第2章光纤和光缆-1

1、 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆1 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆2本章内容本章内容光纤的结构和类型光纤的导光原理光纤的特性光缆的结构和种类光纤的熔接本章重点本章重点光纤的结构和类型光纤的特性光缆的种类光纤的熔接本章的难点本章的难点光纤的导光原理 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆3学习本章的目的和要求学习本章的目的和要求 掌握光纤的结构和类型掌握光纤的结构和类型 了解光纤的导光原理了解光纤的导光原理 掌握光纤的特性掌握光纤的特性 掌握光缆的结构和种类掌握光缆的结构和种类 掌握光纤的熔接掌握光纤的熔接 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆4 2.1.1 光纤的结构光纤的结构 光纤

2、由光纤由纤芯、包层和涂覆层纤芯、包层和涂覆层3部分部分构成的同心圆柱体构成的同心圆柱体，如图所示。如图所示。图图2-1 2-1 光纤的结构光纤的结构单模光纤内径：单模光纤内径：9m多模光纤内径：多模光纤内径：50m外径：外径：125m尺寸规格：尺寸规格：纤纤 芯芯包包 层层涂敷层涂敷层护护 套套2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆5图图2-1 2-1 光纤的结构光纤的结构 纤芯：纤芯：完成光信号的传输完成光信号的传输 包层：包层：将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯将光信号封闭在纤芯中并保护纤芯 纤芯的折射率纤芯的折射率大于大于包层的折射率包层的折射率.动画

3、演示动画演示第一第一部分部分 光纤导光原理光纤导光原理及其传输特性及其传输特性光纤光纤结构示意图结构示意图.swf 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆6（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位 单模光纤的纤芯一般为单模光纤的纤芯一般为8mm10mm 多模光纤的纤芯为多模光纤的纤芯为50m或或62.5m。 纤芯的成分是高纯度纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），），作用作用是提高纤芯对光的折射率（是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。），以传输光信号。（2）包层：包层位于纤芯的周围）包层：包层位于纤芯的周

4、围 直径直径d2=125m，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如。而掺杂剂（如B2O3）的）的作用作用则是适当降低包层对光的则是适当降低包层对光的折射率（折射率（n2），使之），使之略低于略低于纤芯的折射率，即纤芯的折射率，即n1n2，它使得，它使得光信号封闭在纤芯中传输。光信号封闭在纤芯中传输。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆7 （3）涂覆层：）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆一次涂覆层，缓冲层层，缓冲层和和二次涂覆层。二次涂覆层。 一次涂覆层一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅丙烯酸酯、有机硅或

5、硅橡胶材料硅橡胶材料； 缓冲层缓冲层一般为性能良好的填充油膏填充油膏； 二次涂覆层二次涂覆层一般多用聚丙烯聚丙烯 或 尼龙尼龙 等高聚物。 涂覆的作用涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆82.1.2 光纤的分类光纤的分类n按工作波长：按工作波长：短波长(850nm)和长波长(1310nm、1550nm)n按折射率分布：按折射率分布：阶跃(突变)型(SI)、渐变(梯度)型(GI)n按套塑结构：按套塑结构：紧套光纤和松套光纤n按传输模

6、数（模式）：按传输模数（模式）：多模光纤和单模光纤n按材料：按材料：石英（SiO2掺有适当的杂质）光纤、塑料光纤等n 按按ITU-TITU-T标准标准( (单模光纤）：单模光纤）：ITU-T建议G.652、G.653、G.654和G.655单模光纤 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆9 1按传输波长分类按传输波长分类 光纤可分为光纤可分为短波长短波长光纤和光纤和长波长长波长光纤。光纤。 短波长短波长光纤的波长为0.85m（0.8m0.9m）长波长长波长光纤的波长为1.3m1.6m，主要有1.31m和1.55m两个窗口。光纤的衰减图光纤的衰减图 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

7、1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰减(dB/km)水峰值6 54321 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆n.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性光纤损耗.swf10 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆11n2. 2. 按折射率分布分类：按折射率分布分类：n光纤可分为阶跃光纤可分为阶跃( (突变突变) )型型(SI)(SI)、渐变、渐变( (梯度梯度) )型型(GI)(GI)阶跃阶跃(突变突变)型型(SI)渐变渐变(梯度梯度)型型(GI)光纤的结构光纤的结构n石英玻璃、石英玻璃、塑料或晶体塑料或晶体n纤芯纤芯( (折射率折射率大大) )

