信息传输材料

1、1载频为载频为31014Hz，约为电视通信所用超高频的，约为电视通信所用超高频的100000倍，从而使倍，从而使信息载带容信息载带容量或带宽激增量或带宽激增2传输损耗很小传输损耗很小3光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场的影响。光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场的影响。4尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输5石英石英(SiO2)，它在地球上非常丰富。，它在地球上非常丰富。缺点缺点 质地脆质地脆,机械强度低机械强度低 光纤切断和接续需要一定的工具光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术设备和技术 分路分路,耦合不灵活耦合不灵活 光纤，

2、光缆弯曲半径不能过小光纤，光缆弯曲半径不能过小(20CM) 在偏僻地区存在有供电困难问题在偏僻地区存在有供电困难问题光纤优点光纤优点纤芯的作用是纤芯的作用是传导光波传导光波，包层的作用是将光波封闭在包层的作用是将光波封闭在光纤中传播光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折射率射率n1大于包层材料的折射率大于包层材料的折射率n2。目前通信应用的。目前通信应用的光纤光纤主要是石英玻璃光纤主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折射率比石英高的。其纤芯由掺有折射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往往在石英中掺入比石杂质的石英材料作成，而包层则往往在石英中掺

3、入比石英折射率低的杂质。英折射率低的杂质。刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光纤为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光纤都在刚拉制后经过一道都在刚拉制后经过一道套塑工序套塑工序，在其外表涂覆上一层，在其外表涂覆上一层甚至几层塑料层。通常光纤的套塑方式有松套和紧套两甚至几层塑料层。通常光纤的套塑方式有松套和紧套两种。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性种。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性能。能。输入输入输入输入输出输出输出输出低数值孔径低数值孔径NA高数值孔径高数值孔

4、径NANANA数值孔径越大，光纤的集光能力就越强，数值孔径越大，光纤的集光能力就越强，能够进入光纤的光通量就越多能够进入光纤的光通量就越多NA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。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 数值孔径：数值孔径：表征光纤集光能力的一个参数。表征光纤集光能力的一个参数。2221sinnnNA4.3 相对折射率差相对折射率差表征纤芯和包层之间折射率差值的一个参数，其大小直接影响

5、光纤的性表征纤芯和包层之间折射率差值的一个参数，其大小直接影响光纤的性能。能。2122212nnn通常情况下，纤芯和包层相对折射率差很小，通常情况下，纤芯和包层相对折射率差很小，在在0.0010.01之间之间取值（取值（1的情况称为弱波导）。的情况称为弱波导）。阶跃光纤：纤芯折射率为常数阶跃光纤：纤芯折射率为常数渐变光纤：纤芯径向折射率呈渐变型分布渐变光纤：纤芯径向折射率呈渐变型分布渐变型光纤折射率分布可表示为：渐变型光纤折射率分布可表示为：2/11)(21 )(arnrn1-5n1为纤芯轴线处（为纤芯轴线处（r = 0）折射率；）折射率；r为纤芯内任意一点到芯轴的距离；为纤芯内任意一点到芯轴

6、的距离；a为光纤纤芯半径；为光纤纤芯半径；为相对折射率差；为相对折射率差； 为折射率分布指数，通常分布曲线为抛物线（为折射率分布指数，通常分布曲线为抛物线（ =2=2）4.5 归一化频率V表征光纤中所能传输的模式数目多少的一个特征参数 222100naNAaVV2.405时，光纤中传输单一模式，称为单模光纤4.6 截止波长c截止波长是单模光纤所特有的一个参数，通常用它可判断光纤中是否单模传输。与Vc=2.405相对应的波长c定义为光纤的截止波长。 单模传输时，光纤的工作波长应大于截止波长，这样才能保证满足光纤的单模传输条件。 6 光纤的传输特性光纤特性有光学特性，传输特性，机械特性，温度特性等

7、，其中传输特性损耗特性 色散特性 的主要原因 6.1 光纤色散光纤色散(Dispersion)色散色散：光纤中的光信号由不同成分（如不同模式、不同频率）组成，：光纤中的光信号由不同成分（如不同模式、不同频率）组成， 在传输过程中，各种频率成分或各种模式成分的传播速度不同，引起信在传输过程中，各种频率成分或各种模式成分的传播速度不同，引起信号脉冲展宽、波形失真的物理现象。号脉冲展宽、波形失真的物理现象。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与脉冲相重光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避叠现象，即

