冶金文档光纤通信

光纤通信

―原理与应用

第2章光纤

第2章光纤

2.1光纤的基本概念

2.2光纤传光原理

2.3光纤特性参数

2.4光纤连接方式

2.5光纤在通信领域中的应用第2章光纤

2.1光纤的基本概念

2.1.1光纤基本结构

光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构图2-1光纤结构示意图

纤芯和包层由透明介质材料构成，其折射率分别为n1和n2。

为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是n1＞n2。2.1.2光纤分类

1．按纤芯和包层材料划分可分为石英光纤和塑料光纤2．按光纤折射率分布特点划分主要分为阶跃光纤和渐变光纤

3．按光波模式（即电磁波类型）划分

可分为多模光纤和单模光纤。多模光纤：

纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50m左右），适用于中容量、中距离通信。单模光纤：

纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个微米），适用于大容量、长距离通信。

2.1.3光纤制造简述

通信用光纤大多数由石英玻璃材料构成。光纤的制造要经历材料提纯、熔炼、拉丝、套塑等具体的工艺步骤。

1．提纯工艺提纯的目的是去掉原料中的有害杂质，一般要求有害杂质的含量不得大于10−6。

2．熔炼工艺熔炼的目的是将超纯的原料经过高温化学反应，合成具有一定折射率分布的预制棒。

3．拉丝工艺拉丝的目的是将已制作好的预制棒拉成高质量的光纤。

4．套塑工艺套塑的目的是将带有涂覆层的光纤再套上一层热塑性材料，进一步增强光纤的强度。

2.1.4光缆结构及类型

1．光缆结构

（1）缆芯

光缆中包含的光纤构成缆芯。缆芯可以放在光缆的中心或非中心部位。

（2）加强构件在光缆中心或外护层内加入钢丝或玻璃纤维增强塑料，用来增强光缆的拉伸强度。

（3）光缆护层光缆从里到外加入一层或多层圆筒状护套，用来防止外界各种自然外力和人为外力的破坏。护套应具有防水防潮、抗弯抗扭、抗拉抗压、耐磨耐腐蚀等特点。光缆护层常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯和聚酰胺。此外，还有铝、钢、铅等密实的金属层用来防潮。

（4）填料在缆芯与护套之间填充防潮油胶，用来阻止外界水分和潮气侵入缆芯内。

（5）铠装用钢丝、钢带等坚硬金属材料做成光缆的外护套，进一步提高光缆强度，用来防鼠、防虫、防火、防外力损坏。

（6）其他有些光缆内放入若干根铜导线，用做中继馈电线、监控信号线等。2．光缆类型（1）按敷设方式分类可分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水下光缆（海底光缆）、室内光缆等。（2）按缆芯分类光纤束光缆：光纤与光纤之间不是固定黏结在一起的，每根光纤具有一定的位移自由。光纤带光缆：光纤带是利用黏结材料将多根光纤（带有一次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平面排列。

（3）按加强构件材料分类分为金属加强构件光缆和无金属光缆（4）按加强构件位置分类集中型加强构件：又分为层绞式光缆、骨架式光缆分布型加强构件：又称为中心管式光缆。（5）按有无铠装分类简式光缆：主要用于架空光缆、管道光缆。铠装光缆：主要用于长途干线直埋光缆。2.1.5光缆（光纤）型号命名方法

光缆（光纤）型号的命名是采用一横列十三项参数来表示的。其中，第一至第五项是光缆类型参数，第六至第十二项是光纤规格参数，第十三项是附加参数。图2-3光缆型号命名方法

光缆各项参数的具体意义如下：第一项光缆分类代号第二项加强构件代号第三项结构特征代号第四项护套代号第五项外护层代号

图2-4多模光纤和单模光纤规格参数的具体表示光缆类型举例：

（1）GYFGTY－4D9/125（

205）B型骨架式光纤束光缆（2）GYTS型层绞式光纤束光缆2.2光纤传光原理

2.2.1光的射线理论及光纤传光分析

1．光的射线理论

（1）直线传播定律光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为v=c/nc是真空中光速，n是均匀介质折射率。（2）反射定律和折射定律光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。

定律（3）全反射

光线从光密介质n1射向光疏介质n2时，若入射角θ1满足以下关系：θ1≥θc

arcsin(n2/n1)

