光纖通信課件：第2章 光纖和光纜

第2章光纖和光纜內(nèi)容要求2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型2.2光纖傳輸原理2.3光纖傳輸特性2.4單模光纖的進(jìn)展和應(yīng)用光纖結(jié)構(gòu)纖芯材料主要成分為摻雜的SiO2，含量達(dá)99.999%，其余成分為極少量的摻雜劑如GeO2等，以提高纖芯的折射率。纖芯直徑約為8m~100m。包層材料一般也為SiO2，外徑為125m，作用是把光強(qiáng)限制在纖芯中。為了增強(qiáng)光纖的柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和耐老化特性，還在包層外增加一層涂覆層，其主要成分是環(huán)氧樹酯和硅橡膠等高分子材料。光能量主要集中在纖芯傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離,并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型

2.1.1多模光纖可以傳播數(shù)百到上千個模式的光纖，稱為多模（MM，Multimode）光纖。根據(jù)折射率在纖芯和包層的徑向分布情況，又可分為階躍多模光纖和漸變多模光纖。光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo)階躍(SI，StepIndex)多模光纖折射率n1在纖芯保持不變，到包層突然變?yōu)閚21.階躍多模光纖結(jié)構(gòu)漸變(GI,GradedIndex)多模光纖折射率不像階躍多模光纖是個常數(shù)，而是在纖芯中心最大，沿徑向往外按拋物線形狀逐漸變小，直到包層變?yōu)閚22.漸變多模光纖圖2.1.1實(shí)用光纖三種基本類型

光纖拉絲裝置

在鼓上的光纖2.1.2單模光纖---色散最小只能傳播一個模式的光纖稱為單模光纖標(biāo)準(zhǔn)單模(SM,SingleMode)光纖折射率分布和階躍型光纖相似，只是纖芯直徑比多模光纖小得多，模場直徑只有（9~10）m光線沿軸線直線傳播,色散使輸出脈沖信號展寬最小。單模光纖結(jié)構(gòu)表2.1.1階躍多模光纖、漸變多模光纖和

階躍單模光纖的特性比較

為調(diào)整工作波長或色散特性，改變折射率分布，可以設(shè)計出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光纖。已經(jīng)開發(fā)的有：多模光纖(G.651)，普通單模光纖(G.652)，色散移位光纖(G.653)， 非零色散移位光纖（G.655），在1.55m衰減最小的光纖（G.654），色散補(bǔ)償光纖，全波光纖（G.656），接入網(wǎng)用光纖(G.657) 光纖種類2.2光纖傳輸原理2.2.1傳輸條件

圖1.3.1光波從折射率較大的介質(zhì)入射進(jìn)入折射率較小的介質(zhì)，在邊界反射和折射光纖波導(dǎo)傳輸光的原理---臨界角i

<c的光線將有部分光能進(jìn)入包層泄漏出去,如圖2.2.2(a)所示。當(dāng)i=c時，光線在波導(dǎo)內(nèi)以c入射到纖芯與包層交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為t)，如圖2.2.2(b)所示。當(dāng)入射角超過臨界角（i>c

）時，沒有透射光，只有反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射(TIR，TotalInternalReflection),如圖2.2.2(c)所示，這就是多模光纖波導(dǎo)傳輸光的原理。圖2.2.2光波從折射率較大的介質(zhì)以三種不同的入射角進(jìn)入折射率較小的介質(zhì),出現(xiàn)三種不同的情況光纖傳輸--全反射條件2.2.1傳輸條件全反射條件 光波從折射率較大的介質(zhì)入射進(jìn)入折射率較小的介質(zhì)時，在邊界將發(fā)生反射和折射,當(dāng)入射角超過臨界角時，將發(fā)生全反射。相干加強(qiáng)條件

對于特定的光纖結(jié)構(gòu)，只有滿足一定條件的電磁波可以在光纖中進(jìn)行有效的傳輸。這些特定的電磁波稱為光纖模式。光纖中可傳導(dǎo)的模式數(shù)量取決于光纖的具體結(jié)構(gòu)和折射率的徑向分布。如果光纖中只支持一個傳導(dǎo)模式，則稱該光纖為單模光纖支持多個傳導(dǎo)模式的光纖稱為多模光纖光線在光纖端面以不同角度

從空氣入射到纖芯，不是所有的光線能夠在光纖內(nèi)傳輸，只有一定角度范圍內(nèi)的光線，在射入光纖時，產(chǎn)生的折射光線才能在光纖中傳輸。假如在光纖端面的入射角是，在波導(dǎo)內(nèi)光線與垂直于光纖軸線的夾角是。此時，>c(臨界角)的光線將發(fā)生全反射，而<c的光線將進(jìn)入包層泄漏出去。于是，為了光能夠在光纖中傳輸，入射角