8、和包层和包层n全反射全反射: :1 12 2 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆12三种主要类型光纤图图 2-22-2 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆n.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性多模阶跃光纤中光线传播路径.swfn.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性多模渐变光纤中光线传播路径.swfn.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性渐变光纤中光的传输原理.swfn.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性单模光纤传播途径.swfn.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性三种主要类型光纤中光线传播路径比较.swf13 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆143

9、按套塑结构分类：按套塑结构分类：按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。紧套光纤：紧套光纤：就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤：松套光纤：就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。以在套管中自由活动。图图2-3 2-3 套塑光纤结构套塑光纤结构 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆15 4按传输模数分类按传输模数分类 按传输模

10、的数量不同，光纤分为按传输模的数量不同，光纤分为多模光纤多模光纤和和单模光纤单模光纤。 传播模式概念：传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸尺寸远大于远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播（如图播模式进行传播（如图2-4所示）。这些不同的光束称为所示）。这些不同的光束称为模式模式。图2-4 光在阶跃折射率光纤中的传播 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆16以不同角度入射到光纤端面上的光线在光纤中形成以不同角度入射到光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传播模式；不同的传播

11、模式；沿光纤轴传播的叫沿光纤轴传播的叫基模基模，相继有一次模、二次模等。，相继有一次模、二次模等。模次较高的叫模次较高的叫“高次模高次模”。图2-4 光在阶跃折射率光纤中的传播 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆17 （1）多模光纤）多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长）远大于光波波长时（约时（约1m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤多模光纤。图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播.动画演示动

12、画演示第一部分第一部分 光纤导光原理及其传输特性光纤导光原理及其传输特性光在光纤中的模光在光纤中的模式传播式传播.swf 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆18（2）单模光纤）单模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1 ）较小，与光波长在）较小，与光波长在同一数量级，如芯径同一数量级，如芯径d1 在在8m10m范围，这时，光纤只允范围，这时，光纤只允许一种模式许一种模式（基模）（基模）在其中传播，其余的在其中传播，其余的高次模高次模全部截止，全部截止，这样的光纤称为单模光纤。如图这样的光纤称为单模光纤。如图2-7所示。所示。图2-7 光在单模光纤中的传播轨迹 第第

13、2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆195按光纤的材料分类按光纤的材料分类根据光纤的组成材料不同，光纤分为：根据光纤的组成材料不同，光纤分为：石英玻璃石英玻璃光纤：以光纤：以SiO2为主要材料，适当添加改变折射率为主要材料，适当添加改变折射率的材料制成。的材料制成。特点：特点：耐火性高，损耗低。耐火性高，损耗低。多组分玻璃光纤：多组分玻璃光纤：由二氧化硅、氧化纳、氧化钙等多组分由二氧化硅、氧化纳、氧化钙等多组分玻璃材料制成。玻璃材料制成。特点：特点：光纤损耗较低，但可靠性较差。光纤损耗较低，但可靠性较差。石英芯塑料包层光纤：石英芯塑料包层光纤：纤芯材料用石英，包层用硅树脂。纤芯材料用石英，包层用硅

14、树脂。特点：特点：仅适应仅适应-50+70 范围内工作范围内工作塑料光纤：塑料光纤：纤芯和包层均用塑料制成。纤芯和包层均用塑料制成。特点：特点：价格低廉，价格低廉，但损耗大，可靠性不高。但损耗大，可靠性不高。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆20 6单模光纤的分类单模光纤的分类 ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。G.651光纤光纤 (渐变型多模光纤)：中小容量、中短距离通信G.652光纤光纤(常规单模光纤常规单模光纤)：应用最广的单模光纤：应用最广的单模光纤 G.653光纤光纤(色散位移光纤)：较少采用G.654光纤光纤(截止波长光纤)：弯曲性