则只有反射光，而无折射光。θc称为全反射临界角。2．光纤的两类入射光

子午光线：若入射光线与光纤轴心线相交，则称为子午光线。斜射光线：若入射光线与光纤轴心线无论在光纤的入射端面上还是在光纤内部都不相交，则称为斜射光线。3．子午光线的传播分析图2-13子午光线尽在阶跃光离纤内的传社播示意图（光纤筋纵剖面节图）（1）在阶千跃光纤贿内子午光线村在阶跃光建纤内传播酸的基本特始点：①光揪纤纤芯锅内传光乔路线是沉一系列环在纤芯抄与包层禾交界面绸上不枪断反殿射前进活的折线盖，这些牢折线与家光纤轴障心线相姻交，并绣且与光也纤轴心椅线共面爸。②若姿选择光占纤内的愉光线恰另好满足泊全反射雄定律，矿于是在独光纤泽入射滤端面上万的折射贸律公式犬为n0sin0=n1sin1=n1cosc在光纤内n1,n2交界面上堡的全反射魂公式为n1sinc=n2联立求解呜得式中拐，称为相对援折射率差结论：当光纤湿端面入仔射角in≤0时，光迷纤可以迷传光；隶当光纤邮端面入靠射角in＞0时，光旗纤不能程传光。0称为光写纤端面挂临界入康射角，筹它与光龟纤端面柄上入射宴点位置浑无关。（2）在渐变谊光纤内图2-14子午光线步在渐变光急纤内的传敲播示意图（光纤冶纵剖面阔图）子午光蹲线在渐纹变光纤毯内传播许的基本宿特点：①光纤纤芯嚼内传光路哭线是周期渡性连续曲魄线，与光兄纤轴心线监相交，并创且传光路彩线与光纤贪轴心线共恳面。②光倦纤端面分临界入家射角为0(r)=，与光纤塘端面上入当射点位置r有关。其压中，0(r=0)称为中单心临界诸入射角吩，0(r0)称为非中刑心临界入疼射角。可见，0(r=0)＞0(r0)，表明中耽心入射光膜线比非中将心入射光树线可以有躬大一些的鞋入射角。③光嫌纤端面拥入射角in越小，习则光纤阀纤芯内松光线越愁靠近轴脆心线传榜播。4．斜射夏光线的邮传播分锤析（1）在阶跃责光纤内斜射光线但在阶跃光柱纤内传播思的基本特够点：①纤芯动内传光路堡线是一系秆列折线，据这些折线虑与光纤轴先心线不共欺面，而是素围绕光纤李轴心线旋还转前进的筝。这些折帖线在纤芯瞎横截面上炕的正投影摧形成一个辱内切圆，满内切圆的薪半径大小裁与斜射光点线的入射符角有关。②光纤笛端面临界职入射角为副（ψ是入射袭光线进辱入纤芯蛙后的第会一条折竹线在光包纤横截照面上的熟正投影凉与半径敲之间的渡夹角）详。可见脑斜射光造线比子凤午光线图可以有献更大的现入射角忽。（2）在渐息变光纤血内斜射光线完在渐变光写纤内传播荣的基本特逮点：①纤芯暖内传光路室线是一系床列曲线，孝这些曲线质与光纤轴希心线不共邀面，而是嘉围绕光纤乳轴心线旋屯转前进的呼。这些曲遭线在纤芯惰横截面上纹的正投影诉形成一个耳内切圆，记内切圆的吵半径大小蔬与斜射光归线的入射使角有关。②上述酷这些曲线昂的起点和萌终点形成唐一个外圆疲，外圆上各毕点的介质守折射率都族相等，称输为等折射调率面。外关圆的半径目大小与斜恭射光线的剩入射角有苏关，外圆盘的最大半鱼径等于纤馋芯半径。③光纤端互面入射悟角in越小，减则外圆猴和内切匠圆半径旱越小，即纤芯内区曲线越靠强近轴心线览传播。④若扩光纤折闷射率为前抛物线建分布，著则外圆扭和内切墙圆重合槐，此时光闲纤内传颗光路线喂是围绕衡光纤轴轧心线旋贡转前进倒的螺旋线。2.2.俯2光纤导波就模式的粗城糙解(射线分析矛方法)1．导波形丈成的两个施必要条件（1）全反店射条件（2）等相面致条件ABC绿D相位变化末量-A′D′相位变抱化量=2ℓ(2-婶4)2．等相运面条件辜的化简(2-故4)式化简为4akn1cos1+20=2ℓ（ℓ=0链,1浪,2碍,…）(2-6存)称为导波胃特征方程脖。(2-笨6)式是纤芯矩内能够形猜成导波的京入射角1所应满足爸的条件，绝可见1不能连秆续取值烈。若将k1x=kn1cos1代入特谣征方程后，可得4ak1x+20=2ℓ（ℓ=0,店1,组2,…）(2-7停)称为横向痕谐振条件雨。3．导波迅模式的蚕初步结匀论（1）特征给方程中殊的ℓ称为导床波模式仗的阶次述，最低歼阶次ℓ=0称为基模忘。（2）ℓ越高，则糠纤芯内入魄射角1越小，器或光纤自端面入钩射角in越大。（3）ℓ越高，斜则k1x越大，舟即1越短，故坦横向电场候波节数越密。2.2.必3光纤导索波模式蕉的精确鲜解(电磁场手分析方待法)1．理论计假算的三大补步骤（1）利用圆致柱坐标系再（r,φ,z）中的技赫姆霍浮兹方程劲求出z方向的电廊场分量和鸦磁场分量EZ,HZ。解得：（r≤a）（r≥a）（2-8）（r≤a）（r≥a）（2-9）综合分析耐，可以得阻到导波存娱在的条痰件为kn2＜β＜kn1导波截止鸡的临界条投件为β=kn2令断，称为冰归一化搁频率。临界状遣态时膛，则滚，Vc称为归碗一化截止频率。可将上述右导波条件抢改写成导波存尿在的条路件为V＞Vc导波截阻止的临阳界条件议为V=Vc（2）由EZ和HZ利用麦克扇斯韦方程煌组求出r方向和φ方向的电薯场和磁场混分量Er,Eφ,Hr,Hφ。（3）利用Eφ,Hφ在纤芯团和包层喉交界处尊连续的怒特点，膊即在r=a处Eφ1=Eφ2,Hφ1=Hφ2，可以烫求出导厘波特征方哗程为2．四类聚导波模滥式（1）TE0n（n=1揉,2炎,3倦,…）模式钟，称为华横电波依。特点：纵坛向无电场蹲，仅有磁企场，即Ez=0，Hz≠0。（2）TM0n（n=1,款2,肺3,…）模式兼，称为商横磁波剩。特点：纵晒向无磁场挤，仅有电椒场，即Hz=0，Ez≠0。（3）EHmn（m=1柱,2恒,3将,…；n=1,科2,犁3,…）模式，原称席为混惧合波。特点：纵翼向既有电执场，又有谨磁场，即Ez和Hz≠0。（4）HEmn（m=1,私2,渠3,…；n=1,呜2,菠3,…）模式罪，称为牢混合波财。特点：惯纵向既宅有电场韵，又有草磁场，忠即Ez和Hz≠0。3．导波模州式的存在掉条件表2-2导波模辞式与归描一化截针止频率Vc的对应旺关系导波模式（矢量模）VcHE110TE01,TM01,HE21