必須要能夠使進(jìn)入光纖的光線在光纖內(nèi)發(fā)生全發(fā)射而返回纖芯，并以曲折形狀向前傳播。圖2.2.3不同入射角的光線

全反射條件數(shù)值孔徑

(NA)

圖2.2.1光纖傳輸條件NA表示光纖接收和傳輸光的能力NA(或sinmax)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)。從光源到光纖的耦合效率越高。對無損耗光纖，在max內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的輸出信號展寬越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)使用場合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。相干加強(qiáng)條件

在光纖中傳輸?shù)墓饩€必須與它自己相長干涉，

否則相消干涉將相互抵消圖2.2.2光線以法線和斜射入射時在纖芯內(nèi)以不同的路經(jīng)傳輸與光纖軸垂直的橫截面的電場分布和強(qiáng)度分布

圖2.2.4幾種LP模的歸一化傳輸常數(shù)與歸一化頻率V的關(guān)系，隨著V的增加，光纖傳輸?shù)哪Ｊ揭苍黾?.2.3單模光纖的基本特性1.基模傳輸條件由2.2.2節(jié)的分析可知，單模光纖的傳輸條件是歸一化頻率此時其它模式的光波均被截止，只有HE11模（線偏振模LP01）在光纖中傳輸，它是光纖的主模。V值由式（2.2.6）確定

2.2.3單模光纖的基本特性4.模場半徑單模光纖中的場強(qiáng)大部分局限在纖芯直徑2a中，但是仍然有一部分泄露到包層中，設(shè)泄露到包層的深度是，如圖2.2.3（b）所示，因此單模光纖的纖芯直徑對于描述場強(qiáng)的分布已沒有多大意義，而改用模場半徑（w）來描述基模場強(qiáng)在空間的分布，場強(qiáng)在波導(dǎo)中的分布用模場直徑（MFD）2w=2a+2

表示2.2.3單模光纖的基本特性5．纖芯和包層中的光功率分配模場半徑（w）可以描述基模場強(qiáng)在空間的分布，與此相關(guān)，基模功率沿光纖縱向（r方向）的分布是：大部分功率集中在纖芯傳輸，小部分在包層中傳輸，而且隨著b的減?。ń咏刂梗?，光場更多地向包層泄露，如圖2.2.6所示。圖2.2.6LP01模（HE11模）和LP11的歸一化光功率分布例題例2.2.1例2.2.2例2.2.4例2.2.5光纖是熔融SiO2制成的，光信號在光纖中傳輸時，由于吸收、散射和波導(dǎo)缺陷等機(jī)理產(chǎn)生功率損耗，從而引起衰減。2.3.1衰減瑞利（1877~1919）瑞利散射發(fā)明家1904年獲得諾貝爾獎率減系數(shù)引起衰減的原因光纖是熔融SiO2制成的，光信號在光纖中傳輸時，由于吸收、散射和波導(dǎo)缺陷等機(jī)理產(chǎn)生功率損耗，從而引起衰減。吸收損耗是可以改善的 目前由于超純石英光纖工藝的改進(jìn)，已消除了這一波長附近的損耗峰，使(1350~1450)nm波段的損耗也降低到0.3dB/km左右，該波段就是光纖傳輸?shù)牡谖鍌€窗口，它位于第二個窗口和第三個窗口之間。這種能夠在1200~1650nm整個范圍內(nèi)都可用來進(jìn)行DWDM光纖通信的光纖就是全波光纖圖2.3.2典型光纖衰減譜2.3.2色散各模群速度不等引起脈沖展寬色散種類：

模式色散 色度色散 偏振模色散色散起因及其限制色散是由于不同成分的光信號在光纖中傳輸時，因群速度不同產(chǎn)生不同的時間延遲引起的一種物理效應(yīng)。光信號分量包括發(fā)送信號調(diào)制和光源譜寬中的頻率分量，以及光纖中的不同模式分量。如果信號是模擬調(diào)制，色散限制了帶寬。如果信號是數(shù)字脈沖，色散使脈沖展寬。色散通常用3dB光帶寬或脈沖展寬來表示，這里是輸出光脈沖相對于輸入光脈沖的展寬。如果脈沖是高斯函數(shù)，則，這里和

