第2章 光纤与光缆(1).pptx

1、第2章 光纤,2.1光纤的概述 2.2光纤的传输特性 损耗、色散和非线性效应 2.3光纤制造技术和光缆,主要内容,光纤概述,由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点，现已成为通信系统的重要传输介质之一。,光纤的结构和导光原理 光纤特性的分析方法 光纤的重要参数 折射率径向分布 相对折射率差 数值孔径 多模光纤与单模光纤 光纤的理化特性 光纤的分类 光纤的新进展,光纤概述,光纤（optical fiber ）是高度透明的玻璃丝， 具有三层结构:,光纤的结构,纤芯,包层,涂覆层,涂覆层：环氧树脂、硅橡胶等高分子材料 保护作用,纤芯：SiO2(99.9999%),掺GeO2,包层：纯SiO2

2、，掺B(硼)， 折射率低于纤芯,光纤的导光原理,光纤的导光原理全反射（Total Internal Reflection）,纤芯折射率为n1 包层折射率为n2,n1n2,光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播。,光的波粒二象性（光既可以看作电磁波，也可以看成由粒子组成的粒子流）描述光在光纤中的传输特性时对应的也有两套方法,两种分析方法： 几何光学方法 从几何光学出发，用射线理论分析光纤中的光传输特性。 波动光学方法 从麦克斯韦（Maxwell）方程出发，用波动光学理论精确、严密地分析光在光纤中的传输特性。,光纤特性的分析方法,几何光学方法涉及的基本光学定律,光在均匀介质中是沿直线

3、传播的，其传播速度为v=c/n c2.997105km/s，真空中的光速，n是介质的折射率 空气的折射率近似为1，玻璃的折射率为1.45左右 反射定律及折射定律：n1sin1=n2sin2 全反射临界角：,几何光学方法,波动光学方法,适用条件,l ,d,l ,d,研究对象,光线,模式,基本方程,射线方程,波导场方程,研究方法,折射,/,反射定理,边界条件,研究内容,光线轨迹,模式分布,光纤几何尺寸远大于光波长多模光纤,芯包层界面的全反射,光纤特性两种分析方法的对比,光纤的重要参数,阶跃型(step)光纤,渐变型(grading)光纤,2.相对折射率差, 体现光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光

4、能力,1.折射率的径向分布,数值孔径的获得几何光学方法,对于能在波导内传输的任意光线：,光纤的重要参数NA（ Numerical aperture）,3.数值孔径(NA)：更为常用的表示光纤受光能力的参数,阶跃型光纤,为芯包界面全反射临界角,NA,数值孔径（NA）表示光纤的受光能力 即凡是入射到圆锥角 以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包分界面上发生全反射 NA与光纤几何尺寸无关，典型值0.050.2 NA大，受光能力强,光纤的重要参数,数值孔径角,模式的概念,模式的概念 光射线角度 光传输的一个路径 波动光学解释（电磁场角度） 独立存在的一种电磁场分布 多模传输：多个模式电磁场线性叠加

5、 单模传输：单一模式的电磁场分布,模式的概念,模式的概念 能够在光纤中传导的电磁波 不仅满足芯/包界面上的全反射条件， 而且满足传输过程中的相干加强条件 波动光学解释 光纤中稳定存在的不同的电磁场分布形式，对应Maxwell方程的离散解 只有一系列特定频率的电磁波才能在光纤中存在！,多模光纤与单模光纤,模式数量由光纤的结构和工作参数决定,归一化频率,当V较大时，模式数 V2/2,单模条件：V2.4048，只有一个模式存在，称为基模,单模光纤 只支持一个模式传输的光纤 可以简单的通过减小芯径来获得,多模光纤 d=50m,单模光纤d=410m,多模光纤与单模光纤,单模光纤的重要参数MFD,模场直径

6、(MFD: Mode Field Diameter) 定义：单模光纤内电场强度衰减到其最大值的1/e的宽度 对单模光纤，2a与处于同一量级，由于衍射效应，有相当一部分光场处于包层中，不易精确测出2a的精确值，因而芯径只有结构设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场直径2w,2a,2w,电场强度降到峰值的1/e,在对单模光纤进行耦合、接续、弯曲损耗、色散等工程计算时，模场直径比光纤的芯径具有更重要意义 模场直径小的光纤，能量在芯子中集中的程度好，光纤弯曲造成的损耗较小 模场直径大的光纤，能量在芯子中集中的程度较差，包层中存在较多的光能量，光纤弯曲造成的损耗较大,模场直径的意义,d,