15、能好，应用于海底光纤通信G.655光纤光纤(非零色散位移光纤非零色散位移光纤)：适用于高速、大容量、高密集波分复用系统 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆21（1）G.652光纤光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（标准单模光纤（SMF），），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤。1310nm：损耗0.30.4dB/km；色散 3.5ps/(nmkm)1550nm：损耗0.170.25dB/km；色散 1720ps/(nmkm) （2）G.653光纤光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（色散位移光纤（DSF），），是指色散零点y在1550nm附近的光纤，它相对于G.65

16、2光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆22（3）G.654光纤光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海主要应用于海底光纤通信底光纤通信。（4）G.655光纤光纤 由于G.653光纤的色散零点在1550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的DWDM工作波长范围内。种光纤就是非零色散位移光纤

17、（非零色散位移光纤（NDSF）。）。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆23这四种单模光纤的这四种单模光纤的主要性能指标主要性能指标是是衰减、色散、衰减、色散、偏振模色散（偏振模色散（ PMD）和模场直径）和模场直径 。另：另：G.653光纤是为了优化光纤是为了优化1550nm窗口的色散性窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于能而设计的，但它也可以用于1310nm窗口的传输。窗口的传输。由于由于G.654光纤和光纤和G.655光纤的截止波长都大于光纤的截止波长都大于1310nm，所以，所以G.654光纤和光纤和G.655光纤不能用于光纤不能用于1310nm窗口。窗口。 第第2 2章章 光纤和

18、光缆光纤和光缆24（5）G.656光纤光纤 G.656光纤光纤是一种宽带光传输非零色散位移光纤。是一种宽带光传输非零色散位移光纤。 G.656光纤与光纤与G.655光纤不同点：光纤不同点：工作带宽宽，为工作带宽宽，为14601625nm （ G.655 为为15301625nm）色散斜率更小（更平坦）（色散斜率更小（更平坦）（ G.656色散斜率基本为色散斜率基本为零）零） 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆25（6）有效大面积光纤）有效大面积光纤 有效大面积光纤（有效大面积光纤（LEAF）为了适应更大容量、更长距离的为了适应更大容量、更长距离的WDM系统应用而出现。适用于参饵光纤放大器（系

19、统应用而出现。适用于参饵光纤放大器（EDFA）和部分）和部分复用（复用（WDM）技术的网络。）技术的网络。（7）色散补偿光纤）色散补偿光纤 色散补偿光纤色散补偿光纤是一种具有负色散的光纤。它是针对现已敷设是一种具有负色散的光纤。它是针对现已敷设的的G.652标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。标准单模光纤而设计的一种新型单模光纤。（8）全波光纤（）全波光纤（AWF） “全波光纤全波光纤”定义为定义为G.652c类光纤。它消除了常规光纤在类光纤。它消除了常规光纤在1385nm附近由于附近由于OH离子造成的损耗峰。离子造成的损耗峰。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆267. 新型光纤新型光纤

20、 （1）新型多模光纤）新型多模光纤 支持万兆以太网系统应用，支持万兆以太网系统应用，850nm波长上可以做到支持波长上可以做到支持10Gbit/s网络系统网络系统500m以上的传输距离。以上的传输距离。 （2）新型单模光纤）新型单模光纤 塑料光纤（塑料光纤（POF）：）： 适用与局域网工程适用与局域网工程 光子晶体光纤（光子晶体光纤（PCF）：适用于长途通信系统）：适用于长途通信系统 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆27光纤中光线的传播分两种情形：光纤中光线的传播分两种情形： 一种情形一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周

21、期与光纤轴线相交两次，这内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为种光线称为子子午射线午射线，那个包含光纤轴线的固定平面，那个包含光纤轴线的固定平面称为称为子午面子午面； 另一种情形另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线斜射线。光在阶跃折射率光纤中的传播 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆282.2 2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理1、光在光纤中传播的条件是什麽？、光在光纤中传播的条件是什麽？2、渐变光纤和阶跃光纤的导光过程、渐变光纤和阶跃光纤的

22、导光过程有何区别？有何区别？3、为什麽渐变光纤的色散比较小？、为什麽渐变光纤的色散比较小？ 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆292.2 2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 1折射和折射率折射和折射率 光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是参数就是折射率折射率，或称，或称折射指数折射指数。折射率可由下式确定：。折射率可由下式确定： n = c /v 其中：其中：v是光在某种介质中的速度，是光在某种介质中的速度，是光在真空中的速度。是光在真空中的速度。 在折射率为在折射率为 n 的介质中，光传播速度变为的介质中

