光通信技术第二章 ppt课件

1、2.1 光纤构造和类型光纤构造和类型 2.1.1 光纤构造光纤构造 2.1.2 光纤类型光纤类型2.2 光纤传输原理光纤传输原理 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 2.2.2 光纤传输的动摇光纤传输的动摇实际实际2.3 光纤传输特性光纤传输特性 2.3.1 光纤色散光纤色散 2.3.2 光纤损耗光纤损耗 2.3.3 光纤规范和运用光纤规范和运用2.4 光缆光缆 2.4.1 光缆根本要求光缆根本要求 2.4.2 光缆构造和类型光缆构造和类型 2.4.3 光缆特性光缆特性第第 2 章章 光纤和光缆光纤和光缆前往主目录2.1 光纤构造和类型光纤构造和类型 2.1.1 光纤构造光纤构造 光纤光纤O

2、ptical Fiber是由中心的纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比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。包层更低，光能量主要在纤芯内传输。使大部分的光被束缚在纤芯中传输，使大部分的光被束缚在纤芯中传输， 实实现光信号的长间隔传输。现光信号的长间隔传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械维护作用。离，并起一定的机械维护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为设纤芯和包层的折射率分别为n1和和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是，光能量在光纤中传输

3、的必要条件是n1n2。图图2.1 光纤的外形光纤的外形包层n2纤芯n1 2.1.2 光纤类型光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英度石英SiO2制成的光纤。制成的光纤。适用光纤主要有三种根本类型，适用光纤主要有三种根本类型， 突变型多模光纤突变型多模光纤Step-Index Fiber, SIF 渐变型多模光纤渐变型多模光纤Graded-Index Fiber, GIF 单模光纤单模光纤Single-Mode Fiber, SMF 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型

4、光纤的纤芯直径都很大，可以包容数百个方式，所以称为多模光纤直径都很大，可以包容数百个方式，所以称为多模光纤 图图 2.2三种根本类型的光纤三种根本类型的光纤(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 单模单模光纤光纤 横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)主要用途：主要用途： 突变型多模光纤只能用于小容量短间隔系统。突变型多模光纤只能用于小容量短间隔系统。 渐变型多模光纤适用于中等容量中等间隔系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等

5、间隔系统。 单模光纤用在大容量长间隔的系统。单模光纤用在大容量长间隔的系统。 特种单模光纤大幅度提高光纤通讯系统的程度特种单模光纤大幅度提高光纤通讯系统的程度 1.55m色散移位光纤实现了色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的容量的100 km的超大容量超长间隔系统。的超大容量超长间隔系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可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。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三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，添加传输间隔。的光功率，添加传输间隔。 偏振坚持光纤用在外差接纳方

6、式的相关光系统，偏振坚持光纤用在外差接纳方式的相关光系统， 这种系统最大优点是提高接纳灵敏度，添加传输间隔。这种系统最大优点是提高接纳灵敏度，添加传输间隔。 2.2 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： 几何光学法几何光学法 麦克斯韦动摇方程法麦克斯韦动摇方程法 2.2.1 几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径 时间延迟 经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 图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理1. 突变型多模光纤突变型多模光纤 数值孔径数值孔径 为简便起见，

7、以突变型多模光纤的交轴为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午子午)光线为例，进光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。一步讨论光纤的传输条件。 设纤芯和包层折射率分别为设纤芯和包层折射率分别为n1和和n2，空气的折射率，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z轴一致，轴一致， 如图如图2.4。 光线在光纤端面以小角度光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯从空气入射到纤芯(n0n2)。 根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2)n

8、0=1，由式2.2经简单计算得到 式中=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。 NA表示光纤接纳和传输光的才干，NA(或c)越大，光纤接纳光的才干越强，从光源到光纤的耦合效率越高。 对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，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，因此限制了信息传输容量。 所以要根据实践运用场所，选择适当的NA。 212221nnnNA(2.3)时间延迟 根据图2.4，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所阅历的路程为l(oy)， 在不大的条件下，其传播时间即时间延迟为 式中c为真空中的光速

9、。由式(2.4)得到最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差近似为 )21 (sec211111cLnclncln(2.4)cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5) 这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。 由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。 图 2.5 渐变型多模光纤的光线传播原理 oidzrirmp纤芯n(r)r*zr0dr2. 渐变型多模光纤渐变型多模光纤 由此可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输间隔z的正弦函数，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

10、决于光纤的构造参数(a, )， 而与入射角0无关。 2 自聚焦效应 为察看方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0, ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到)sin()0(0AzAnr(2.14a) *=0cos(Az) (2.14b) 这阐明不同入射角相应的光线， 虽然阅历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，见图2.5和图2.2(b)， 这种景象称为自聚焦(Self-Focusing)效应。 4. 单模光纤的方式特性 单模条件和截止波长 单模传输条件为 V=2.405 或c= c405. 2V 由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长c，当c时