7、三种主要类型光纤的比较,光纤的物理化学特性,SiO2密度：2.2g/cm3 单模光纤外径：125m，涂覆后外径为250m 裸纤重量： 27g/km 不溶于水 受OH-影响，必须防水 抗酸碱性能较差（溶于氟酸和强碱） 绝缘性好 轴向应力承受能力强, 径向作用力承受能力弱 SIO2的软化温度在1700度左右，掺杂后的软化温度略为降低 石英光纤热膨胀系数：3.410-7/oC 涂覆层：510-7/oC,根据传输波长分类: 短波长光纤 工作波长0.70.9um,用于短距离、小容量通信 长波长光纤 工作波长1.11.6um,用于中长距离、大容量通信 ITU-T标准光纤： G.651: 渐变型多模光纤(M

8、MF) G.652：普通单模光纤（SMF） G.653：色散位移单模光纤(DSF) G.654：截止波长位移的单模光纤 G.655：非零色散位移光纤(NZ-DSF)，产品：康宁LEAF；长飞：大保实,光纤的分类,按照光纤传输模式的多少分类： 单模光纤 纤芯直径810um，无模间色散，带宽传输容量大（光传输是单一模式） 多模光纤 纤芯直径50um，模式多存在模间色散，容量小（多模式传输）,按照光纤折射率径向分布分类： 阶跃型光纤 渐变型光纤,22,光纤的新进展,低损耗光纤：纯硅纤芯光纤 聚合物光纤（塑料光纤） 芯径大，数值孔径大，可以使用廉价的激光源 韧性和可挠性均较好，在可见光区有低损耗的窗口

9、，适用于接入网 目前FTTH工程中最有希望的传输介质 光子晶体光纤 通常截面上具有复杂的折射率分布，由排列形式不同的气孔来形成 气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在光纤芯区传播 可以形成无尽单模特性 具有特殊的色散和非线性特性,第二章 光纤与光缆,2.1光纤概述 2.2光纤的传输特性 损耗、色散和非线性效应 2.3光纤制造技术和光缆,光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。 但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗和色散，当信号强度较

10、高时还存在非线性。,光纤的传输特性,光纤的传输特性,损耗 色散 非线性,衰减,损耗,输入信号,输出信号,时间,时间,色散,脉冲展宽,频率,非线性,新频率,损耗 体现了光纤对光波的衰减作用，限制了光信号的传播距离 损耗系数（定义前提是光纤是均匀的） 光在单位长度光纤中传输时的衰耗量（单位：dB/km） 光功率随着传输距离的增加成指数式衰减,光纤的传输特性损耗,分贝的定义,分贝(decibel)是量度两个相同单位之数量比例的单位，主要用于量度声音强度，常用dB表示。 用相当简单的方式表示很大比值 在光通信中有三种用法： 表示功率单位(dBm) P(dBm)=10log10(P) 1mW0dBm 表

11、示信噪比（SNR）：SNR=Ps/Pn SNR(dB)=10log10(Ps/Pn) 表示损耗及损耗系数： 损耗(dB)=PR(dBm)-PT(dBm)=10log10(PR/PT) 损耗系数(dB/km)=损耗(dB)/光纤长度(km),分贝的计算举例,损耗系数的计算举例 假设某一低损耗光纤在1550nm波长处的损耗系数为0.15dB/km 信号在该光纤中传输20km后信号光功率将变为原功率的多少？ 答案是50 40km以后呢？ 25(损失了6dB),例如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率减小到一半，表明损耗是3dB。,损耗的主要来源-吸收损耗,吸收损耗是光波通过光纤时，有一部分光能被光

12、纤吸收变成热能引起的光功率的损失 本征吸收 光纤基质材料固有，与瑞利散射共同决定损耗下限 （一）紫外吸收 处于低能级的电子吸收光波能量跃迁到高能级而产生的光功率损失 随着波长增大，其吸收作用逐渐减小，但影响区域很宽，直到1m以上的波长,损耗的主要来源-吸收损耗,本征吸收 （二）红外吸收 光波的一部分能量传递给分子使其振动加剧导致的光功率损失 非本征吸收杂质离子吸收 光纤材料的不纯净导致的附加损耗 影响最为严重的是过度金属离子以及水的OH-,晶格,损耗的主要来源-散射损耗,散射损耗是指光纤材料或波导结构不完善（如材料和折射率分布不均匀、尺寸、形状不规则等等）引起光的散射，进而导致的光功率损失。