2.4048EH11,HE12,HE31

3.8317EH21,HE41

5.1356TE02,TM02,HE22

5.5201

理论指出旬，实际光奴纤中能够邪传输的导悠波模式必趋须满足V＞Vc(2-神16)对于实针际光纤耻，可以喘先由(2-爹17)式算出V的数值大撒小，然后利储用(2-烘16)式就可金确定该专光纤传瞧输的导察波模式(2-锄17)结论：（1）HE11模式（Vc=0）在任璃何光纤珍中都存逮在（因央为单模葵和多模害光纤总怕有V＞0）。HE11模式称首为基模障。（2）满足0＜V≤2.4问048条件的光商纤，仅含厨基模，称浅为单模光衔纤；反之廊，满足V＞2.40茶48条件的由光纤，萌则含有炕基模和亏其他模汁式，称往为多模础光纤。取于是得援到光纤的隔单模工松作条件贩为0＜V≤2.娇404厕8多模工牺作条件瓦为V＞2.40膨48（3）纤芯嫌越细，础高阶模词数量越府少；纤阻芯越粗折，高阶讯模数量经越多。（4）工作亏波长越捧长，高永阶模数冻量越少析；工作轿波长越袭短，高冠阶模数油量越多偶。（5）光纤端恐面临界入刺射角0越小，甚高阶模俗数量越祝少；0越大，挽高阶模总数量越千多。（6）理论算站得光纤传企导模的总谨数N为阶跃多齐模光纤N≈V2/2渐变多模它光纤N≈V2/4标量模又绩称为线性于偏振模由于通常游光纤(n1–n2)/n1≤0.0嫂1，故可将垃光纤内传拢播的光线冠近似看成字是与光纤藏轴心线平抖行的。因交而，所传销光线的电晕磁场横向谣分量很大梦，而纵向鼓分量则很卫小，并且开近似认为撒，在入射壁光线的传和播过程中童，场的横验向偏振方觉向保持不植变，即视盼传播光线厕为线性偏敌振，因而险可以用一浊个标量来忍描述。标量模忍的存在钻条件为V＞Vc’雾(租2-2残0)表2-3标量模LPmn的归一享化截止靠频率Vc’Vc’m0123…n10(LP01)2.4048(LP11)3.8317(LP21)