11、，是单模传输，这个临界波长c称为截止波长。由此得到405. 222221nnaV(2.36)2.3 光纤传输特性光纤传输特性 产生信号畸变的主要缘由是光纤中存在色散，产生信号畸变的主要缘由是光纤中存在色散，损耗和色散是光纤最重要的传输特性：损耗和色散是光纤最重要的传输特性： 损耗限制系统的传输间隔损耗限制系统的传输间隔 色散那么限制系统的传输容量色散那么限制系统的传输容量 2.3.1 光纤色散光纤色散 1. 色散、色散、 带宽和脉冲展宽带宽和脉冲展宽 色散色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。同成分

12、的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。 色散的种类：色散的种类： 方式色散：由于不同方式的时间延迟不同而产生的方式色散：由于不同方式的时间延迟不同而产生的 资料色散：由于光纤的折射率随波长而变化，不同资料色散：由于光纤的折射率随波长而变化，不同成分的光时延不同而产生的成分的光时延不同而产生的 波导色散：由于波导构造参数与波长有关二产生的波导色散：由于波导构造参数与波长有关二产生的)/(lg100kmdBPPLi(2.61a) 2.3.2 光纤损耗 损耗的存在 光信号幅度减小 限制系统的传输间隔 。 在最普通的条件下，在光纤内传输的光功率P随间隔z的变化，可以用下式表示习惯上的单位用dB/km

13、， 由式(2.60)得到损耗系数Po=Pi exp(-L) (2.60) 设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，根据式(2.59)，输出光功率应为 式中，是损耗系数。PdzdP(2.59) 1. 损耗的机理 图2.15是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。 吸收损耗 是由SiO2资料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 散射损耗 主要由资料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh )散射和由光纤构造缺陷(如气泡)引起的散射产生的。 瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决议着光纤损耗的最低实际极限。 图 2.15 单模光纤损耗谱

14、， 示出各种损耗机理 0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实 验波 导 缺 陷紫 外 吸 收瑞 利 散 射红 外吸 收波 长 / m损 耗 / (dBkm 1)2.3.3 光纤规范和运用光纤规范和运用 G.651多模渐变型多模渐变型(GIF)光纤光纤 运用于中小容量、中短间隔运用于中小容量、中短间隔的通讯系统。的通讯系统。 G.652常规单模光纤常规单模光纤 是第一代单模光纤，其特点是在波是第一代单模光纤，其特点是在波长长1.31 m色散为零，系统的传输间隔只受损耗的限制。色散为零，系统的传输间隔只受损耗的限制。 G.653色散移位光纤色散移位光纤 是第

15、二代单模光纤，其特点是在波是第二代单模光纤，其特点是在波长长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长间隔通讯系统。间隔通讯系统。 G.654 1.55 m损耗最小的单模光纤损耗最小的单模光纤 其特点是在波长其特点是在波长1.31 m色散为零，在色散为零，在1.55 m色散为色散为1720 ps/(nmkm)，和常，和常规单模光纤一样，但损耗更低，可达规单模光纤一样，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。以下。 色散补偿光纤色散补偿光纤 其特点是在波长其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。具有大的负色散。 G.655非零色散光纤

16、非零色散光纤 是一种改良的色散移位光纤。是一种改良的色散移位光纤。2.4 光缆光缆 在实践工程运用中，需求把假设干根光纤绞合成缆，在外面再加上维护套，以防止外界各种机械压力和施工过程中能够发生的损伤。光缆的构造取决于用途可根据不同需求进展设计。有些在光纤外加一层塑料外套，有些是运用钢质加强心之类的加强资料以保证光缆具有足够的机械强度。 2.4.2 光缆构造和类型 光缆普通由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。 1. 缆芯 缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。 被覆光纤是光缆的中心，决议着光缆的传输特性。 加强件起着接受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。

17、图 2.20光缆类型的典型实例 (a) 6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b) 12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c) 12芯骨架式光缆(直埋)；(d) 648芯束管式光缆(直埋)；(e) 108芯带状光缆；(f) LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g) 浅海光缆；(h) 架空地线复合光缆(OPGW)填充油膏紧套光纤中心加强件包带铝纵包PE护层(a)填充绳(聚乙烯)第一单元松套管( 6芯)第二单元松套管( 6芯)包带皱纹钢带PE层尼龙 12外护层中心加强件填充油膏(b)PE外 护层皱纹钢带塑料骨架中心加强件紧套光纤(c)PE外护层铝纵包钢丝(分散加强)高强度塑料光纤束管6 48 芯光纤(d)外护层金属加强件塑料绕包带带状光纤单元带状线(e)单根金属加强件高密度 PE护层开索邹纹钢护套防潮层高强度塑料束管4 48 芯光纤(f)内金属或高强度塑料线光纤光纤或聚乙烯填充线聚乙烯铜管聚乙烯聚丙烯内层钢丝铠装外层钢丝铠装(g)隔热衬材光纤高强度塑料线铝管铝扇形体铝包钢线(h)光纤塑料光缆光缆 的根本型式的根本型式层绞式层绞式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。 骨架式骨架式 把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件