光纤通信技术-第02章

第二章光导纤维2.1光纤的结构和分类2.2光纤的射线理论分析2.3光纤的波动理论分析2.4单模光纤2.5光纤的传输特性2.6光纤的非线性效应2.7光缆第二章光导纤维2.1光纤的结构与分类2.1.1光纤的结构

光纤（OpticalFiber，OF）就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质（绝大部分是用石英材料）构成的。一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。2bn1>n22.1.2光纤的分类光纤的分类方法：按照光纤截面折射率分布分类按照光纤中传输模式多少分类按照光纤使用的材料分类按照传输的工作波长分类2.1光纤的结构与分类2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的分类按光纤横截面折射率分布分类阶跃型光纤（Step-IndexFiber，SIF）渐变型光纤（Graded-IndexFiber，GIF）2.1.2光纤的分类按传输模式的数量分类多模光纤（Multi-ModeFiber，MMF）：可有多个模式在其中传输的光纤称为多模光纤，适合近距离、小容量通信。单模光纤（SingleModeFiber，SMF）：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，适合远距离、大容量通信。2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的分类按光纤的工作波长分类短波长光纤长波长光纤超长波长光纤2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的分类按ITU-T建议分类G.651光纤(渐变型多模光纤)G.652光纤(常规单模光纤)G.653光纤(色散位移光纤)G.654光纤(截止波长光纤)G.655光纤(非零色散位移光纤)2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的分类现在使用的主要光纤现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤渐变型多模光纤阶跃型单模光纤三种光纤的光路2.1光纤的结构与分类2.1光纤的结构与分类nr4~10μm包层纤芯包层nr50μm包层纤芯包层nr50μm包层纤芯包层单模光纤多模阶跃型光纤多模渐变型光纤2.2光纤的射线理论分析当光的波长远小于光纤的横向尺寸时，光可以用一条代表光波传播方向的光射线来表示。用光射线法研究光的传播规律的方法称为射线法或几何法，其基本理论基础是几何光学。用电磁场理论研究光波传播规律的方法称为波动光学法，其基础是波动光学，它比射线法更严格、全面、精确。2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本的光学概念和定律均匀平面波

在与传播方向垂直的无限大平面的每个点上，电场强度E、磁场强度H的幅度、相位都相同的波称为均匀平面波，简称平面波。平面波任何一点上电场强度和磁场强度与坐标x、y无关。光的传播方向OHEzyx2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本的光学概念和定律均匀平面波 平面波的传播速度：是指平面波等相位面在传播方向上的传播速度，即相速：

其中：f

是光的频率；ω=2πf为圆频率；λ是光波长；k是电磁波传播的相位常数：

ε为传输介质的介电常数、μ为传输介质的磁导率，是不随时间和空间变化的标量。因此相速又可表示为：2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本的光学概念和定律折射率

光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：v=c/n 式中：c＝2.997×105km/s≈3×105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率（空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右）。上式表明：光在介质中的传播速度与介质的折射率成反比。2.2.1基本的光学概念和定律均匀平面波在两介质交界面的折射和反射 2.2光纤的射线理论分析n1介质Ⅰn2介质Ⅱxzok1k2n1>n2入射角：入射光线与法线间的夹角。反射角：反射光线与法线间的夹角。折射角：折射光线与法线间的夹角。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：θ1′＝θ1。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：n1sinθ1=n2sinθ2斯耐耳定律：折射定律、反射定律的总称。2.2光纤的射线理论分析平面波的全反射：当入射角增大到一定程度时，入射光将不进入第二种介质，而是全部反射回第一种介质，这种现象称为全反射，这种波称为导波。2.2光纤的射线理论分析n1介质Ⅰn2介质Ⅱxzok1k2n1>n2θ2>θ1使折射角θ2刚好到达90°时的入射角称为临界角，用θc表示，由折射定律可知：最后可得到全反射条件是：n1>n2，θc≤

θ1<90°θc2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本的光学概念和定律相对折射指数差：影响光纤性能的参数。当n1与n2的差别极小时，上式可近似为:这种光纤称为弱导波光纤。工程上使用的都是弱导波光纤。2.2.2阶跃型光纤的导光原理

