光纤结构和类型最新版本

1、.第第 2 章章 光纤光纤2.1 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 2.1.1 2.1.1 光纤结构光纤结构 2.1.2 2.1.2 光纤类型光纤类型2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理 2.2.1 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 2.2.2 2.2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论.2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性 2.3.1 2.3.1 光纤色散光纤色散 2.3.2 2.3.2 光纤损耗光纤损耗 2.3.3 2.3.3 光纤标准和应用光纤标准和应用. 教学重点及难点教学重点及难点重点重点: : 一、分析光纤的导光原理；一、分析光纤的导光原理； 二、理解二、理解

2、光纤损耗和色散的概念光纤损耗和色散的概念 ； 三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。难点：难点：. 光纤光纤（Optical Fiber）的）的典型结构典型结构是是多层同轴圆柱体，如图所示，自内向外多层同轴圆柱体，如图所示，自内向外由由纤芯纤芯、包层包层和和涂敷层涂敷层三部分组成。三部分组成。2.1 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型2.1.1 2.1.1 光纤结构光纤结构.光纤结构光纤结构图 . 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2

3、，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。 涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。. 2.1.2 2.1.2 光纤类型光纤类型高纯度石英( .2 2、光纤分类、光纤分类（1 1）按照制造光纤所用的材料按照制造光纤所用的材料分类有：分类有： 石英系光纤；石英系光纤； 多组分玻璃光纤；多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤；塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤。全塑料光纤。.（2 2） 按折射率分布情况按折射率分布情况分类分类：光纤主：光纤主要有三种基本类型：要有三种基本类型： 突变型多模光纤突变型多模光纤（多模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤） 渐变型多模光纤渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤多模渐变

4、射率光纤） 单模光纤单模光纤.突变型多模光纤突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF） 纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=5080m，光线光线以以折线形状折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。. 突变型多模光纤突变型多模光纤(多模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤).渐变型多模光纤渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF） 在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50m，光线光线以正弦形状正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。. 渐变型

5、多模光纤渐变型多模光纤( (多模渐变射率光纤多模渐变射率光纤) ).单模光纤单模光纤（Single Mode Fiber, SMF） 折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有810 m，光线光线以直线形状直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（只传输主模），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。.单模光纤单模光纤. 相对于而言，和的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤多模光纤。 渐变型多模光纤渐变型多模光纤和单模光纤单模光纤，包层外径2b都选用125m。 . 2a 2an1n2n3(a)(b)(b)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

6、结构和折射率分布下图所示： (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 .: : 色散平坦光纤色散平坦光纤（DFF） 色散移位光纤色散移位光纤（DSF） 改进的色散移位光纤改进的色散移位光纤 双折射光纤双折射光纤或偏振保持光纤偏振保持光纤。 .主要用途：主要用途： 突变型多模光纤突变型多模光纤 只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤渐变型多模光纤 适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤单模光纤 用在大容量长距离的系统。. 特种单模光纤大幅度提高光纤通信特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平系统的水平: : 1.55m色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km 的超大容量超长距

7、离系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。. 三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。 偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。.2.22.2 光纤传输原理光纤传输原理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： .2.2.1 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 用几何光学方法分析光纤传输原理，我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。. 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

8、 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布。 几何光学法分析问题的两个角度： 突变型多模光纤 渐变型多模光纤 .一、突变型多模光纤一、突变型多模光纤 为简便起见，以的交轴光线(子午光线子午光线)为例，进一步讨论光纤的传输条件。 设和折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致。.二二. . 突变型多模光纤导光原理突变型多模光纤导光原理 突变型多模光纤导光原理图突变型多模光纤导光原理图. 与内光线内光线入射角的临界角c相对应，光纤入射光的入射角入射光的入射角i有一个最大值最大值max 。max 称为光纤端面入射临界角光纤端面入射临界角（简称入射临入射临界角界

