交），如果还考虑到每个真实模在方位角分布上有两种选择（即每个真实模在方位角分布上有两种选择（即sinsin，coscos），故一个），故一个LPLPmnmn一般具有四重简并，低次一般具有四重简并，低次LPLP模模与与TETE、TMTM、HEHE和和EHEH模的对应关系。模的对应关系。LPLP01 01 HE HE11112 2LPLP11 11 TE

26、TE0101，TMTM0101， HEHE21212 2 LPLP2121 EH EH11112 2 ， HEHE31312 2LPLP0202 HE HE12122 2 LPLP3131 EH EH21212, HE2, HE41412 2LPLP4141 EH EH31312 2 ， HEHE51512 2 LPLP2222 EH EH12122 2 ， HEHE32322 2LPLP0303 HE HE13132 2 LPLP5151 HE HE41412 2 ， HEHE61612 2 由于通常光纤由于通常光纤 ( (n n1 1n n2 2)/)/n n1 10.010.01，故可将

27、，故可将光纤内传播的光线近似看成是与光纤轴心线平光纤内传播的光线近似看成是与光纤轴心线平行的。因而，所传光线的电磁场横向分量很大，行的。因而，所传光线的电磁场横向分量很大，而纵向分量则很小，并且近似认为，在入射光而纵向分量则很小，并且近似认为，在入射光线的传播过程中，场的横向偏振方向保持不变，线的传播过程中，场的横向偏振方向保持不变，即视传播光线为线性偏振，因而可以用一个标即视传播光线为线性偏振，因而可以用一个标量来描述。量来描述。 标量模的存在条件为标量模的存在条件为 V V V Vc c (2-20) (2-20)表表2-3 2-3 标量模标量模LPLPmnmn的归一化截止频率的归一化截止

28、频率V Vc cV Vc cm m0 01 12 23 3 n n1 10 (0 (LPLP0101) ) 2.4048(2.4048(LPLP1111) ) 3.8317(3.8317(LPLP2121) ) 5.1356(5.1356(LPLP3131) ) 2 23.8317(3.8317(LPLP0202) )5.5201(5.5201(LPLP1212) )7.0156(7.0156(LPLP2222) )8.4172(8.4172(LPLP3232) ) 3 37.0156(7.0156(LPLP0303) ) 8.6537(8.6537(LPLP1313) ) 10.1735(1

29、0.1735(LPLP2323) ) 11.6198(11.6198(LPLP3333) ) 2.3 2.3 光纤特性参数光纤特性参数2.3.1 2.3.1 数值孔径数值孔径2.3.1.1 2.3.1.1 定义：数值孔径等于光纤端面临界入射角定义：数值孔径等于光纤端面临界入射角的正弦值的正弦值 （1 1）阶跃光纤数值孔径）阶跃光纤数值孔径 阶跃光纤的斜射光线比子午光线可以有较大阶跃光纤的斜射光线比子午光线可以有较大的入射角。的入射角。 2201210sin2sin/ cosNAnnnNANA（2 2）渐变光纤数值孔径）渐变光纤数值孔径220( )121220( )G( )sin( )( ) 2

30、 ( )(0)sinNA( )/ 1 ( / ) sinrrNA rn rnn rrNA rrr a 渐变光纤的斜射光线比子午光线也可以有较大渐变光纤的斜射光线比子午光线也可以有较大的入射角。的入射角。 （3 3）最大理论数值孔径）最大理论数值孔径 （4 4）远场强度有效数值孔径）远场强度有效数值孔径22t0(t)1max21maxmaxNA NAsinnnn2NA(0)阶跃光纤 渐变光纤1maxneffeNAsin NANAeffeff和和NANAt t之间的关系：之间的关系： NANAeffeff = = 式中：式中： 是纤芯折射率分布指数。是纤芯折射率分布指数。 阶跃光纤：阶跃光纤： 抛

31、物渐变光纤：抛物渐变光纤： /2t10.05NAefftNANAefftNA0.975NA2.3.1.2 2.3.1.2 数值孔径与光源波长的关系数值孔径与光源波长的关系effeffttNA(0.85 m)0.987NA(0.633 m)0.987NA (0.633 m)0.962NA (0.633 m)(（阶跃光纤）渐变光纤）2.3.1.3 2.3.1.3 数值孔径的物理意义数值孔径的物理意义 数值孔径表示光纤采光能力的大小。数值孔径数值孔径表示光纤采光能力的大小。数值孔径越大，则光纤与光源或和其他光纤的耦合就越容易。越大，则光纤与光源或和其他光纤的耦合就越容易。但数值孔径过大，则但数值孔径