23、，光传播速度变为 c/n，光波长变为，光波长变为 0/n（ 0表示光在真空中的波长）。表示光在真空中的波长）。表表2-1 2-1 不同介质的折射率不同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n1.0031.331.521.891.432.42 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆30反射定律：反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：13折射定律：折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin2 第第2 2章章 光纤和光缆光纤

24、和光缆31n3 3 反射角反射角1 1 = =3 3 n n1 1sinsin1 1 = n = n2 2sinsin2 2 反射定律反射定律折射定律折射定律k11法线介质介质介质介质n1n2n1 n2入射角入射角1 1、反射角、反射角3 3、折射角、折射角2 2三个角之间符合两个关系式：三个角之间符合两个关系式：32k3k2n n 折射率折射率n=c/vn=c/vK K1 1 入射光线入射光线K K折射光线折射光线K K反射光线反射光线1 1 入射角入射角2 2 折射角折射角 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆32【思考思考】：以上是以上是n1 n2时的情况，那么当时的情况，那么当n1n2

25、时的情况时的情况又如何呢？是否还能满足上述两个定律呢又如何呢？是否还能满足上述两个定律呢k3介质介质介质介质法线132n1n2k1k2n1 n2121 c 时，则折射角时，则折射角2必大于必大于 90，光射线不再进入介质，光射线不再进入介质而由界面全部反射回介质而由界面全部反射回介质，这，这种现象称为种现象称为全反射全反射。产生全反射的条件：产生全反射的条件：Fn1 n2F901 c应用：应用：光纤利用光波的全反射原理，将光波限制在纤芯光纤利用光波的全反射原理，将光波限制在纤芯中向前传播。中向前传播。c可由折射定律导出：可由折射定律导出：介介质质 介介质质 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆

26、n.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性光的折射与反射.swfn.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性子午光线在光纤中的传输.swf35 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆36 当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：线分成两束：反射光线和折射光线反射光线和折射光线（如图（如图2-9所示）。所示）。图图2-9 光的折射光的折射图图2-10 光的反射光的反射斯涅耳定律斯涅耳定律： 1 = 3 n1 sin 1 = n2 sin 2 全反射是光信号在光纤中传播的必要条件全反射是光信号在光纤中传播的必要条件 。反射定律反射定律

27、折射定律折射定律 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆37 2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（声波是靠空气或别的媒质前后压缩振动传播的，它的振动方向声波是靠空气或别的媒质前后压缩振动传播的，它的振动方向与传播相同，这类波我们称之为与传播相同，这类波我们称之为纵波纵波）。 如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位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，这样的光称为改变，这样的光称为线偏振光线偏振光，如图，如图2-11（c）和图）和图2-11（d）所示。所示。 从普通光源发出的光不是偏振光，而

28、是从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光自然光，如图，如图2-11（a）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，如图，如图2-11（b）所示。）所示。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆38图图2-11 光的偏振光的偏振 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆39平面波1821年菲涅尔：光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振动方向给定一个空间直角坐标系O

29、-xyz，假设一列平面波始终沿 z 方向传播，那么这列波可测量的电场可以表示为：其中：e为电场振动方向 w为光的角频率 k = 2p/为传播常数，表征相位变化的快慢E(z, t) = eEcos(wt - kz)Oyxzee 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆40偏振态偏振态根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：l 线偏振光l 椭圆偏振光l 圆偏振光Oyxzee 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆41E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t) Ex(z, t) = exE0 xcos(wt - kz)Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +

30、)这两个垂直分量之间的相位差满足 = 2mp, 其中m = 0, 1, 2,xyEE00arctan2/12020yxEEE线偏振光E0yE0 x 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆42椭圆偏振光 ( 2mp, m = 0, 1, 2,)2002020sincos2yyxxyyxxEEEEEEEE202000cos22tanyxyxEEEE椭圆偏振光 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆432022EEEyx圆偏振光特别地，当两个相互正交的分量E0 x = E0y = E0，且二者之间的相位差 = 2mp p/2时，椭圆偏振光变成圆偏振光：迎着光传播的方向观察，根据 取p/2和-p/2，圆偏