13、Rayleigh散射损耗本征散射 光纤中不可避免的微小缺陷(如折射率或材料密度的微小波动)使其中传输的光发生散射，散射效应将破坏光在芯包分界面上的全反射条件，使部分光传出纤芯导致损耗 -4 在1.55 m波段，瑞利散射引起的损耗仍达0.120.16 dB/km ，是该段损耗的主要原因。 光纤结构不规则引起的散射损耗,损耗的主要来源-弯曲损耗,宏弯损耗 光纤发生弯曲半径比光纤直径大得多的弯曲时造成的损耗 微弯损耗 由光纤轴向上随机性的微小弯曲造成的损耗,弯曲曲率半径减小 宏弯损耗指数增加,损耗来源,分子振动态的改变对光子的吸收(红外吸收) 电子跃迁对光子的吸收 (紫外吸收),杂质离子吸收,过渡金

14、属离子 OH-（2.73um, 1.38um）,散射损耗,Rayleigh散射 光纤结构不规则引起,弯曲损耗,材料对光的本征吸收,瑞利散射损耗也是一种本征损耗，它和本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值，是1550nm波段光纤损耗的主因！,损耗的主要来源,（材料固有的吸收）,宏弯损耗 微弯损耗,接续损耗,附加损耗，光纤使用时人为造成,680,920,1380,0.2,0.33,(dB/km),(nm),OH- 吸收,红外吸收,紫外吸收,Rayleigh散射,总损耗,损耗与波长密切相关！,损耗谱的划分,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗 (dB/k

15、m),波 长 (nm),OH离子吸收峰,损耗谱-三个传输窗口,损耗谱,全波光纤,关于损耗的几点说明,由于光纤损耗的存在，光纤中传输的光功率将随着传输距离的增加按指数式衰减 光纤的损耗与波长密切相关，1.31m和1.55m波段是两个主要的低损耗窗口 掺Er光纤放大器的放大窗口为1.53-1.56m，因此1.55m波段是目前长距离、大容量光纤通信的主要窗口 全波光纤：不存在由于OH-的存在而引起的损耗峰 Rayleigh散射和本征吸收损耗决定光纤的损耗极限！,光损耗对通信质量的影响,单信道光纤通信系统 当发射功率和最小接收功率确定时，光纤总损耗就受到限制，光纤损耗系数越大，长度就会减少。 即光纤损

16、耗的存在会限制光纤通信系统的光接收机和光发送机间的光纤长度。 多信道（波长）光纤通信系统 光纤损耗的存在会限制光纤通信系统的光接收机和光发送机间的光纤长度。 若在不同信道上，光纤损耗不同，则不同信道对光接收机和光发送机间的光纤长度要求不同，在光纤通信系统设计时应注意这个问题以确保各信道的光功率损耗均在限制范围之内。,光纤损耗的降低,提纯材料，减小过渡金属离子与OH-的影响。 将光纤预制棒制作时的粉尘颗粒减小，使得瑞利散射更小。 光纤线路损耗的降低： 减小光纤自身损耗 减小光纤接续损耗 使用光放大器,光纤预制棒是制造石英系列光纤的核心原材料。简单地说，用于拉光纤（丝）的玻璃特种预制大棒。 人们在

17、制造光纤时先要制做出光纤预制棒，预制棒一般直径为几毫米至几十毫米（俗称光棒）。,光纤的内部结构就是在预制棒中形成的，因而预制棒的制作是光纤工艺中最重要的部分。光棒具备了光纤的基本结构，通过拉丝机拉出来的裸纤就包括了纤芯和包层。,42,光纤的接续问题,对光纤制作和接续都提出很高要求！,不理想的光纤接续带来额外损耗,制作不理想的光纤在接续时也会带来额外损耗,光纤,现有的光纤接续方法,永久接续 采用电弧放电方式实现光纤熔接光纤熔接机 损耗可小于0.01dB 可反复插拔的接续 利用精密连接头实现光纤跳线+法兰盘 光纤跳线是用来连通从设备到光纤链路或连通设备之间光路的跳接线 法兰盘(转换器)是将光纤跳线连接在一起的器件 损耗可小于0.1dB,光纤永久性接续方法光纤熔接机,电弧放电由两个电极完成，多采用高频电源，放电电压为2000-4000V,实现光纤熔接的两个关键技术： 光纤精密对准；光纤的加热熔接常用电弧熔接,光纤的精密对准方法：纤芯直视,光纤永久性接续方法光纤熔接机,普通光纤熔接机,带状光纤熔接机,跳线：光纤两端加上连接器 光纤连接器的核心部件： 插针：陶瓷圆柱， 内有光纤 套筒,可反复插拔的接续光纤跳线,47,光纤连接器类型,回波损耗 14 dB (Fresnel),Common multimode fiber connector,Air