8、产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信免误码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严容量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。1模式色散又称模间色散模式色散又称模间色散: 模式色散只存在于多模光纤中。每模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉

9、冲的展宽，从而出现色散现象。从而出现色散现象。单模光纤中只传输基模单模光纤中只传输基模（ HE 11模模），），单单模光纤中不存在模光纤中不存在模式色散。模式色散。2材料色散材料色散 3波导色散波导色散 4极化色散极化色散阶跃光纤的模式色散阶跃光纤的模式色散1n2n不同入射角的光线za时延差1121maxmin2LnnnLnttcnc 如n11.5，0.01，L1km，50ns模式色散模式色散影响影响模式色散造成的模式色散造成的时延差的因素：时延差的因素：1芯包层相对折射率差芯包层相对折射率差2光纤的长度光纤的长度 时延差与纤芯包层相对折射率差成正比。时延差与纤芯包层相对折射率差成正比。 越大

10、，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。 从减小光纤时延差的观点上看，希望从减小光纤时延差的观点上看，希望 小为好，这种小为好，这种 小的光小的光纤称为弱导光纤。纤称为弱导光纤。 通信用光纤都是弱导光纤。通信用光纤都是弱导光纤。 光纤越长，时延差也越大，光纤越长，时延差也越大，模式模式色散也越大。色散也越大。 材料色散材料色散 严格来说，对不同的传输波长石英的折射率有不同的值。这是光纤严格来说，对不同的传输波长石英的折射率有不同的值。这是光纤材料自身特性造成的。材料自身特性造成的。 光纤通信用的光源，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波光纤通信用的光源，

11、并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。谱宽度。 光的波长不同，折射率光的波长不同，折射率n不同，光传输的速度也就不同。不同，光传输的速度也就不同。 因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。延差，从而引起脉冲波形展宽。材料色散材料色散和波导色散波导色散是由于光信号不是单一频率所引起。所以统称为波长色散，又称色度色散。 材料色散用材料色散用 表示表示 为光源的谱线宽度，即

12、光功率下降到峰值功率一为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值功率一半时所对应的波长范围半时所对应的波长范围 L为光纤传播的长度为光纤传播的长度 Dm（）为材料色散系数为材料色散系数 例如：一光纤材料色散系数为例如：一光纤材料色散系数为3.5ps/(nmkm)，光谱的谱线宽，光谱的谱线宽度为度为4nm，在光纤上传输，在光纤上传输1km，则材料色散为，则材料色散为( )m( )( )mmDL( )3.541140.014mpsns1-8 波导色散波导色散 由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之

13、内。这部分光在包层内传输一定距离时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。后，又可能回到纤芯中继续传输。 进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。 具体来说，

14、入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。 色散系数色散系数212()( )wndVbDVcdVb 归一化的传播常数纤芯越小，相对折射率差越大，波纤芯越小，相对折射率差越大，波导色散也越小。导色散也越小。极化色散极化色散 极化色散又称偏振模色散（极化色散又称偏振模色散（Polarization Mode Dispersion,简简称称PMD） 单模

15、光纤的基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场单模光纤的基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和和HE11y所组成。所组成。 这两种模式在理想的圆柱形对称结构的光纤中，具有相同的传这两种模式在理想的圆柱形对称结构的光纤中，具有相同的传播常数，不存在时延差播常数，不存在时延差模式简并。模式简并。光 纤 线 路传 播 快传 播 慢光 纤 线 路传 播 快传 播 慢若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，会使若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，会使HE11x和和HE11y两两种模式的传播常数不同，种模式的传播常数不同，这种现象称为这种现象称为模式双折射模式双折射。由于双折射，两模式由