32、过大，则大，这会增加光纤传输损耗，大，这会增加光纤传输损耗，故数值孔径应适当取值。故数值孔径应适当取值。 ITU-TITU-T规定：多模渐变光纤的规定：多模渐变光纤的NANAt t=(0.18=(0.180.24)0.24)0.020.02，单模光纤，单模光纤NANAt t0.110.11。（dB/km） (2-29a) 2.3.2 2.3.2 衰减特性衰减特性2.3.2.1 2.3.2.1 定义定义 （1 1）衰减常数）衰减常数 光在光纤中传播时光功率的衰减，称为光纤损耗。光在光纤中传播时光功率的衰减，称为光纤损耗。常用衰减常数常用衰减常数 来表示，其定义为来表示，其定义为 物理意义：物理意

33、义： 表示光纤单位长度上光功率的变化，它表示光纤单位长度上光功率的变化，它影响光纤传光距离的远近。影响光纤传光距离的远近。 inout10lgPLP（2 2）单模光纤半经验公式）单模光纤半经验公式 = = (0.53+66(0.53+66max+0.21max+0.21 c)/c)/ 4 (dB/km4 (dB/km） (2-30)(2-30)2.3.2.2 2.3.2.2 衰减产生的主要原因衰减产生的主要原因（1 1）本征损耗（光纤材料所固有）本征损耗（光纤材料所固有）（2 2）工艺损耗（在提纯、熔炼、拉丝等过程中）工艺损耗（在提纯、熔炼、拉丝等过程中产生）产生）（3 3）布线施工损耗）布线

34、施工损耗 强弯曲损耗强弯曲损耗 微弯曲损耗微弯曲损耗 接头损耗接头损耗2.3.2.3 2.3.2.3 光纤通信使用的波段光纤通信使用的波段（1 1）短波长窗口（近红外窗口）短波长窗口（近红外窗口） 波长范围是波长范围是0.800.800.90 0.90 m m，通常使用，通常使用0.85 0.85 m m。 （2 2）长波长窗口（近红外窗口）长波长窗口（近红外窗口） 波长范围是波长范围是1.251.251.35 1.35 m m及及1.501.501.60 1.60 m m， 通常使用通常使用1.31 1.31 m m及及1.55 1.55 m m。 目前的光纤通信系统多采用长波长窗口。目前的

35、光纤通信系统多采用长波长窗口。 2.3.3 2.3.3 截止波长截止波长2.3.3.1 2.3.3.1 定义定义 截止波长是光纤中只能传导基模的最低工作波长。截止波长是光纤中只能传导基模的最低工作波长。 若工作波长高于截止波长，则高次模截止，仅仅若工作波长高于截止波长，则高次模截止，仅仅传导基模，此时光纤称为单模光纤；若工作波长低于传导基模，此时光纤称为单模光纤；若工作波长低于截止波长，则高次模传导，此时光纤称为多模光纤。截止波长，则高次模传导，此时光纤称为多模光纤。 （1 1）理论截止波长）理论截止波长 ctct1maxctmaxc22anV其中其中V Vc c 2.4048 (2-31)

36、2.4048 (2-31) 光纤的单模工作条件为光纤的单模工作条件为 ctct 光纤的多模工作条件为光纤的多模工作条件为 ctct（2 2）2 m2 m长涂覆光纤实测截止波长长涂覆光纤实测截止波长 c c （3 3）22 m22 m长光缆实测截止波长长光缆实测截止波长 cccc （4 4）一个中继段光缆的有效截止波长）一个中继段光缆的有效截止波长 cece 以上四种截止波长的关系是以上四种截止波长的关系是 ctct c c cccc cece (2-32)(2-32)2.3.3.2 2.3.3.2 确定截止波长的目的确定截止波长的目的 是为了确实保证光纤中的单模传输。是为了确实保证光纤中的单模

37、传输。 光纤越长，衰减越大，并且高阶模比低阶模衰光纤越长，衰减越大，并且高阶模比低阶模衰减得更快，因此，若两光纤的减得更快，因此，若两光纤的a a, , n n1 1, , n n2 2, , , , inin都都分别相同，则短光纤比长光纤的高阶模多。若两光分别相同，则短光纤比长光纤的高阶模多。若两光纤的纤的a a, , n n1 1, , n n2 2, , inin及高阶模类型均相同，则短光及高阶模类型均相同，则短光纤比长光纤的纤比长光纤的 大。所以，只要保证了最短光纤中大。所以，只要保证了最短光纤中是单模传输，就更可以保证任何较长光纤中也是单是单模传输，就更可以保证任何较长光纤中也是单模