31、振光分为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光kztEekztEetzEyxwwpsincos,:200kzt wsinkzt wcos2p 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆44.视频视频光的偏振光的偏振1.flv.视频视频光的偏振光的偏振2.flv 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆45 3光的色散光的色散 如图如图2-12所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红、橙、黄、红、橙、黄、绿、青、蓝、紫绿、青、蓝、紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率对不同波长（

32、对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同不同，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间上散开。在空间上散开。图图2-12 自然光的色散自然光的色散 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆46n色散：色散：就是指一束含有不同颜色的光通过透光物质后就是指一束含有不同颜色的光通过透光物质后被散开成不同颜色的光的现象。被散开成不同颜色的光的现象。n产生原因产生原因很简单，就是白光是由很简单，就是白光是由7色光组成的，各种颜色光组成的，各种颜色的光的波长各不相同。色的光的波长各不相同。n波长不同的光波长不同的光在空气中的传播速度

33、相同，在玻璃中传在空气中的传播速度相同，在玻璃中传播速度则各不一样。播速度则各不一样。在一定范围内，波长越长，传播在一定范围内，波长越长，传播速度越快。速度越快。（观察）（观察） 【例例】 根据公式根据公式v=c/n() 其中：其中：c为光速为光速(3108m/s)，传，传播速度播速度v不同，折射率不同，折射率n()也不同，这就是说，石英玻璃也不同，这就是说，石英玻璃对波长不同的光呈现出不同的折射率。对波长不同的光呈现出不同的折射率。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆n.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性光纤色散.swfn.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性光纤材料色散.s

34、wfn.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性渐变型光纤色散.swf47 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆483. 3. 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析 光纤的光学特性有折射率分布、最大理论数值孔径、模场光纤的光学特性有折射率分布、最大理论数值孔径、模场直径及截止波长等。直径及截止波长等。 (1) 相对折射率差相对折射率差 1212122212nnnnnn 对于阶跃型光纤，假设对于阶跃型光纤，假设n2是包层折射率，是包层折射率， n1 是纤芯折是纤芯折射率，且射率，且 n1n2 ， n1 和和 n2 的差值大小直接影响光纤的的差值大小直接影响光纤的性能。故引入性能

35、。故引入相对折射率差相对折射率差表示其相差程度。表示其相差程度。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆49光纤中光线的传播分两种情形：光纤中光线的传播分两种情形： 一种情形一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为种光线称为子子午射线午射线，那个包含光纤轴线的固定平面，那个包含光纤轴线的固定平面称为称为子午面子午面；（2）阶跃型光纤中光射线种类）阶跃型光纤中光射线种类 z 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆50特点：特点：子午线：子午线：光线在一个周

36、期内两次穿越光纤轴心，成为锯光线在一个周期内两次穿越光纤轴心，成为锯齿波前进，子午线在光纤端面上的投影是一条齿波前进，子午线在光纤端面上的投影是一条过轴心的直线。过轴心的直线。斜射线：斜射线：是不经过光纤轴线的空间折线，从斜射线在光是不经过光纤轴线的空间折线，从斜射线在光纤端面上的投影看是限制在一定范围内传播的。纤端面上的投影看是限制在一定范围内传播的。 另一种情形另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线斜射线。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆51（3）子午线的

37、分析）子午线的分析 能在纤芯与包层界面上产生全反射的子午线才能能在纤芯与包层界面上产生全反射的子午线才能在纤芯中形成导波。由折射率得：在纤芯中形成导波。由折射率得：），（12sin01222111nnnnconnk)90sin(sinsin11310oknnn为保证光在光纤中的全反射，为保证光在光纤中的全反射，临界状态临界状态为为1=C，且且 SinSinc c= = 12nn可得：可得： 光在光纤中的全反射地传输，须满足光在光纤中的全反射地传输，须满足 2221sinnnk 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆n.动画演示第一部分 光纤导光原理及其传输特性子午光线在光纤中的传输.swf52