16、于双折射，两模式存在时延差，从而会在光纤的输出端产生偏存在时延差，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。振色散。对长度为对长度为L的光纤，两个模式的时延差为的光纤，两个模式的时延差为nx和和ny分别为分别为x和和y方向的折射率方向的折射率yxpnnLc1-10四四种色散的比较种色散的比较 一般来说，光纤一般来说，光纤四四种色散的大小顺序是：种色散的大小顺序是：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极化色散色散 由于极化由于极化色散色散很小，一般忽略不计很小，一般忽略不计 对于多模光纤，总色散等于对于多模光纤，总色散等于前前三者相加，起主导作三者相加，起主导作用的是模式色散，其他两个色

17、散影响很小。用的是模式色散，其他两个色散影响很小。 对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。)/(lg100kmdBPPLi 6.2 光纤损耗光纤损耗 的存在的存在 光信号光信号减小减小 限制系统的限制系统的 。 光纤内传输的光纤内传输的随随的变化，可以用下式表示的变化，可以用下式表示习惯上习惯上 的单位用的单位用dB/km， 设长度为设长度为L(km)的光纤，的光纤，式中，式中， 是是。PdzdP0exp()iPPL1-111-121-13损耗的损耗的机理机理

18、紫外吸收（电子跃迁）本征吸收红外吸收（分子振动）吸收损耗吸收损耗氢氧根吸收杂质吸收过渡金属离子吸收光纤损耗光纤损耗原子缺陷吸收瑞利散射损耗（折射率微观起伏）散射损耗散射损耗结构不完善引起的散射损耗光纤弯曲损耗弯曲损耗弯曲损耗光纤微弯损耗连接损耗耦合损耗本征吸收物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。本征吸收物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。散射损耗散射损耗散射：由于介质的不均匀性使光线向四面八方散开的结果。散射：由于介质的不均匀性使光线向四面八方散开的结果。瑞利散射是光纤材料的本征损耗。它是由材料不均匀性所引起的。这些不均瑞利散射是光纤材料的本征损耗。

19、它是由材料不均匀性所引起的。这些不均匀，象在均匀材料中加了许多小颗粒，尺寸很小，远小于波长。当光波通过匀，象在均匀材料中加了许多小颗粒，尺寸很小，远小于波长。当光波通过时，有些光子就会受到它的散射。时，有些光子就会受到它的散射。鉴于目前的光纤制造工艺，瑞利散射损耗是无法避免的。鉴于目前的光纤制造工艺，瑞利散射损耗是无法避免的。但是，由于瑞利散射损耗的大小与光波长的但是，由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光纤工作在次方成反比，所以光纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。 光纤结构不完善，如光纤中有气泡、粗细不均匀、芯光纤结

20、构不完善，如光纤中有气泡、粗细不均匀、芯-包层交界面不包层交界面不平滑等，光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，平滑等，光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，造成损耗。造成损耗。 由射线光学理解，在正常情况下，导模光线以大于临界角入射到纤由射线光学理解，在正常情况下，导模光线以大于临界角入射到纤芯包层界面上并发生全反射，但在光纤芯包层界面上并发生全反射，但在光纤结构不完善结构不完善处，入射角将减处，入射角将减小，甚至小于临界角，这样光线会退出纤芯外而造成损耗。小，甚至小于临界角，这样光线会退出纤芯外而造成损耗。 在模式理论中，这相当于光纤边界条件的变化使光功率由波导模转

21、在模式理论中，这相当于光纤边界条件的变化使光功率由波导模转入辐射模而引起，即部分模式能量被散射到包层中。入辐射模而引起，即部分模式能量被散射到包层中。微弯损耗微弯损耗 光纤在使用过程中会由于种种原因光纤在使用过程中会由于种种原因 成缆时为了光缆卷到绕丝筒上对光纤施加的张力；成缆时为了光缆卷到绕丝筒上对光纤施加的张力； 对光纤进行不适当的塑料涂敷，对光纤进行不适当的塑料涂敷， 涂敷后光纤受到较大的温度变化等等涂敷后光纤受到较大的温度变化等等 光纤侧面会受到不均匀的压力，致使光纤轴线发生周期光纤侧面会受到不均匀的压力，致使光纤轴线发生周期性的微米级的弯曲。性的微米级的弯曲。 光纤的微弯会使损耗增加