一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；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，这种光线称为斜射线。2.2光纤的射线理论分析2.2光纤的射线理论分析阶跃光纤中的子午射线阶跃光纤中的斜射线2.2光纤的射线理论分析子午射线在阶跃型光纤中的传播

阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1>n2。n2n2n12an0n0Ө1Ө2Φn0<n1空气2.2光纤的射线理论分析子午射线在阶跃型光纤中的传播

光线以入射角Φ入射到空气（折射率为n0）和光纤芯（折射率为n1）的交界面上，折射角为θ2；折射的光线传播到光纤芯与包层之间的界面上，入射角为θ1。由前面的介绍可知，光线可以在该界面上发生全反射，条件是θ1≥θc

。

由，要求或n2n2n12an0n0Ө1Ө2Φn0<n1空气2.2光纤的射线理论分析子午射线在阶跃型光纤中的传播

在空气与纤芯之间的交界面上应用折射定理得：即：由前面导出的，可解得：n2n2n12an0n0Ө1Ө2Φn0<n1空气2.2光纤的射线理论分析子午射线在阶跃型光纤中的传播

空气的折射率n0=1，上式简化为：或：

为了达到最高的传输效率，要求入射光线的入射角满足上式的要求，即入射光线应尽量靠近光纤的轴线方向。子午射线在折射型光纤中的传播

综上所述，当平面波由光密介质（折射率大的介质）射向两介质分界面上时，根据入射角的大小，可以产生两种类型的波：当入射角大于临界角时，能量集中在光密介质及其界面附近，这种波称为导波；当入射角小于临界角时，一部分能量辐射到光疏介质（折射率小的介质）中并在其中传播，这种波称为辐射波。为了使子午射线达到好的传输效果，要求从光纤端面射入光纤的光线应尽量靠近光纤的轴线，以避免产生辐射波。2.2光纤的射线理论分析n2n2n12an0n0Ө1Ө2Φn0<n1空气n2n2n12an0n0Ө1Ө2Φn0<n1空气n2n2n12an0n0Ө1Ө2Φn0<n1空气数值孔径

只有那些满足一定条件的光线才能在光纤中形成导波，这些光线被限制在光纤芯中传播，或称为被光纤捕捉。将表示光纤捕捉光射线能力的物理量定义为光纤的数值孔径，用NA表示：其中为相对折射率差。只要入射角小于的光线，均可以被光纤捕捉到。2.2光纤的射线理论分析2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤中的子午线

渐变型光纤的折射率随半径的增大而减小。光线在纤芯中传播的子午线轨迹如下图：2.2光纤的射线理论分析rman1(r)ΦPdsdzdr2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤的最佳折射率分布

选择合适的折射率分布，可以使纤芯中的不同射线以同样的轴向速度前进，从而减少色散。不同射线具有相同轴向速度的现象称为自聚焦现象，这种光纤称为自聚焦光纤。2.2光纤的射线理论分析空间周期长度L2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤的最佳折射率分布使光纤中产生自聚焦的折射率分布称为最佳折射率分布。在一般情况下，当光纤芯的折射率按“双曲正割型”分布时，子午射线将是自聚焦的：展开成幂级数为：2.2光纤的射线理论分析rn(r)2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤的最佳折射率分布与双曲正割型分布接近的分布为“平方律分布”：可见，如果只保留到2次项时，“双曲正割型”分布与“平方律”分布相同。因此，采用平方律分布来进行分析，以简化问题。2.2光纤的射线理论分析2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤的最佳折射率分布在上述的两种分布中，A是与射线起始条件无关的常数，r是纤芯的半径，n(0)是纤芯轴线上的折射率。下面采用平方律分布来确定常数A。为了一般化，将折射率分布写为α次方折射率分布：