5.1356(LP31)…23.8317(LP02)

5.5201(LP12)

7.0156(LP22)

8.4172(LP32)

…37.0156(LP03)8.6537(LP13)10.1735(LP23)

11.6198(LP33)

…┆┆┆┆┆┆2.3光纤特性瓣参数2.3.没1数值孔径1．定义：肯数值孔径钢等于光纤治端面临界晚入射角的顺正弦值（1）阶跃鼓光纤数值值孔径阶跃光纤德的斜射光慰线比子午姨光线可以蹄有较大的盲入射角（2）渐变光止纤数值孔伞径渐变光纤话的斜射光漆线比子午航光线也可苗以有较大赛的入射角（3）最大理打论数值孔易径（4）远场强种度有效数亿值孔径NAeff和NAt之间的关究系：NAeff=式中是纤芯矿折射率剑分布指坡数。阶跃光畏纤：抛物渐变作光纤：2．数值孔雾径与光源刮波长的关疾系3．数值孔蹄径的物理宰意义数值孔径淋表示光纤剂采光能力迎的大小。汗数值孔径奶越大，则躬光纤与光终源或和其泰他光纤的沉耦合就越棍容易。但这数值孔径讽过大，则Δ大，这会润增加光纤递传输损耗势，故数值每孔径应适楚当取值。ITU-雄T规定：知多模渐徐变光纤宪的NAt=(0.盲18～0.24傅)±0.冲02，单模寸光纤NAt≈0.1辽1。（dB/k铅m）(2-2聚9a)2.3录.2衰减特性1．定义（1）衰减常盐数光在光纤骑中传播时辱光功率的局衰减，称伙为光纤损笨耗。常用泛衰减常数来表示，银其定义为物理意先义：表示光咳纤单位脆长度上董光功率涛的变化浪，它影辈响光纤这传光距推离的远士近。（2）单模光指纤半经验嘉公式=(0.崇53+亦66Δmax+0.摩21c)/4（dB/k荐m）(2-检30)2．衰减产面生的主要惭原因（1）本征贪损耗（泽光纤材公料所固厘有）（2）工艺损衰耗（在提阿纯、熔炼喘、拉丝等痰过程中产押生）（3）布线眨施工损端耗①强先弯曲损早耗；御②微桨弯曲损岔耗；昌③接毅头损耗鸽。3．光纤通服信使用的红波段（1）短波蒸长窗口欧（近红谁外窗口索）波长范围施是0.8靠0～0.9唤0m，通常使箩用0.8扛5m。（2）长波长赛窗口（近垒红外窗口禁）波长范围找是1.25～1.3逮5m及1.5退0～1.6小0m，通常液使用1.31m及1.5全5m。目前的打光纤通泽信系统越多采用馆长波长饭窗口。2.3治.3截止波长1．定义截止波长抄是光纤中跨只能传导材基模的最便低工作波绍长。若工作能波长高辰于截止侵波长，减则高次荐模截止聪，仅仅德传导基羊模，此游时光纤屿称为单烦模光纤鹅；若工抛作波长猪低于截充止波长慢，则高母次模传单导，此委时光纤趟称为多是模光纤复。（1）理论必截止波牛长ct其中Vc≡2耽.40腹48方(2-向31)光纤的胞单模工布作条件宣为≥ct光纤的多百模工作条蹈件为＜ct（2）2m长涂覆光粱纤实测截丝式止波长c（3）22m长光缆实形测截止波菌长cc（4）一个中臂继段光缆席的有效截确止波长ce以上四种鸟截止波长悉的关系是ct＞c＞cc＞ce(2-服32)3．确定冤截止波喉长的目枪的是为了饼确实保翻证光纤园中的单纲模传输宇。光纤越长剑，衰减越团大，并且禽高阶模比伟低阶模衰矛减得更快倡，因此，互若两光纤鸣的a,n1,n2,,in都分别相话同，则短浊光纤比长分光纤的高些阶模多。转若两光纤潜的a,n1,n2,in及高阶棕模类型樱均相同株，则短杂光纤比庄长光纤四的大。所以烤，只要保衣证了最短跪光纤中是浆单模传输踩，就更可己以保证任贴何较长光添纤中也是议单模传输戏。总之，肯单模工作世条件是≥ct＞c＞cc＞ce(2-3其3)2.3涌.4带宽与屿色散1．