9、角） 光纤端面入射临界角光纤端面入射临界角. 当imax时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线光线3 3。.半锥角 由此可见，只有在半锥角为max的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。.三、数值孔径三、数值孔径max). 得光纤的数值孔径为：得光纤的数值孔径为：max) =2221nn 光纤的数值孔径光纤的数值孔径n1n2直径直径. 光纤的数值孔径光纤的数值孔径，NA(或max)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的越高。 对于无损耗光纤，在max内的入射光都能在光纤中传输，如图。. 光纤的数值孔径光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能纤芯对光能量量的束缚越

10、强束缚越强，光纤抗弯曲性能越好； 但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而。 所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 . 四、相对折射率差四、相对折射率差2122212nnn n1 . 1212122212nnnnnnn1 .)0(2)0(2222nnn.光纤的数值孔径可表示为：光纤的数值孔径可表示为： 212221nnnNA.例题：例题： 设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。求: （1）相对折射率差 ； （2）数值孔径NA； （3）入射临界角max 。 .解：解：（1）相对折射率差）相对折射率差 ：500. 1485. 1500. 1121nnn（2）数

11、值孔径）数值孔径NA：01. 02500. 121nNA（3）入射临界角）入射临界角max)21. 0(sin)(sin11maxNA0.010.2112.12o.五五 时间延迟时间延迟 （时延）（时延）.cLnnncLTTT1221minmaxTT.T. 4 NA 与与T 21221)(2NAcnLnncLTNA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；但NA越大，模间色散越严重。 常用于通信的光纤的NA取值范围为: 0.10.3. 例：设光纤长度L=1km，数值孔径NA=0.20，纤芯折射率n1=1.5，求脉冲展宽T。 (ns)44) s (104 . 4)20. 0(103

12、5 . 12101)(2828321NAcnLT.六六 突变型多模光纤突变型多模光纤的的最大比特率距离积最大比特率距离积BL 光纤的最大比特率距离积BL定义212nncBLBL. 例：多模阶跃光纤，纤芯折射率n1=1.5，包层折射率n2，求其传输容量BL。km(Mbit/s)001km(bit/s)10107212nncBL002. 0121nnn21nn .2. 渐变型多模光纤渐变型多模光纤 渐变折射率光纤的折射率在纤芯中连续变化。 适当选择折射率的分布形式，可以使不同入射角的光线有大致相同的光程，从而大大减小群时延差。 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。.（1）渐变型光纤折

13、射率分布的普遍公式arnararnrng22100)(21 )(n1 和 n2 分别为纤芯中心和包层的折射率；r 和 a 分别为径向坐标和纤芯半径； 为相对折射率差；.g为折射率分布指数折射率分布指数， 的极限条件下，表示突突变型多模光纤变型多模光纤的折射率分布； ，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤渐变型多模光纤的折射率分布。 具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小.渐变型光纤折射率按平方律平方律(抛物线抛物线)分布:arnararnrn221200)(21 )(. 由于折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点不同，所以要定义局部数值孔

14、径局部数值孔径NA(r)和 222)()(nrnrNA2221maxnnNA.（2） 用分析要求解射线方程， 射线方程一般形式为ndzdndsd)(sn.将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中，对于近轴子午光线，射线方程可简化为：drdndzrdn22.射线方程为：02222radzrd这是二阶微分方程。这是二阶微分方程。 .得到光线的轨迹为)cos()sin()(21AzCAzCzraA2式中， ，C1和C2是待定常数，由边界条件确定。.得到光线的轨迹为)cos()sin()0()(0AzrAzAnzri. 当0=0时，光线平行光纤轴入射)cos()(Azrzri. 当ri=0时，光线在r=0，z

15、=0处以不同的入射角射入光纤得)sin()0()(0AzAnzr.自聚焦效应自聚焦效应 不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为。.具有，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟时间延迟也近似相等。 .max. 折射率按抛物线分布的渐变光纤最折射率按抛物线分布的渐变光纤最大时延差为大时延差为2max)0(21cLn渐变光纤渐变光纤.（5 5）渐变多模光纤的最大比特率距离）渐变多模光纤的最大比特率距离积积BL为为: :2)0(2ncBL.例1 一根多模的长度L=1km，纤芯的折射率n(0)=1.5，相对折射率差=0.01，求其传输容量B

