光纤通信第2章

1、2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.3 光纤传输特性光纤传输特性2.4 光缆光缆2.5 光纤特性测量方法光纤特性测量方法第第 2 章章 光纤和光缆光纤和光缆返回主目录第第 2 章章 光光 纤纤 和和 光光 缆缆2.1光纤结构和类型光纤结构和类型 2.1.1光纤结构光纤结构 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。 纤芯和包层的相对折射率差=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%0.6%， 多模光纤为1%2%。 越大，把光能量

2、束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。图2.1 示出光纤的外形。包层n2纤芯n1 纤芯和包层的相对折射率差=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%0.6%， 多模光纤为1%2%。 2.1.2光纤类型光纤类型 实用光纤主要有三种基本类型， 图2.2示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。 突变型多模光纤（StepIndex Fiber, SIF）如图2.2(a)， 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=5080 m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。 渐变型多

3、模光纤（GradedIndex Fiber, GIF）如图2.2(b)， 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，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 单模光纤（SingleMode Fiber, SMF）如图2.2 (c)，折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有810 m，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。其信号畸变很小。 图 2.2三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 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5

4、0 m125mrnAitAot(b)10 m125mrnAitAot(c) 依据实际的需要可以制成几种新类型的光纤： 1，双包型光纤（W型光纤） 特点：折射率分布像W型 三层折射率：纤芯 n1 外包层n2 内包层n3应用：色散小、甚至为0（零色散光纤）2，三角形光纤特点：折射率分布像三角形 应用：密集波分复用 光孤子传输 长距离 非零色散3，椭圆形光纤特点：折射率分布像椭圆形应用：双折射、偏振保持光纤。 图 2.3典型特种单模光纤 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 2a 2an1n2n3(a)(b)(b)三种类型光纤的应用场合 1，突变型多模光纤：信号畸变大、带宽距离积短、适

5、用小容量、短距离光纤通信系统。 2，渐变性多模光纤：适用于中等容量的光纤通信系统。 3，单模光纤：适用于大容量、长距离光纤通信系统。 2.2 光纤传输原理光纤传输原理 研究光纤传输原理的方法：1，求解麦克斯韦方程组法 数学推演复杂 只记结论分析2，几何光学法 推演直观易懂 不是十分严密 2.2.1几何光学方法几何光学方法 研究问题：光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 由此得到两个概念： 数值孔径（NA）和时间延迟。 321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc1 图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理 根据斯奈尔(Snell)定律得到 由光线1得： n0 sin=n1 sin1=n1 co

6、s1 (2.1） 当=c时， 定义NA= n0 sinc=n1 cosc 因为 n1 sinc=n2 sin90o 又因为 n0=1 由以上各式得： 上式中=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2212221nnnNA NA的意义： 1，NA表示光纤接收和传输光的能力。2，NA(或c)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。3，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。4，但NA越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据

7、实际使用场合，选择适当的NA。 2，时间延迟 （2.4） )21 (secL211111cLncncln 式中c为真空中的光速。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 cLnNAcnLcnLc12121)(22 时间延迟差会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。设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1 km，根据式(2.5)得到脉冲展宽=44ns，相当于10MHzkm左右的带宽。 例1 均匀光纤芯与包层的折射率分别为：n1=1.50，n2=1.45，试计

8、算： （1）光纤芯与包层的相对折射率为多少？ （2）光纤的数值孔径NA为多少？ （3）在1米长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差max为多少？光纤“模”的概念 1.模的概念模的概念 光导纤维传输中的一个重要性能就是模式分布。 模式是指传输线横截面和纵截面的电磁场结构图形，即电磁波的分布情况。 一般来说，不同的模式有不同的的场结构，且每一种传输线都有一个与其对应的基模或主模。 基模是截止波长最长的模式。除基模外，截止波长较短的其它模式称为高次模。 根据光纤能传输的模式数目，可将其分为单模光纤和多模光纤。 2.多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤 1.多模光纤的纤芯大，入射光进入纤芯的角