分別為輸入和輸出脈沖的寬度。

色散系數(shù)D

在光纖通信系統(tǒng)中，由光源的譜寬決定，常用代替。利用和，則脈沖展寬變成

（2.3.8）式中（2.3.9）

群速度色散

D稱為色散系數(shù)，單位為。色散對光纖所能傳輸?shù)淖畲蟊忍厮俾蔅的影響可利用相鄰脈沖間不產(chǎn)生重疊的原則來確定（見圖2.3.13），即。

色散對光纖所能傳輸?shù)淖畲蟊忍厮俾蔅的影響可利用相鄰脈沖間不產(chǎn)生重疊的原則來確定2．光纖色散種類模式色散色度色散：（材料色散+和波導(dǎo)色散）偏振模色散。

色度色散又分為材料色散和波導(dǎo)色散。對于多模光纖，模式色散是主要的，材料色散相對較小，波導(dǎo)色散一般可以忽略。對于單模光纖，由于只有一個模式在光纖中傳輸，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散，而且材料色散是主要的，波導(dǎo)色散相對較小。對于制造良好的單模光纖，偏振模色散最小。模式色散是由于在多模光纖中，不同模式的光信號在光纖中傳輸?shù)娜核俣炔煌鸬竭_(dá)光纖末端的時間延遲不同，經(jīng)光電探測后各模式混合使輸出光生電流脈沖相對于輸入脈沖展寬圖2.3.5多模光纖模式色散多模光纖各模

傳輸路徑不同引起脈沖展寬（2）色度色散（或色散）色度色散是由于不同波長(顏色)的光以不同的速度在光纖中傳輸引起不同的時間延遲而產(chǎn)生的。色度色散(ChrometicDispersion)又分為材料色散和波導(dǎo)色散，常簡稱為色散。所有光源都是在一定波長范圍內(nèi)發(fā)射的非單色光，當(dāng)各種波長的光進(jìn)入纖芯后，由于波長與折射率有關(guān)，所以在光纖波導(dǎo)中的光以不同的群速度在纖芯內(nèi)傳輸，波長短的波速度慢，波長長的波速度快，所以它們到達(dá)光纖末端的時間也不同，導(dǎo)致輸出脈沖展寬。圖中表示光纖的傳輸延遲，表示由于光纖色散引起的輸出脈沖展寬。圖2.3.6色散引起單模光纖輸出脈沖展寬圖2.3.7典型單模光纖的色散系數(shù)材料色散+波導(dǎo)色散

材料色散系數(shù)（2.3.13）波導(dǎo)色散系數(shù)（2.3.16）式中n2和Ng2分別是包層的折射率和群折射率，a是光纖芯半徑。SiO2的波導(dǎo)色散系數(shù)可近似為（2.3.20）圖2.3.8標(biāo)準(zhǔn)光纖、色散移位光纖、非零色散移位光纖、色散平坦光纖和色散補(bǔ)償光纖的色散特性2.3.10色散平坦光纖的

色散系數(shù)和折射率分布

例2.3.2

例2.3.32.3.3光纖比特率在數(shù)字通信中，沿光纖傳輸?shù)耐ǔＪ谴硇畔⒌墓饷}沖。在發(fā)射端，信息首先被轉(zhuǎn)變成脈沖形式的電信號，如圖2.3.13所示，代表信息的數(shù)字比特脈沖通常都很窄。電脈沖驅(qū)動光發(fā)射機(jī)（如LD）使其在二進(jìn)制“1”碼時發(fā)光，“0”碼時不發(fā)光，然后耦合進(jìn)光纖，經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)光接收機(jī)，再還原成電脈沖，最后從中解調(diào)出信息。數(shù)字通信工程師感興趣的是光纖能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)字速率。這個速率稱為光纖的比特率容量B（bit/s），它直接與光纖的色散特性有關(guān)。圖2.3.13最大比特速率由色散引起的脈沖展寬決定圖2.3.14高斯輸出光脈沖和允許兩個連續(xù)輸出光脈沖互相搭接的程度例2.3.5單模光纖的種類G.651標(biāo)準(zhǔn)多模光纖G.652標(biāo)準(zhǔn)單模光纖G.653色散移位光纖G.654衰減最小光纖G.655非零色散光纖G.656寬帶全波光纖

G.657接入網(wǎng)用光纖

色散補(bǔ)償光纖2.5光纖的選擇對光纖的基本要求是：從發(fā)射光源耦合進(jìn)光纖的光功率最大；光信號通過光纖傳輸后產(chǎn)生的畸變最?。还饫w的傳輸窗口要滿足系統(tǒng)應(yīng)用的要求。具體的設(shè)計要根據(jù)使用條件進(jìn)行折衷。衰減在選定的波長,衰減要足夠小，以使在滿足接收機(jī)所要求的光功率的前提下，使中繼距離