38、传输。总之，单模工作条件是模传输。总之，单模工作条件是 ctct c c cccc cece(2-33)(2-33)2.3.4 2.3.4 带宽与色散带宽与色散2.3.4.1 2.3.4.1 光纤带宽的概念光纤带宽的概念 光纤的频带特性与光纤的长度有关系，常用光纤的频带特性与光纤的长度有关系，常用“带宽带宽距离距离”积来表示光纤的频带特性，其单位积来表示光纤的频带特性，其单位常使用常使用MHzkmMHzkm或或GHzkmGHzkm。 2.3.4.2 2.3.4.2 影响带宽的原因影响带宽的原因 （1 1）模间色散）模间色散 定义定义 同一波长光信号的不同模式成分之间的色散，同一波长光信号的不同

39、模式成分之间的色散，称为模间色散或模式色散。模间色散只在多模光纤称为模间色散或模式色散。模间色散只在多模光纤中存在。中存在。 产生原因产生原因 多模光纤中各个模式的光传播的路径和速度不多模光纤中各个模式的光传播的路径和速度不同，使得在光纤出射端各模式的到达时间不一致，同，使得在光纤出射端各模式的到达时间不一致，产生时延差，引起光脉冲展宽。产生时延差，引起光脉冲展宽。图图2-20 2-20 模间色散时延差导致光脉冲展宽的示意图模间色散时延差导致光脉冲展宽的示意图证明：抛物渐变光纤（证明：抛物渐变光纤（ = 2= 2）具有最小模间色散）具有最小模间色散。l第一步：证明光纤端面轴心处入射角第一步：证

40、明光纤端面轴心处入射角 inin不同的入不同的入射子午光线在纤芯内都通过轴心线上的射子午光线在纤芯内都通过轴心线上的OO点。点。图图2-21 2-21 抛物渐变光纤子午光线模间色散时延差计算图抛物渐变光纤子午光线模间色散时延差计算图 可以证得：可以证得： 可见可见 长度与长度与 inin无关，这表明无关，这表明 inin 不同的不同的入射子午光线在纤芯内都能汇聚于入射子午光线在纤芯内都能汇聚于OO点。点。第二步：证明第二步：证明 inin不同的入射光线自不同的入射光线自O OOO的传播的传播时间时间T T都为都为OO1Tan (0)/(c 2 )OO2a 这表明这表明T T与与 in in 无

41、关，不同的光线在纤芯内走完无关，不同的光线在纤芯内走完O OOO路径所用的时间相同，即不存在时延差。路径所用的时间相同，即不存在时延差。结论：结论： 模间最大时延差模间最大时延差 M M的粗略估算的粗略估算 l l 阶跃光纤阶跃光纤21M(L)2Lncn1M(1)ncl渐变光纤渐变光纤 r rm m = 0= 0和和r rm m = = a a的光线时延差为的光线时延差为 21(1)0(0)2Manttc 模间色散带宽计算公式模间色散带宽计算公式M M3dB3dB （nsns） (2-46a)(2-46a)M M M M （MHzMHz） (2-46b)(2-46b)（2 2）模内色散）模内色

42、散 定义定义 同一个导波模式的不同光波长之间的色散，同一个导波模式的不同光波长之间的色散，称为模内色散或色度色散。称为模内色散或色度色散。 产生原因产生原因光源光谱不纯光源光谱不纯; ;光纤石英材料的折射率不是一个常数，而是随光光纤石英材料的折射率不是一个常数，而是随光波长的增大而减小波长的增大而减小; ;波导结构与折射率分布等参量有关，使得不同路波导结构与折射率分布等参量有关，使得不同路径光线之间的速度差是一个随传输路径变化的复径光线之间的速度差是一个随传输路径变化的复杂函数。杂函数。 这三方面原因导致同一个导波模式的不同波这三方面原因导致同一个导波模式的不同波长光线之间产生时延差，引起光脉