其中α为(折射率)渐变指数。当α=2时，它则退化为平方律折射率分布。2.2光纤的射线理论分析2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤的最佳折射率分布由上式可得：当r=a时，上式变为：其中：，代入上式得：2.2光纤的射线理论分析2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤的最佳折射率分布将A代入α次方分布式中，得：令α=2，得到平方律折射率分布表达式，也就是渐变型光纤的最佳折射率分布表达式：注意：Δ是光纤轴线（心）和最外层的相对折射率差。2.2光纤的射线理论分析2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤的本地数值孔径把射入纤芯半径为r处的光线的数值孔径称为该点的本地数值孔径，是半径r的函数，记作NA(r)。利用阶跃型光纤的数值孔径公式，本地数值孔径可写为：

2.2光纤的射线理论分析2.2.3渐变型光纤的导光原理渐变型光纤的本地数值孔径由于折射率随半径的增加而减小，轴线处的折射率最大，为n(0)。由本地数值孔径公式可以看出，轴线处的本地数值孔径最大，此处捕捉光射线的能力最强。2.2光纤的射线理论分析TEM波电场、磁场与光纤轴线垂直的平面波称为横向电磁波，简称为TEM波。在弱导波阶跃型光纤中，平面波的传播方向几乎与轴线方向相同，电场、磁场方向则几乎垂直于轴线。所以，电磁波平面几乎和光纤的横截面重合，可以认为是TEM波（但本质上不是！）。将光纤中传播的光近似为TEM波，有助于简化理论分析。2.3光纤的波动理论分析由于涉及到比较多的数学问题，本节只给出一些重要的概念和分析结论，分析过程省略。光纤的归一化频率归一化频率与光的频率成正比，并与光纤的结构参数相关（比如与光纤半径成正比），用V表示：

其中k0为光在真空中传播的相位常数，k0∝f。2.3光纤的波动理论分析阶跃光纤中导模数量的估算模式是波动理论的概念。在波动理论中，一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。用M表示在光纤中传输的导模数，则阶跃多模光纤中传输的模数为：可见，由于V随着频率的增高、光纤芯径a的增大而增大，传输的导模的数量也将增加。不同模式的场分布不同，模式越多，信号畸形越严重。2.3光纤的波动理论分析渐变型光纤中的导模数量渐变型光纤中的导模数量的最大值为：可见，在同频、同半径的情况下，渐变型光纤中的导模数量比阶跃型光纤减少至少一半。2.3光纤的波动理论分析2.4.1单模光纤的折射率分布阶跃型单模光纤的折射率分布形式2.4单模光纤a0rn2n1na0rn2n1na0rn2n1n理想情况交界处呈圆形中心下陷理想情况：折射率呈阶梯型。交界处呈圆形：在r=a处呈圆形，这是由于制造时两种材料相互扩散、相互渗透造成的。中心下陷：在r=0处下陷，这是一种制造缺陷。2.4.1单模光纤的折射率分布下凹型单模光纤的折射率分布三层结构：芯层、内包层、包层。内包层使材料色散和波导色散相互抵消，减小色散。纤芯直径：2a=4~10μm内包层直径：2S=几十微米包层直径：2b=125μm2.4单模光纤OaSbrn9.162.4.2单模光纤的传输特性以理想折射率分布的单模光纤作为代表进行讨论，忽略折射率分布的非理想性及有意的下凹。单模传输条件：只传输一个模式的条件是归一化频率满足：