38、第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆53（4）数值孔径）数值孔径 表示捕捉光线能力的物表示捕捉光线能力的物理量定义为光纤的理量定义为光纤的数值孔数值孔径径NA。用。用max表示能为光表示能为光纤纤芯所捕捉的射线的最纤纤芯所捕捉的射线的最大入射角，则：大入射角，则：2sinsin12221maxnnnkn2n1n2纤芯包层kn031 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆54 最大理论数值孔径（最大理论数值孔径（NAmax） 最大理论数值孔径的最大理论数值孔径的定义定义为：为： 2)(1222112/12221maxnnnnnnNA其中，其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为为阶跃光纤均

39、匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。为均匀包层的折射率。光纤的数值孔径（光纤的数值孔径（NA）对光源耦合效率、光纤损耗、）对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系。弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系。 数值孔径大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。数值孔径大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆55根据根据全反射原理全反射原理， 存在一个临界角存在一个临界角max。l当当kmax时，相应的光线将在交界面折射进入时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线包层并逐渐消失，如

40、光线2。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆56max=arcsin(NA)n相对折射指数差：n数值孔径(NA)：2122212nnn2sin12221nnnNAmaxn1n2由此可见，只有在半锥角为由此可见，只有在半锥角为max的圆锥内入射的光的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。束才能在光纤中传播。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆57n光纤的数值孔径（光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差，而与光纤的直径无关。对折射率差，而与光纤的直径无关。nNA表示光纤接收和传输光的能力，表示光纤接收和传输光的能力，NA(或或max)

41、越大，光纤接收越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。n对于无损耗光纤，在对于无损耗光纤，在max内的入射光都能在光纤中传输。内的入射光都能在光纤中传输。nNA越大，越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；但但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。息传输容量。n所以要根据实际使用场合，选择适当的所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。n标准多模光纤的标准多模光纤的NA公称值一般为公称值一般为0.2，对应的

42、孔径角约为，对应的孔径角约为11.5。标准单模光纤的标准单模光纤的NA公称值一般为公称值一般为0.10.15，对应的孔径角约为，对应的孔径角约为5.78.6。结结 论论 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆584. 渐变渐变型光纤光射线的理论分析型光纤光射线的理论分析 5. 光纤中传播的模式光纤中传播的模式（1）模式的基本概念）模式的基本概念.动画演示动画演示第一部分第一部分 光纤导光原理及其传输特性光纤导光原理及其传输特性多模渐多模渐变光纤中光线传播路径变光纤中光线传播路径.swf.动画演示动画演示第一部分第一部分 光纤导光原理及其传输特性光纤导光原理及其传输特性多模阶多模阶跃光纤中光线传播

43、路径跃光纤中光线传播路径.swf（2）各模式的截止频率及截止条件）各模式的截止频率及截止条件 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆5922102221anknnaVp（3）截止波长）截止波长归一化频率：归一化频率：是为表征光纤中所能传播的模式数目多是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。少而引入的一个特征参数。其定义为：其定义为：其中其中，a 是光纤的纤芯半径；是光纤的纤芯半径； 是光纤的工作波长；是光纤的工作波长； n1、n2分别是光纤的纤芯和包层折射率；分别是光纤的纤芯和包层折射率； k k0 0真空中的波数；真空中的波数； 光纤的相对折射率差。光纤的相对折射率差。 第第

44、2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆60 截止波长：截止波长：理论上的理论上的截止波长截止波长是单模光纤中光信号能是单模光纤中光信号能以单模方式传播的以单模方式传播的最小波长最小波长。 截止波长截止波长是单模光纤特有的参数是单模光纤特有的参数，是对应于第一高阶，是对应于第一高阶模的归一化截止频率模的归一化截止频率 时的波长。即时的波长。即 故故通常可用它判断是否单模传输。通常可用它判断是否单模传输。 405. 2cV405. 2221naVcp405.2221ancp 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆61（4 4）光纤传输的模式）光纤传输的模式当0 0V V2.4052.405时时,光纤中除主

45、模（或基模）HEHE11 模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。注：注：几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施工几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施工对它们不产生变化，而传输特性则相反，它不影响施对它们不产生变化，而传输特性则相反，它不影响施工，但施工对传输特性将产生直接的影响。工，但施工对传输特性将产生直接的影响。.动画演示动画演示第一部分第一部分 光纤导光原理及其传输特性光纤导光原理及其传输特性光在光在光纤中的模式传播光纤中的模式传播.swf 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆626模场直径和有效面积模场直径和有效面积 模场直径模场直径是指描述单模光纤中光能（基模）集中程是指