9、度多,向前传播的路径也多，所以其电磁场分布模式多种多样,可同时传播多种模式。 2.单模光纤的纤芯小，光的入射角度小，电磁场分布模式单纯，只允许一种最基本的模式即基模的传播，其它高次模均被淘汰 。 3.光在单模光纤中的传播光在单模光纤中的传播 结论：光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播。 原因：在单模光纤中仅以一种模式（基模）进行传播，而高次模全部截止，不存在模式色散。平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模。 模式色散：不同模式的传播时间不同而产生。总结 光纤的模式是能在光纤中传输的光，每一个模式是满足亥姆霍兹方程的一个解。 单模光纤只能传输一种光，就是平行

10、于轴线的光（基模）。 多模光纤则可以传输多种波长的光，根据波长不同，数值孔径不同，不同的模式就是传输的路径不同。光纤传输的波动理论 由于波动理论的推导和计算求解十分复杂，为此，我们略去其推导过程，直接给出结论进行分析。 公式1： 其中V表示光的归一化频率，表示光的波长，a表示纤芯半径，n1表示内芯折射率，n2表示外芯折射率。 该结论意义：可以通过V求出光纤中的传输模数M。22212nnav 1，多模光纤的模数计算： （1）对于突变型光纤，传输模数M=V2/2 （2）对于渐变性光纤，传输模数M=V2/4 2，模式截止 模式的数目决定于归一化频率的大小。 （1）当V2.405的时候，仅有一个单模可

11、以在光纤波导中传播，这个模就是HE11 模或者是弱导近似下的线偏振模LP01模，其它模式均被截至。单模光纤的模式特性 单模条件和截止波长从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止， 模式数目逐渐减少。 特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。 由此得到单模传输条件为 V= (2.36) 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，是单模传输，这个临界波长c称为截止波长。405. 222221nna例2 已知光

12、纤的纤芯直径2a=50um， =0.01，n1=1.45， =0.85um，若光纤的折射率分布为阶跃型和渐变型， （1）求它们各自的导模数量 （2）若波长改为1.31um，导模数量如何变化？例3 已知均匀光纤芯的折射率n1=1.50，相对折射率差=0.01,芯半径a=25um。 试求： （1）LP02模的截止波长是多少？（已知LP02的截止频率为3.832） （2）若0=1um，计算光纤的归一化频率V以及其中传输的模数量N各等于多少？例4 均匀光纤，若n1=1.50，0=1.30um，试计算： （1）若=0.25，为了保证单模传输，其芯半径应取多大？ （2）若取a=5um，为了保证单模传输，

13、应取多大？2.3光纤传输特性光纤传输特性 1，损耗 影响：使信号幅度减小、限制传输距离。2，色散影响：使信号产生畸变（失真）即使信号波形展宽 限制传输容量总之：由于光纤的传输特性损耗和色散，使光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变(失真)，因而输出信号和输入信号不同。 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(Dispersion)定义：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。包括：模式色散、材料色散和波导色散。 模式色散：产生原因：不同模式的时间延迟不同 决定因素：光纤的折射率分布、光纤材料折射率的波长特性 材料色散： 产

14、生原因：光纤的折射率随波长而改变、模式内部不同波长成分的光时间延迟不同。 决定因素：光纤材料折射率的波长特性、光源的谱线宽度。 波导色散： 产生原因：波导结构参数与波长。 决定因素：波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差。 色散影响：1、时域（脉冲展宽 ）、频域（限制传输信号带宽 3db）2、模拟信号（限制带宽）、数字脉冲信号（脉冲展宽） 时域： 用脉冲展宽表示时， 光纤色散可以写成 =(2n+2m+2w)1/2 式中n、m、w分别为模式色散、材料色散和波导色散所引起的脉冲展宽的均方根值。 光纤带宽的计算：f3 dB= 公式（1）上式中，为信号通过光纤产生均方根脉冲宽度(ns)(187122ln2