0<V<2.404832.4单模光纤2.4.2单模光纤的传输特性截止波长λc

：当λ>λc

时，光纤中只传输基模，否则导波将截止而只有辐射波。截止波长为：模场直径d：表示光纤横截面上基模场分布的直径，一般比光纤芯径要大，即：在包层中也存在场分布。2.4单模光纤2.4单模光纤2.4.4新型单模光纤色散与损耗：光信号传播过程中的畸变称为色散；光信号在传播过程的能量损失称为损耗。色散与损耗是影响光纤传输距离的重要因素。对常规单模光纤，光波长为1310nm附近时色散趋于0，波长为1550nm附近损耗最小，但色散较大，传输距离受到限制。新型光纤就是色散和损耗都小的光纤。主要有色散位移单模光纤（DSF）、非零色散光纤（NZDF）、色散平坦光纤（DFF）、色散补偿光纤（DCF）。2.4单模光纤2.4.4新型单模光纤色散位移单模光纤（DSF）：单模光纤的色散由材料色散和波导色散（与相位常数k有关，随后讨论）组成，通过两种色散互相补偿，可使1550nm波长的总色散为0，保持损耗特性不变。实现方法：通过改变光纤的结构参数，加大波导色散，以抵消材料色散。2030100-10-20-30-401.01.21.41.61.8λ(μm)D(ps/nm.km)材料色散波导色散总色散2.4单模光纤2.4.4新型单模光纤色散平坦单模光纤（DFF）：色散平坦单模光纤是一种有两个零色散波长1305nm和1620nm的光纤，这两个波长之间的色散保持在比较小的范围，且色散曲线相对平坦。2030100-10-20-30-401.01.21.41.61.8λ(μm)D(ps/nm.km)材料色散波导色散总色散2.4单模光纤2.4.4新型单模光纤色散平坦单模光纤（DFF）：实现方法是多包层、多折射率分布，例如W型折射率分布。2030100-10-20-30-401.01.21.41.61.8λ(μm)D(ps/nm.km)材料色散波导色散总色散下凹型三角型三包层型2.4单模光纤2.4.4新型单模光纤色散补偿光纤（DCF）：其实现方法是插入一段光纤来补偿色散。这段光纤称为色散补偿光纤（DCF）。色散补偿光纤的色散系数与正常光纤的色散系数符号相反，从而使光脉冲信号在工作波长窗口不发生畸变。主要问题损耗特性色散特性非线性效应2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性损耗分类2.5光纤的传输特性光纤损耗吸收损耗散射损耗本征吸收杂质吸收线性散射损耗非线性散射损耗瑞利(本征)散射材料不均匀散射受激喇曼散射受激布里渊散射2.5.1损耗特性功率比值与功率比值的对数表示（dB表示，分贝表示）如果两个功率的比值为：则该比值的dB表示为：单位为分贝（dB）在通信领域中，对数表示法更为通用。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性为了衡量光纤损耗特性好坏，引入损耗系数（或称衰减系数），即传输单位长度(1km)光纤所引起的光功率的减小量，单位为dB/km，数学表达式为：式中：L为光纤长度，以km为单位；P1和P2分别为光纤的输入和输出光功率（一般以mW或μW为单位）。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性吸收损耗当光波通过光纤材料时，有一部分光能变成热能，从而造成光功率的损失，这种损耗称为吸收损耗。吸收损耗与材料有关，还与光的波长有关。吸收损耗主要有本征吸收和杂质吸收。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性吸收损耗本征吸收：光纤基本材料的固有吸收，即光纤的最小极限吸收。对于SiO2石英光纤，本征吸收有两个吸收带：紫外吸收带、红外吸收带。紫外吸收带波长范围是6nm~390nm，吸收峰在160nm附近，随着波长的增加，吸收的能量按指数下降，拖尾可到700~1000nm，故可影响850nm的波长。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性吸收损耗本征吸收：红外吸收带波长范围是760nm~300000nm，吸收峰在910nm、12500nm、21000nm，吸收峰的拖尾将影响1500~1700nm的波长范围，因而影响工作波长的上限，进而使波段扩展困难。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性吸收损耗杂质吸收杂质吸收是由于材料的不纯净、工艺不完善而造成的附加吸收。杂质含量越高，损耗就越严重。影响最大的两种主要杂质：过渡金属离子（铁—1100nm、铜—800nm、铬、钴等）；氢氧根离子（OH-）—2700nm、900nm、720nm。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性散射损耗由于光纤材料、形状、折射率分布等方面的缺陷或不均匀，光信号在传导过程中也将产生损耗，这种损耗称为散射损耗。散射损耗分为线性散射损耗（瑞利散射、材料不均匀散射）和非线性散射损耗（受激喇曼散射、受激布里渊散射）。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性散射损耗瑞利散射：由于光纤材料的折射率随机变化（密度不均匀、内部应力不均匀）而引起的散射。瑞利散射损耗与（1/λ4）成正比，所以，在长波波段的瑞利散射小。瑞利散射是固有的，无法完全消除。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性散射损耗材料不均匀散射：由于结构的不均匀性（如纤芯截面不圆、粗细不匀等）、光纤制作缺陷（如纤芯中的气泡、纤芯与包层交界粗糙等）引起的散射损耗。材料不均匀性散射损耗与波长基本无关。通过改造制造工艺来降低光纤的不均匀性、减少缺陷。2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性散射损耗其它散射损耗：光纤过度弯曲包层损耗等等2.5光纤的传输特性2.5.1损耗特性低损耗窗口综合各种损耗特性，光纤有两个低损耗波长（窗口）：1300nm波长的损耗接近01550nm波长的损耗在0.2dB以下（即每传输1km，光功率损失5%左右，为什么？）。2.5光纤的传输特性2.5.2散射特性光纤的色散光源发出的光具有一定波长范围，即谱线宽度。把光功率降为峰值功率一半时所对应的波长范围称为光源的谱线宽度，用Δλ