光纤带眉宽的概念光纤的检频带特害性与光课纤的长胞度有关去系，常费用“带偏宽·距离”积庸来表示光眉纤的频带丘特性，其忌单位常使械用MHz勇·km或GHz·垮km。2．影响迟带宽的约原因（1）模间色嘉散①定展义同一波长没光信号的橡不同模式改成分之间杰的色散，蹄称为模间盏色散或模堂式色散。求模间色散魔只在多模陆光纤中存类在。②产生原已因多模光纤匙中各个模吼式的光传移播的路径促和速度不臂同，使得讨在光纤出拆射端各模坏式的到达咸时间不一要致，产生镇时延差，侦引起光脉羞冲展宽。图2-20模间色散涛时延差导刊致光脉冲还展宽的示蚕意图证明：抛酿物渐变光霞纤（=2）具有最晃小模间色迟散。第一步删：证明莫光纤端悟面轴心胀处入射垃角in不同的入之射子午光寻线在纤芯愈内都通过丹轴心线上刚的O’点。图2-2卵1抛物渐变核光纤子午苏光线模间摔色散时延汉差计算图可以证得瘦：可见长度与in无关，这女表明in不同的叔入射子雁午光线取在纤芯茧内都能锅汇聚于O‘点。●第二步映：证明in不同的啦入射光灾线自O→O’的传播时泳间T都为这表明T与in无关，不同的光叹线在纤芯轮内走完O→O'路径所用解的时间相纯同，即不龟存在时延勾差。结论：从光纤端告面轴心处温同时入射努的子午光溜线，不论滤其入射角in是否相等控，它们都伙能在抛物倦渐变光纤奋内同时汇岁聚于轴心淘线上的同拐一点。③模洽间最大夕时延差M的粗略估乒算阶跃光纤渐变光赛纤rm=0和rm=a的光线时秃延差为④模间色滥散带宽四计算公暴式M≈3dB（ns）(2-恐46a绍)BM≈441幅/M（MHz）(2-4赤6b)（2）模内裂色散①定义同一个扯导波模厅式的不笋同光波事长之间玻的色散妖，称为排模内色波散或色婶度色散。②产锅生原因光源光铺谱不纯;光纤石英散材料的折运射率不是倒一个常数趴，而是随碍光波长的殖增大而减逝小;波导结果构与折麻射率分阳布等参好量有关宰，使得污不同路轿径光线阿之间的浙速度差珠是一个剂随传输籍路径变壤化的复仙杂函数秩。这三方面缎原因导致旨同一个导怖波模式的就不同波长恼光线之间距产生时延回差，引起辣光脉冲展验宽。(a)材料色散光源光谱烈不纯以及巷光纤石英检材料的折造射率随波析长而变化农这两个原瞧因，所产驻生的模内松色散称为毯材料色散冶。材料色较散可以在臂单模和多盒模光纤中西存在。材料色吴散时延苏差为τn(L)=Dn()··L·10–3（ns）(2-割47a保)材料色斤散带宽臭则为(2-4塘8)(b)波导色氧散光源光追谱不纯细以及波少导结构子的影响疾，所产扔生的模宝内色散泉称为波绍导色散始。波导尘色散在鬼单模光秋纤和多俊模光纤体中都能尿够存在柔，但在返多模光愁纤中其原影响很负小，通萍常可以西略去。波导色谈散时延室差可写穗为τw(L)=Dw()··L·10–3（ns）(2-4锁9a)波导色触散带宽误则为(2-5寺0)③模内总犬的色散模内总压色散时恐延差为I(L)=n(L)+w(L)=DI()··L·10–3（ns）(2-醉51)DI()=Dn()+Dw()乎(2-森52)模内总色姥散带宽则斑为(2-5松3)（3）光纤总抱的色散公决式光纤总光的色散仗时延差株为光纤总郊的色散沟带宽为(2-圾54)(2-5扔5)3．带宽票与光纤背长度的代关系（1）模内色恭散Lkm长光纤的毯模内色散票带宽与光泼纤长度L的关系咏为BI(L)=BI(1什)/L(2-5决7a)式中，BI(1)=4显41/I(1)（MHz塌·km）(2-权57b睬)（2）模间赶色散M(L)=M(1娇)•L（＜1）(2-5脚8)BM(L)