46、描述单模光纤中光能（基模）集中程度的参量。度的参量。 由于单模光纤的边界没有明确的边界，包层之外有由于单模光纤的边界没有明确的边界，包层之外有相当大的光场存在，故不能象多模光纤一样用纤芯表示相当大的光场存在，故不能象多模光纤一样用纤芯表示横截面的导光范围，只能用模场直径横截面的导光范围，只能用模场直径 d 表示。表示。它表示了它表示了单模光纤的基模能量集中的程度单模光纤的基模能量集中的程度。ITU-T规定，单模光规定，单模光纤纤1.31mm处的模场直径应在处的模场直径应在910m，偏差不应超过，偏差不应超过10%。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆63l有效面积有效面积与模场直径的物理意义

47、相同，通过模场直径与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用可以利用圆面积圆面积公式计算出有效面积。公式计算出有效面积。l模场直径模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性非线性效应效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。性能。l因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。越大越好。 图图2-13所示为模场直径示意图。所示为模场直径示意图。 第第2 2章

48、章 光纤和光缆光纤和光缆64图图2-13 模场直径模场直径 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆652.3 2.3 光纤特性光纤特性2.3.1 光纤的几何特性光纤的几何特性 光纤的几何特性光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯包括芯直径、包层直径、纤芯/包包层同心度、不圆度和光纤翘曲度等。层同心度、不圆度和光纤翘曲度等。1芯直径芯直径 芯直径一般是对多模光纤的要求。芯直径一般是对多模光纤的要求。ITU-T规定：规定： 多模光纤多模光纤的芯直径为的芯直径为503mm； 单模光纤单模光纤的芯直径为的芯直径为（910）mm10%。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆66 2包层直径包层直径 包层

49、直径指光纤的外径，包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，规定，多模及单模多模及单模光纤光纤的包层直径均要求为的包层直径均要求为1253m。 目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.03m提高到提高到125.01m。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆673纤芯纤芯/包层包层同心度和不圆度同心度和不圆度纤芯纤芯/包层同心度：包层同心度：是指纤芯在光纤内所处的中心程是指纤芯在光纤内所处的中心程度。度。 目前光纤制造商已将纤芯目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从包层同心度从0.8m的规的规格提高到格提高到0.5m的规格。的规格。不圆度：不圆度：包括芯径的

50、不圆度和包层的不圆度。包括芯径的不圆度和包层的不圆度。 ITU-T规定，纤芯规定，纤芯/包层同心度误差包层同心度误差6%（单模为（单模为1.0mm），芯径不圆度），芯径不圆度6%，包层不圆度（包括单模），包层不圆度（包括单模）2%。 注：注：纤芯纤芯/包层同心度对接续损耗的影响最大，其次包层同心度对接续损耗的影响最大，其次是翘曲度。是翘曲度。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆68 4光纤翘曲度光纤翘曲度 光纤翘曲度：光纤翘曲度：指在特定长度光纤上测量到的弯曲度，指在特定长度光纤上测量到的弯曲度，可用曲率半径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数可用曲率半径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数

51、值越大，意味着光纤越直。值越大，意味着光纤越直。5带状光纤的几何特性带状光纤的几何特性 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆695带状光纤的几何特性带状光纤的几何特性 图图2-14 带状光纤截面图带状光纤截面图图图2-15 几何参数示意图几何参数示意图 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆70表表2-3 最大几何参数通信行业标准最大几何参数通信行业标准 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆71表表2-4 12 芯带光纤全色谱标识规则芯带光纤全色谱标识规则（2 2） 标识标识序号123456789101112色谱蓝橙橙绿绿棕灰白红黑黄紫粉红天蓝 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆72（3 3）

52、 可分离性可分离性 光纤带结构应允许光纤能从带中分离出来，分成若干根光纤光纤带结构应允许光纤能从带中分离出来，分成若干根光纤的子单元或单根的光纤，并且满足如下要求：的子单元或单根的光纤，并且满足如下要求： 不使用特殊工具或器械就能完成分离。撕开时所需的力应不不使用特殊工具或器械就能完成分离。撕开时所需的力应不超过超过 4.4N； 光纤分离过程不应对光纤的光学及机械性能造成永久性的损光纤分离过程不应对光纤的光学及机械性能造成永久性的损害；害； 对光纤着色层无损害，在任意一段对光纤着色层无损害，在任意一段 2.5cm 长度的光纤上应留长度的光纤上应留有足够的色标，有足够的色标， 以便光纤带中光纤能