43、冲展宽。长光线之间产生时延差，引起光脉冲展宽。 (a)(a)材料色散材料色散 光源光谱不纯以及光纤石英材料的折射率随波光源光谱不纯以及光纤石英材料的折射率随波长而变化这两个原因，所产生的模内色散称为材料长而变化这两个原因，所产生的模内色散称为材料色散。材料色散可以在单模和多模光纤中存在。色散。材料色散可以在单模和多模光纤中存在。材料色散时延差为：材料色散时延差为： n(n(L L) ) = = D Dn n( ( ) L L10103 3 (ns) (2-47a) (ns) (2-47a) 材料色散带宽则为材料色散带宽则为: :( )3( )441441()( )10n Ln LnBMHzDL

44、 (2-48)(2-48)(b) (b) 波导色散波导色散 光源光谱不纯以及波导结构的影响，所产生的光源光谱不纯以及波导结构的影响，所产生的模内色散称为波导色散。波导色散在单模光纤和多模内色散称为波导色散。波导色散在单模光纤和多模光纤中都能够存在，但在多模光纤中其影响很小，模光纤中都能够存在，但在多模光纤中其影响很小，通常可以略去。通常可以略去。 波导色散时延差可写为波导色散时延差可写为: : w(w(L L) ) = = D Dw w( ( ) L L10103 3 （nsns） (2-49a)(2-49a) 波导色散带宽则为波导色散带宽则为: :( )( )441(MHz)w Lw LB(

45、2-50)(2-50) 模内总的色散模内总的色散模内总色散时延差为模内总色散时延差为: : I(I(L L) )= = n(n(L L) )+ + w(w(L L) )= =D DI I( ( ) L L10103 3(ns) (2-51)(ns) (2-51) D DI I( ( ) = ) = D Dn n( ( )+)+D Dw w( ( ) ) (2-52) (2-52) 模内总色散带宽则为模内总色散带宽则为: :111( )( )( )( )441() (MHz)I Ln Lw LI LBBB(2-53)(2-53)（3 3）光纤总的色散公式）光纤总的色散公式光纤总的色散时延差为光纤

46、总的色散时延差为: : 光纤总的色散带宽为光纤总的色散带宽为: :InwT2222IMnwM()11InwT2211 22TIMnwM1/()4411/1/()BBBBBBBBB(2-54)(2-54)(2-55)(2-55)2.3.4.3 2.3.4.3 带宽与光纤长度的关系带宽与光纤长度的关系（1 1）模内色散）模内色散 L L kmkm长光纤的模内色散带宽与光纤长度长光纤的模内色散带宽与光纤长度L L的关系为的关系为 B BI(I(L L) ) = = B BI(1)I(1) / /L L (2-57a)(2-57a) 式中，式中， B BI(1)I(1)= 441/= 441/ I(1

47、)I(1)（MHzkmMHzkm） (2-57b)(2-57b)（2 2）模间色散）模间色散 M(M(L L) ) = = M(1)M(1) L L （ 1 1） (2-58) (2-58) B BM(M(L L) ) = = B BM(1)M(1) / /L L （ 1 1） (2-59a)(2-59a)2.3.4.4 2.3.4.4 光纤总带宽的实测公式光纤总带宽的实测公式总的色散时间展宽测量公式为总的色散时间展宽测量公式为总的色散时间展宽测量公式为总的色散时间展宽测量公式为2221()Tns（2-612-61）2221441441(MHz)TTB(2-62)(2-62)2.3.5 2.3

48、.5 模场直径模场直径2.3.5.1 2.3.5.1 基本概念基本概念 表示基模光斑光强的集中程度。基模光斑的特点表示基模光斑光强的集中程度。基模光斑的特点是中间亮、四周渐暗，没有明显的边界，其近场光强是中间亮、四周渐暗，没有明显的边界，其近场光强近似为高斯分布。近似为高斯分布。 模场直径模场直径d dm m的最基本定义为的最基本定义为 d dm m = 2 = 2r r0 0 (2-70b)(2-70b) d dm m的物理意义：表示单模光纤近场光强的物理意义：表示单模光纤近场光强P P( (r r) )从最从最大值大值P P(0)(0)下降到下降到P P(0)/e(0)/e时所对应的光斑直

49、径大小。时所对应的光斑直径大小。 模场直径模场直径d dm m与纤芯直径与纤芯直径2 2a a的近似关系是的近似关系是: :d dm m /(2 /(2a a) 0.65+1.619) 0.65+1.619V V 1.51.5 + 2.879 + 2.879V V 6 6 (2-71) (2-71) d dm m /(2 /(2a a) )称为归一化模场直径。称为归一化模场直径。2.3.5.2 2.3.5.2 模场直径与接头损耗的关系模场直径与接头损耗的关系（1 1）两根光纤对准连接）两根光纤对准连接（2 2）两根光纤未对准连接）两根光纤未对准连接m1m2m2m1lg()22dddBdd222