16、L。 km(Gbit/s)4)0(22ncBL. 2.2.2 2.2.2 光在光纤中的模式传输光在光纤中的模式传输教学内容：教学内容： 一、模式的概念；一、模式的概念； 二、二、； 三、三、传条输件传条输件； 四、四、。. 2.2.2 2.2.2 光在光纤中的模式传输光在光纤中的模式传输一、模式的概念一、模式的概念 所谓的光纤光纤模式模式，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，电磁场的稳态分布。 这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式。 . 麦克斯韦方程组的求解表明，光纤中可能存在的模式有横电模TE、横磁模TM及混合模HE和EH

17、等四套模式。 .TE0 mHzEz=0TE0 m.TM0 mEzHz=0TM0 m.HEv m和 EHv mEZHZHEv m和 EHv m.HEv m和 EHv mHEv m EHv m.HE11Vc=0HE11.可得光纤中导波模的光纤中导波模的传输条件传输条件为为cVV V - 光纤的归一化频率光纤的归一化频率；Vc - 光纤的归一化光纤的归一化频率。频率。三、传条输件三、传条输件.光纤的归一化频率光纤的归一化频率 V22212221nannaV 光纤的归一化频率由纤芯和包层的相对折射率差、纤芯的半径以及传输光波长所决定； .四、单模光纤的模式特性四、单模光纤的模式特性 传输模式数目随V值

18、的增加而增多。 当 V 值减小时，不断发生， 逐渐减少。 特别值得注意的是当V 2.405时，只有HE11一个模式存在，其余模式全部截止。 HE11称为。 .由此得到为 405. 2221naV V -光纤的归一化频率光纤的归一化频率; n1-纤芯折射率纤芯折射率; -相对折射率差；相对折射率差； -传输光波长。传输光波长。. 已知突变型多模光纤=0.002=1.30m=1.55m. 对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个c ，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为。截止波长计算公式截止波长计算公式ananc112612. 2405. 222. 2.3 光纤传输特性光纤传输特性 产生信

19、号畸变信号畸变的主要原因是光纤中存在。是光纤最重要的传输特性传输特性。.2.3.1 光纤色散光纤色散 光纤的色散概念光纤的色散概念在物理光学中，色散是指由于某种物理原因使具有不同波长的光经过透明介质后被散开的现象。.对光纤通信的影响对光纤通信的影响光纤色散光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变和展宽，从而产生码间干扰。为了保证通信质量，必须增大码间间隔，即降低信号的传输速率，这就限制了光纤系统的通信容量和传输距离。.的种类的种类. （1 1）模式色散）模式色散 模式色散模式色散是由于不同模式不同模式的时间延迟不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。. （2 2）材

20、料色散）材料色散 材料色散材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变，不同波长成分的光，其时间延迟不同而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。)(nn 材料色散材料色散. （3 3）波导色散）波导色散 波导色散波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。波导色散波导色散)(.（4 4）极化色散）极化色散 由于 HE11y 和 HE11x 模的传播常传播常数数y 和x 小不同，因此引起这两个模式传输的不同步，从而形成色散。这种色散叫做极化色散极化色散。.模式色散模式色散 材料色散材料色散 波导色散波导色散 极化色散极化色散 光纤

21、这四种色散的大小有如下关系：光纤这四种色散的大小有如下关系：.5、色散的表示、色散的表示 色散的大小色散的大小常用时延差时延差(脉冲展宽)来表示，而时延差是光脉冲的不同模式或不同波长成分传输同样距离所需的时间。用脉冲展宽脉冲展宽表示时，光纤色散光纤色散可以写成222wmn. n ； m； w 222wmn.二、多模光纤的色散二、多模光纤的色散cLncnLn1221.2)0(21cnL.三、单模光纤的色散三、单模光纤的色散1 1、色散系数、色散系数 理想单模光纤没有模式色散，只有材料色散和波导色散。材料色散和波导色散总称为波长色散波长色散，它是时间延迟随波长变化产生的结果。.LD1)(km)mp