22、，因为光纤的周期性微弯也会引起光光纤的微弯会使损耗增加，因为光纤的周期性微弯也会引起光纤中纤中传导模式传导模式和和辐射模式辐射模式之间光功率的反复耦合，致使传导模之间光功率的反复耦合，致使传导模的部分光功率辐射到纤芯外面。的部分光功率辐射到纤芯外面。 为了尽量减少微弯损耗，可在光纤表面上模压一层可压缩的护为了尽量减少微弯损耗，可在光纤表面上模压一层可压缩的护套，作用于这种组合结构时，护套发生形变，但光纤基本保持套，作用于这种组合结构时，护套发生形变，但光纤基本保持平直状态。平直状态。 实用光纤的损耗谱实用光纤的损耗谱 根据以上分析和经验，根据以上分析和经验， 与与的关系可以表示为的关系可以表示

23、为= +B+CW()+IR()+UV() 4A式中，式中，A为为， B为为产生的损耗，产生的损耗， CW()、 IR()和和UV()分别为分别为、和和产产生的损耗。生的损耗。 1-147.7.光纤的分类光纤的分类（1）纤芯折射率分布纤芯折射率分布： 均匀（或阶跃）折射率光纤 非均匀（或渐变）折射率光纤（2）光纤传播的模式数量光纤传播的模式数量： 单模光纤 多模光纤（3）传输光的偏振态传输光的偏振态： 非保偏光纤：不能传输偏振光 保偏光纤：单偏振光纤：只能传输一种偏振模式 双折射光纤： 只能传输两个正交偏振模式（4）光纤的材料光纤的材料： 高纯度熔石英光纤、多组分玻璃纤维、塑料光纤、 红外光纤、

24、液芯光纤、晶体光纤等8 8、光纤材料、光纤材料分类：石英光纤、红外、多组分玻璃、塑料、塑料包层光纤分类：石英光纤、红外、多组分玻璃、塑料、塑料包层光纤石英光纤的损耗特性：石英光纤的损耗特性：本征吸收来自石英玻璃中本征吸收来自石英玻璃中电子跃迁和分子振动产生的吸电子跃迁和分子振动产生的吸收收。对于高纯度、均匀的石英玻璃，在可见和红外区域的本征损失很小。但是，。对于高纯度、均匀的石英玻璃，在可见和红外区域的本征损失很小。但是，一一些外来的元素产生了重要的杂质吸收。除金属杂质外，些外来的元素产生了重要的杂质吸收。除金属杂质外，OH-离子是另一个极离子是另一个极重要的杂质重要的杂质。为了降低。为了降低

25、O-H基的吸收损耗，基的吸收损耗，原材料的脱水技术原材料的脱水技术十分重要。十分重要。色散特性：色散特性：现代光通信基本上都使用单模光纤，而单模光纤中无多模色散，主现代光通信基本上都使用单模光纤，而单模光纤中无多模色散，主要是材料色散和波导色散。单模光纤总色散要是材料色散和波导色散。单模光纤总色散wMTDDD 多组分：多组分：SiO2约占百分之几十，此外还含有约占百分之几十，此外还含有B2O3、GeO2等玻璃形成体及等玻璃形成体及Na2O、K2O、CaO等改性剂，熔点低等改性剂，熔点低(1400)，可用传统的坩埚法拉丝。，可用传统的坩埚法拉丝。特点特点：芯：芯-皮折射率可在较大范围内变化，因而

26、有利于制造大数值孔径的光纤皮折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为，但材料损耗大，在可见光波段一般为:1dBm晶体光纤纤芯由晶体材料制成，主要有晶体光纤纤芯由晶体材料制成，主要有YAG（Y3Al5O12）系、）系、YAP（YAlO3）系）系、Al2O3系、系、LN（LiNb2O3）系、）系、LBO（LiB3O5）系、）系、BSO（Bi12SiO20）系和卤）系和卤化物系等晶体光纤。化物系等晶体光纤。优点优点：具有更宽的红外波段窗口，其组成的器件与普通光纤间的耦合性能好。：具有更宽的红外波段窗口，其组成的器件与普通光纤间的耦合性能好。用用途途：制造各种有源和无源器件。：制造各种有源和无源器件。5.9.1 通信上的应用通信上的应用 光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。的主要目标。 光纤在通信中的各种应用可概括如下：光纤在通信中的各