53、够相互区别。以便光纤带中光纤能够相互区别。 （4）带状光纤的接续）带状光纤的接续 带状光纤的护层剥离工具为带状光纤的护层剥离工具为电加热剥除器电加热剥除器， 使用不同芯数匹使用不同芯数匹配夹具的专用带状熔接配夹具的专用带状熔接 机，热熔加强保护管也是特制的。机，热熔加强保护管也是特制的。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆732.3.2 2.3.2 光纤的传输特性光纤的传输特性n衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数）衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数） ，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减：定义为单位长度光纤引起的光功率衰减： 光纤的传输特性主要是指光纤的光纤的传输特性主要是指

54、光纤的损耗特性损耗特性和和色散特性色散特性，另有另有机械特性机械特性和和温度特性温度特性。1光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。（或衰减）。 io10lg(dB/ km)PLP （ ） 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆74 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗3种损

55、耗。种损耗。（1）吸收损耗）吸收损耗 光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的损耗，光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的损耗，包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收。 （2）散射损耗）散射损耗 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为的损耗称为瑞利散射损耗瑞利散射损耗。光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。耗。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆75（3）弯曲损耗）弯曲损耗 光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中，有两种情况光纤的弯曲会引起辐射损耗。实

56、际中，有两种情况的弯曲：一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲；一的弯曲：一种是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲；一种是微弯曲。种是微弯曲。u 决定光纤衰减常数的损耗主要是决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗吸收损耗和和散射损散射损耗耗，弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大，弯曲损耗对光纤衰减常数的影响不大 。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆76（4）衰减系数）衰减系数定义：定义：光纤的衰减系数光纤的衰减系数是指光在单位长度光纤中传输是指光在单位长度光纤中传输时的衰耗量，单位一般用时的衰耗量，单位一般用dB/km。它是描述光纤损耗。它是描述光纤损耗的主要参数。的主要参数。n在单模光纤中有两个低损

57、耗区域，分别在在单模光纤中有两个低损耗区域，分别在1310nm和和1550nm附近，即通常说的附近，即通常说的1310nm和和1550nm窗窗口；口；n1550nm窗口又可以分为窗口又可以分为C-band（1525nm1 562nm）和）和L-band（1565nm1610nm）。如图）。如图2-14所示。所示。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆77图图2-16 光纤的特性光纤的特性 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆78 2光纤的色散特性光纤的色散特性 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有

58、后，使得光脉冲发生展宽，率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是这就是光纤的色散，光纤的色散，色散一般用时延差来表示。所谓色散一般用时延差来表示。所谓时延差时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。图图2-17 色散引起的脉冲展宽示意图色散引起的脉冲展宽示意图 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆79 光纤的色散分为光纤的色散分为模式色散、色度色散、偏振模色散模式色散、色度色散、偏振模色散。（1）模式色散）模式色散 多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在

59、传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。散，称模式色散。 （观察渐变型光纤色散）（观察渐变型光纤色散） （2）色度色散）色度色散 由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同而产生色散称为色度色散。产生色散称为色度色散。色度色散色度色散包括材料色散和波导包括材料色散和波导色散色散。 第第2 2章章 光纤和光缆光纤和光缆80 材料色散材料色散 由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，

60、光信号不同频率由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散。成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为材料色散。 波导色散波导色散 波导色散是由于波长不同的光线在光纤中运行的轨迹不同、波导色散是由于波长不同的光线在光纤中运行的轨迹不同、渡越时间也不同所造成的。对于同一模来说，不同波长的光在光渡越时间也不同所造成的。对于同一模来说，不同波长的光在光纤中将走循不同的轨迹，有着不同的渡越时间，引起波导色散。纤中将走循不同的轨迹，有着不同的渡越时间，引起波导色散。与材料色散相反，与材料色散相反，波长越长波导色散越严重，同时光纤芯子直径波长越长