22、s/(n 单模光纤的波长色散用D() 度量，其单位是，即单位波长间隔（1nm）的两个频率成分在光纤中传播1km时 所产生的群时延差。在工程中将称为色散系数。即定义为：. 经过复杂推导，合理简化，得到单位长度的单模光纤色散系数为)()(1)(WmDDLD色散系数 D km)mps/(n.2 2、单模光纤、单模光纤色散系数色散系数)()()(WmDDD上式右边第一项第一项 Dm 为材料色散材料色散; ;上式右边第二项第二项 DW 为波导色散。波导色散。.（1）、材料色散）、材料色散 Dm 其值由实验确定, SiO2材料的近似经验公式为)12731 (123)(mDkm)ps/(nm 计算和实验发现

23、：计算和实验发现： 石英光纤石英光纤在波长波长 1273nm处，Dm=0， 1273nm， Dm为正值正值。.（2）、波导色散）、波导色散DW 计算和实验得出计算和实验得出, 普通单模光纤的普通单模光纤的波导波导色散系数色散系数 DW波长 01.8 m 范围都是负值都是负值。 其绝对值绝对值则 由由 纤芯半径纤芯半径、相对折射率相对折射率差差及折射率的分布规律折射率的分布规律确定确定。 一般讲，纤芯半径越小纤芯半径越小，折射率差越大折射率差越大，波导色散也越负波导色散也越负。但与波长的变化不大。.3、单模光纤色散特性单模光纤色散特性.在一定的波长范围内，波导色散与材料色散具有相反的符号。波导色

24、散使零色散波长0 从 1273 nm向右移动了37nm 左右，总色散在=1310nm 附近为零，即零色散波长0=1310 nm. 零色散波长零色散波长0=1310 nm的石英光纤是一种常规单模光纤常规单模光纤，国际电信联盟电信标准化机构 ITU T 将其命名为G.652 光纤光纤。这种光纤既可用于 1.31 m 波长区，也可用于1.55 m 波长区，是一种可供双窗口双窗口应用的单模光纤。 .G.652光纤性能特点性能特点是： 1) 在 1.31m波长处的色散为零色散为零，衰减系数约为0.35dB/km，。 2）在波长为1.55 m附近衰减系数最小，约为 0.22dB/km，但在1.55 m 附

25、近其具有最大色散系数，为17 ps/(nmkm)。 3）它的最佳工作波长在1.31m 区域。.G.653色散位移单模光纤色散位移单模光纤 通过改变通过改变光纤光纤的结构参数结构参数、折射率分布折射率分布形状形状，力求加大波导色散，从而将零色散波零色散波长长0从 1.310m 位移位移到1.550m，实现1.550m处最低衰减最低衰减和零色散波长零色散波长一致。这种光纤称为色散位移单模光纤色散位移单模光纤, ITU T 将其命名为G.653光纤光纤。.G.653光纤性能特点性能特点是： G.653光纤光纤工作波长在1.550m区域，它非常适合于长距离单信道长距离单信道光纤通信系统。. 由于G.6

26、53光纤光纤在1.550m处色散为零色散为零，所以在掺铒光纤放大器（大光功率影响）通道进行波分复用信号波分复用信号传输时，存在的严重问题是：在1.550m波长区的零色散产生了四波混频四波混频非线性效应非线性效应。因此，G.653光纤不能应用于密集波分复用传输系统不能应用于密集波分复用传输系统。.G.655 非零色散位移单模光纤非零色散位移单模光纤 为了解决G.652 光纤在1.550m处的色散限制色散限制问题和G.653光纤在1.550m处零色散产生了四波混频非线性效应的影响。. 在G.653光纤的基础上光纤的基础上通过过改变光纤的结构参数、折射率分布形状的方法，使得这种光纤在1.550m波长处的色散不色散不为零为零，零色散波长不在1.55m，而在1.525m或1.585 m。故其被称为非零色非零色散位移单模光纤散位移单模光纤，ITU T 将其命名为G.655光纤光纤。.G.655 光纤性能特点性能特点是： .G.655 光纤性能特点性能特点是： .G.652、