15、MHZ又因为= =2.355，2ln2所以有 f3 dB= 公式（2）上式中（ns）为时间延迟差（信号通过光纤后脉冲展宽）)(441MHZ3dB带宽：就是指光纤带宽 3DB带宽就是指功率下降一半的带宽.对于光或者电信号,表现在他们的幅值下降到0.707的位置. 光纤的带宽指的是：在光纤的传递函数中，光功率的幅值比零频率的幅值降低50%或3dB时的调制频率。例5 考虑1km长，NA=0.2，n1=1.5，计算光纤带宽例6 有一段由多模阶跃折射率光纤构成的10km长，NA=0.30，如果纤芯的折射率n1=1.450。 （1）求接收端模式之间的最大时延差 （2）求由模式色散导致的均方根脉冲展宽 （3

16、）假设最大比特率等于带宽，则此光纤的带宽距离积是多少？（带宽距离积=带宽光纤长度）色散的危害性 色散是光纤的传输特性之一。由于不同波长光脉冲在光纤中具有不同的传播速度，因此，色散反应了光脉冲沿光纤传播时的展宽。 光纤的色散现象对光纤通信极为不利。 在光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，光纤在传输中的脉冲展宽，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重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。多模光纤和单模光纤的色散 多模光纤的

17、色散包括： 模式色散+材料色散+波导色散（其中模式色散占主导作用） 单模光纤的色散包括： 材料色散+波导色散（为什么没有模式色散？） 单模光纤的色散特性受到光波长的影响和光源的影响。单模光纤的色散系数 单位长度的单模光纤色散系数D（） 定义:每公里的光纤单位谱宽所引起的脉冲展宽值，与长度呈线性关系。 计算公式： 出= 入 D（） L 其中， 出为经光纤输出的均方根谱宽， 入为光源输入的均方根谱宽， D（）为色散系数，L为光纤长度。 由公式可推出：总色散= D（） L= 出/ 入 目前的单模光纤色散系数一般为20ps/km.nm，光纤长度越长，所引起的色散总值也就越大。 色散系数越小越好，因为色

18、散系数越小，光纤的带宽也就越大，传输容量也就越大。色散系数单位 PS/(Km.nm)表示光谱宽度为1nm的光源，在光纤中传输1Km后，所产生的时延为1PS，这个单位是色散系数的单位。 p是一个系数，等于10的负12次方；s是秒，用于衡量时延差的单位； nm是光源对应的全谱宽的单位（n也是一个系数，等于10的负9次方，m是米）；km是光纤长度的单位（表示公里） 2.3.2光纤损耗光纤损耗 损耗是光纤的第二个传输特性，使信号幅度减小。光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。光纤损耗系数 = (2.59)上式中，是损耗系数。L(km)为光纤长度， Pi输入光功率，Po输出光功率。)/(lg100

19、kmdBppLi 1. 损耗的机理损耗的机理 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材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的（与波长有关）。 散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。图 2.15 单模光纤损耗谱， 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 / (dBkm1) 图 2.16光纤损耗谱(a) 三种实用光纤； (b)

20、优质单模光纤 波长 / m损耗 /( dBkm1)0.802468100.61.01.21.41.6800损耗 / (dBkm1)波长 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600abcdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB / km(a)(b)1.8损耗、色散与波长的关系 由图2.16看到：从多模突变型(SIF)、渐变型(GIF)光纤到单模(SMF)光纤，损耗依次减小。 在0.81.55 m波段内，除吸收峰外， 光纤损耗随波长增加而迅速减小。 在1.39m OH-

21、吸收峰两侧1.31 m和1.55 m存在两个损耗极小的波长“窗口”。 从色散的讨论中看到： 从多模SIF、 GIF光纤到SMF光纤，色散依次减小(带宽依次增大)。结论： 1，光纤通信从SIF、GIF光纤发展到SMF光纤。 2，从短波长(0.85 m)“窗口”发展到长波长(1.31 m和1.55 m)“窗口”，使系统技术水平不断提高。 例7 一段10km长的光纤线路，其损耗为1.6dB/km。问： （1）若在接收端保持0.2uW的接收光功率，则在发送端的光功率至少为多少？ （2）若光纤的损耗变为2.0dB/km，则需要的输入光功率为多少？例8 某光纤在1200nm波长处的损耗为0.5dB/km，