50、m1m2sm1m2m2m120lg20lg exp 8/()()22ddddddBdd2.4 2.4 光纤连接方式光纤连接方式2.4.1 2.4.1 基本概念基本概念 光纤连接有两种方式，一种是永久性连接，光纤连接有两种方式，一种是永久性连接，另一种是非永久性连接。另一种是非永久性连接。 2.4.2 2.4.2 光纤连接器光纤连接器2.5 2.5 光纤在通信领域中的应用光纤在通信领域中的应用2.5.1 2.5.1 目前通信中常用的光纤目前通信中常用的光纤 (1) ITU-T G.651 (1) ITU-T G.651光纤（国标光纤（国标A1A1型多模光纤）型多模光纤） (2) G.652 (2

51、) G.652光纤（国标光纤（国标B1B1型常规单模光纤）型常规单模光纤） (3) G.653(3) G.653光纤（国标光纤（国标B3B3型单模光纤）型单模光纤） (4) G.654(4) G.654光纤（国标光纤（国标B2B2型单模光纤）型单模光纤） (5) G.655(5) G.655光纤（国标光纤（国标B4B4型单模光纤）型单模光纤）2.5.2 2.5.2 光纤（光缆）应用概况光纤（光缆）应用概况 (1) (1) 核心网光缆核心网光缆 (2) (2) 接入网光缆接入网光缆 (3) (3) 室内光缆室内光缆 (4) (4) 电力线路中的通信光缆电力线路中的通信光缆 (5) (5) 汽车用

52、光缆汽车用光缆第第2 2章完章完2.62.6* * 光纤的特性测量光纤的特性测量2.6.1 2.6.1 概述概述（1 1）测量参数）测量参数 类别类别 项目项目结构参数（几何参数）结构参数（几何参数） 芯径、外径（芯径、外径（2b2b）、）、 1 1 偏心率、偏心率、 不圆度、不圆度、 1 1 倾斜度、长度、倾斜度、长度、折射率分布折射率分布光学参数光学参数 数值孔径、模场直径、数值孔径、模场直径、 截止波长截止波长cc传输参数传输参数 损耗、色散、基带响应损耗、色散、基带响应机械性能机械性能 抗拉强度、筛选试验抗拉强度、筛选试验环境性能环境性能 温度特性温度特性（2 2）光纤的测量方法）光纤

53、的测量方法多模光纤参数测量方法多模光纤参数测量方法项目项目 基准方法基准方法 代用方法代用方法几何尺寸几何尺寸 折射近场法折射近场法 近场法近场法折射率分布折射率分布 折射近场法折射近场法 近场法近场法 理论数值孔径理论数值孔径 远场光强法远场光强法 折射近场法折射近场法损耗系数损耗系数 剪断法剪断法 背向散射法背向散射法 或插入损耗法或插入损耗法模式带宽模式带宽 时域法或频域法时域法或频域法单模光纤参数测量方法单模光纤参数测量方法项目项目 基准方法基准方法 代用方法代用方法模场直径模场直径 远场扫描法远场扫描法 可变孔径法、可变孔径法、 远场掩膜法远场掩膜法截止波长截止波长 传输功率法传输功

54、率法 跑道半圆分离法跑道半圆分离法损耗系数损耗系数 剪断法剪断法 背向散射击法、插入损耗法背向散射击法、插入损耗法总色散系数总色散系数 相移法相移法 脉冲时延法、干涉法脉冲时延法、干涉法（3 3）光纤测量的基本条件）光纤测量的基本条件一般的光纤参数测量要得到正确结果，必须一般的光纤参数测量要得到正确结果，必须方法正确、仪表精密、操作细心、环境清洁方法正确、仪表精密、操作细心、环境清洁还需注意两点：还需注意两点：l光纤试样的制备光纤试样的制备l光的注入条件光的注入条件（1 1）芯直径）芯直径2a2a取折射率为取折射率为所对应圆周的直径为纤芯直径。所对应圆周的直径为纤芯直径。 = = + k+ k