表示。Δλ范围所对应的带宽为Δf理想光源Δλ

等于0（单色）。高质量光源Δλ

较小（单色性好）。2.5光纤的传输特性0.51.00780800820840860波长（nm)相对输出功率2.5.2散射特性光纤的色散不同波长、不同模式的光在光纤中以不同径向速度传播，将引起光脉冲波形形状变化(展宽)，这种现象称为光纤的色散。光纤色散用时延差表示，单位为ps/km.nm。时延差与光源的相对带宽Δf/f成正比，这要求使用频率尽量高（或波长尽量小）的光信号，或尽量使用单色性好的光源。而前者是受限的（要兼顾损耗）。2.5光纤的传输特性2.5.2散射特性光纤的色散分类：模式色散：由于各个模式在同一频率下传输的相位常数不同引起的色散。材料色散：折射系数与波长呈非线性关系，使传输速度随波长而变所引起的色散。波导色散：光纤中的同一模式在不同频率下传输的相位常数不同引起的色散。2.5光纤的传输特性2.5.3光纤的带宽光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性：色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后在时间坐标轴上脉冲展宽（畸变）了多少。带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中光纤可以看作是一个低通滤波器，当信号（不是载波！实际上信号是调制到光载波上的，也称为调制信号）的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减。2.5光纤的传输特性2.5.3光纤的带宽光纤带宽对光信号的影响：2.5光纤的传输特性2.5.3光纤的带宽光纤的带宽：通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半（即3dB）时的频率fc的大小定义为光纤的带宽。由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽，即带宽fc满足下式：2.5光纤的传输特性光纤的非线性效应是指在强光作用下，光波信号和光纤介质相互作用所产生的物理效应：引发介质中的分子振动，对入射光进行调制而产生新的光频信号，进而产生的附加散射效应:受激喇曼散射，可用于制造激光器；受激布里渊散射，可用于制造光放大器。使折射率随光强变化而变化所引起的效应（自相位调制、交叉相位调制、四波混频等）2.6光纤的非线性效应2.7.1光缆的分类与典型结构光缆的分类根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为：市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；根据光纤的种类，光缆可以分为：多模光缆、单模光缆；根据光纤套塑的种类，光缆可以分为：紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆；根据光纤芯数的多少，光缆可以分为：单芯光缆和多芯光缆等等；2.7光缆9.19光缆的分类根据加强构件的配置方式，光缆可以分为：中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)；根据敷设方式，光缆可以分为：管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；根据护层材料性质，光缆可以分为：普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。2.7光缆2.7光缆2.7.1光缆的分类与典型结构光缆的构造光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分。缆芯缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于安全位置，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；缆芯内的金属线应妥善安排，以保证其电气性能；缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。2.7光缆护层光缆护层同电缆护层类似，是由护套和外护层构成的多层组合体。作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。2.7光缆光缆的典型结构

光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为：层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。我国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。2.7光缆2.7光缆层绞式结构：层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。骨架式结构：骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是V形、U形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置5~10根一次涂覆光纤。2.7光缆束管式结构：束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。带状式结构：带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。2.7

光缆2.7.2