22、在1500nm波长处的损耗为0.2dB/km。若下面两种光信号同时进入光纤：1200nm波长的150uW的光信号和1500nm波长的100uW的光信号。试问： 这两种光信号在8km和20km处的功率各是多少？（以uW为单位） 2.3.3光纤标准和应用光纤标准和应用 G.651多模渐变型(GIF)光纤：光纤通信发展初期、适用于中小容量、中短距离的通信系统。 G.652常规单模光纤：第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。目前世界上已敷设的光纤线路90%采用这种光纤。 G.653色散移位光纤：第二代单模光纤。特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小、适

23、用大容量长距离通信系统。 G.654 1.55 m损耗最小的单模光纤：特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55 m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。 G.655非零色散光纤，改进的色散移位光纤。适用于密集波分复用(WDM)系统中。 2.4光缆光缆 2.4.1光缆基本要求：光缆基本要求：保护机械强度、传输特性保护机械强度、传输特性保护光纤的固有机械强度的方法：1，塑料被覆2，应力筛选（条件）3，二次被覆经二次被覆后光纤的四种类型：紧套、松套、大套管、带装线光纤 图 2.18二次被覆光纤(芯线)简图 (a) 紧套； (b) 松套；

24、 (c) 大套管； (d) 带状线 紧套一次被覆光纤松套大套管一次被覆光纤带状线(a)(b)(c)(d) 2.4.2 光缆结构和类型光缆结构和类型 光缆组成: 缆芯、护套（有时外有铠装） 1，缆芯组成：被覆光纤（或称芯线）、加强件 光缆分类：（依据缆芯的特点）层绞式、骨架式、中心束管式、带状式。 2，护套： 作用：对缆芯的机械保护和环境保护。 要求：抗侧压力性能、密封防潮和耐腐蚀。 分类：（依据适用场合） 室内光缆、 架空光缆、 埋地光缆和管道光缆2.4.3 光缆特性光缆特性 光缆的传输特性取决于被覆光纤。 光缆的特性： 1.拉力特性（加强件有关） 2.压力特性（护套有关） 3.弯曲特性（和光

25、缆材料与结构） 4.温度特性（光缆材料选择和结构设计）光纤特性测量方法 光纤特性：几何特性、光学特性、传输特性 1，几何特性：纤芯和包层直径。 2，光学特性：折射率分布、数值孔径、截止波长等。 3，传输特性：损耗、带宽、色散。 说明： 1，几何特性和光学特性稳定。（可以依据厂家的测量数据） 2，传输特性不稳定，故须在实际的使用中自己测量。如：损耗、带宽（色散）和截止波长与受到使用的条件和环境的影响。 本节介绍光纤损耗、带宽(色散)和截止波长的测量原理和测量方法。 测量的共同的特点：1，用特定波长的光通过光纤2，测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，3，最后经过相应的数据处理

26、而实现。 测量系统：包括发射光源、注入装置和接收与数据处理设备。要求：测量仪器稳定、可靠，精确。 2.5.1损耗测量损耗测量 光纤损耗测量有两种基本方法：一种是测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率，称后向散射法。 1. 剪断法剪断法 光纤损耗系数由式(2.61a)确定， 即)/(lg1021KmdBppLa 式中，L为被测光纤长度(km)，P1和P2分别为输入光功率和输出光功率(mW或W)。 图 2.22 剪断法光纤损耗测量系统框图 偏置电路注入装置光源P1P2被测光纤检测器放大器电平测量2.向后散射法 后向散射法：利用与传输光相反方向的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的方法。 原因：瑞利散射光功率与传输光功率成比例。 设在光纤L1和L2处的正向传输光功率分别为P1和P2(P1P2) 光检