55、（ - - ） 其中其中 ：芯区内的最大折射率，：芯区内的最大折射率，：包层折射率包层折射率k k的取值与测量方法和数据处理过程有关：的取值与测量方法和数据处理过程有关：I I）若用近场法测）若用近场法测n n（r r），并用抛物线对测量曲线进），并用抛物线对测量曲线进行拟合，则行拟合，则k=0k=0IIII）直接在测量曲线上取参数）直接在测量曲线上取参数 k=0.025k=0.025（芯（芯/ /包层过渡不太平缓）包层过渡不太平缓） k=0.05k=0.05（芯（芯/ /包层过渡明显平缓）包层过渡明显平缓）2.6.22.6.2结构结构 、几何参数、几何参数 n（r） n n3 n2 0 a

56、r 2.6-1 芯直径芯直径2a的测量的测量(2)包层外径包层外径2b2b 包层材料与一次涂敷材料差别显著包层材料与一次涂敷材料差别显著, ,在测量在测量时经常去除一次涂敷时经常去除一次涂敷。(3)(3)芯包层表面的不圆度芯包层表面的不圆度.如下图如下图(a)(a) max a minb QSO e （a） （b） （c） 2.6-2 光纤结构偏差参数定义光纤结构偏差参数定义minmax 6% 标称直径（4 4）芯）芯/ /包层不同心度包层不同心度e / 2ae / 2a如图如图 (b)(b)，有时用，有时用e e 表示，称表示，称”偏心量偏心量”芯的不圆度芯的不圆度= 6%= 6%参考表面（

57、包层）的不圆度参考表面（包层）的不圆度= 2%= 280mmD 280mm的圆圈，增大的圆圈，增大，测，测量一段波长区间点的输出功率变化量一段波长区间点的输出功率变化P P1 1（ii）。）。*在光波长低于入在光波长低于入c c时应使光纤中只有这两种时应使光纤中只有这两种模式传输。模式传输。在在2 2状态下（样品光纤增绕状态下（样品光纤增绕D 60mmD 60mm的圆圈或用的圆圈或用另一短段多模光纤连接光源和探测器），测相另一短段多模光纤连接光源和探测器），测相同波长段参考信号的变化规律同波长段参考信号的变化规律P P2 2（ i i）。）。* *为消除光源光谱的影响为消除光源光谱的影响不同入

58、、不同不同入、不同时间不均匀。时间不均匀。画典线画典线R R （dBdB） C C 的法则将输出功率陡降后的平稳段看作直的法则将输出功率陡降后的平稳段看作直线，向上平移线，向上平移0 0。1dB1dB的直线与的直线与R R（）曲线下）曲线下降段的交点即对应降段的交点即对应C C12( )( )10lg( )pp光源光源探测器探测器数据数据处理处理A A单模光纤样品单模光纤样品 波长可变波长可变 60 280 多模光纤（多模光纤（12m12m） 波长信号波长信号a.a.原理原理框图框图2.6-5 2.6-5 传输功率法传输功率法C C示意图示意图 01dB C C umum （b b）典型曲线（

59、用多模光纤取参考信号）典型曲线（用多模光纤取参考信号） 2.6-52.6-5 传输功率法传输功率法C C示意图示意图2.6.4.12.6.4.1光纤损耗光纤损耗(1(1）剪断法）剪断法基准测量法基准测量法适用于光纤及所有无源器件适用于光纤及所有无源器件SMO EP B 光纤 AL 2.6-6 2.6-6 剪断剪断法测量装置基本框图法测量装置基本框图 2.6.4 2.6.4 光纤的传输特性参数光纤的传输特性参数 光源光源S S发出的稳定光功率以一定方式注入到发出的稳定光功率以一定方式注入到光纤之中，光纤的初始段经过一段模处理装置光纤之中，光纤的初始段经过一段模处理装置M M，在光功率计先测出光纤

60、末端在光功率计先测出光纤末端A A输出的光功率输出的光功率P P2 2，在距在距M M约约1212米处米处B B点剪断光纤测得点剪断光纤测得P P1 1，特点：设备简单，准确性较高，但有一定特点：设备简单，准确性较高，但有一定的破坏性，不利于工程现场使用。的破坏性，不利于工程现场使用。121 0lgPLP满注入满注入+M+M 满注入是规定光源经一定的光学系统处理后，满注入是规定光源经一定的光学系统处理后，在光纤端面上形成的入射光斑直径在光纤端面上形成的入射光斑直径大于大于纤芯直径，纤芯直径，而且，入射光锥的光锥角而且，入射光锥的光锥角大于大于光纤的数值孔径角光纤的数值孔径角。2.6-72.6-