光纖通信原理

光纖通信原理第一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第2章光纖和光纜2.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)

2.1.2光纖的類型2.2光纖的傳輸原理

2.2.1幾何光學(xué)方法

2.2.2光纖傳輸?shù)牟▌永碚?.3光纖傳輸特性

2.3.1光纖的損耗特性

2.3.2光纖的色散特性

2.3.3光纖的頻帶特性第二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)2.1.2光纖的類型第三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)纖芯：玻璃n1傳導(dǎo)光波包層：玻璃n2將光封閉在光纖中傳播涂敷層：環(huán)氧樹脂或硅橡膠增強(qiáng)光纖的機(jī)械強(qiáng)度圖2-1光纖的結(jié)構(gòu)圖第四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.1.2光纖類型第五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日二.按光纖結(jié)構(gòu)分

a-b-ab

在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變，纖芯的折射率n1和包層的折射率n2是均勻常數(shù)。

這種光纖頻帶較窄，適用于小容量短距離通信rn1.階躍光纖（SIF）第六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日

2.

漸變光纖（GIF）a-ab-brn纖芯的折射率nl隨著半徑的增加而按一定規(guī)律逐漸減少，到纖芯與包層交界處為包層折射率n2，纖芯的折射率不是均勻常數(shù)。這種光纖頻帶較寬，適用于中容量中距離通信第七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日三.按傳輸光場模式分

1.多模光纖（MMF）：

對于較大的纖芯直徑（50μm），纖芯內(nèi)傳輸多個模式的光波。（1）大尺寸階躍光纖（2）大尺寸漸變光纖

2.單模光纖（SMF）：單模光纖只傳輸一種模式，纖芯直徑較細(xì)，通常在4μm～10μm范圍內(nèi)。

此光纖帶寬極寬，適用于大容量、長距離通信第八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.2光纖的傳輸原理第十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.2.1幾何光學(xué)方法光的折射與反射當(dāng)光線大于臨界角入射當(dāng)光線小于臨界角入射光纖的傳光原理第十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日1.突變型多模光纖第十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日數(shù)值孔徑第十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日表示光纖接收光的能力第十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第二十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第二十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日時間延遲第二十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第二十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第二十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第二十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第二十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第二十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日g=2，n(r)按平方律(拋物線)變化，表示常規(guī)漸變型多模光纖的折射率分布由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，纖芯各點(diǎn)數(shù)值孔徑不同，所以要定義局部數(shù)值孔徑NA(r)和最大數(shù)值孔徑NAmax

（1）NA2.光在漸變光纖中傳播第二十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日由于漸變型多模光纖折射率分布是徑向坐標(biāo)r的函數(shù)，纖芯各點(diǎn)數(shù)值孔徑不同，所以要定義局部數(shù)值孔徑NA(r)和最大數(shù)值孔徑NAmax

第二十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日（2）射線方程的解射線方程1）將光線軌跡（r）和空間折射率分布(n)聯(lián)系起來2）由射線方程可推導(dǎo)出光纖軌跡表達(dá)式圓柱坐標(biāo)系折射率具有圓對稱性和沿軸線分布的均勻性，n與θ，z無關(guān)第三十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日

(3)射線方程的解取n(r)≈n(0)得到光線軌跡的普遍公式為：第三十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日1)漸變型多模光纖的光線軌跡是傳輸距離z的正弦函數(shù)2)對于確定的光纖，其幅度的大小取決于入射角θ0，其周期Λ=2π/A=2πa/，取決于光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(a,Δ)，而與入射角θ0無關(guān)。

θ*=θ0cos(Az)

把光線入射點(diǎn)移到中心軸線(z=0,ri=0)，(4)自聚焦效應(yīng)第三十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日這說明不同入射角相應(yīng)的光線，雖然經(jīng)歷的路程

不同，但是最終都會聚在P點(diǎn)上，這種現(xiàn)象稱為

自聚焦效應(yīng)。

第三十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.2.2光纖傳輸?shù)牟▌永碚?-光在光纖中的模式傳播光纖-圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)電場或磁場在波導(dǎo)中的某種穩(wěn)定存在的形式第三十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日1波動方程和電磁場表達(dá)式第三十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第三十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日求得縱向場分量，在得到橫向場分量第三十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日38第三十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日光沿Z軸傳播，傳輸常數(shù)為β光纖的圓對稱性，應(yīng)為方位角的周期函數(shù)第三十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日k=2π/λ=2πf/c=ω/c

λ和f為光的波長和頻率這樣就把分析光纖中的電磁場分布，歸結(jié)為求解貝塞爾方程設(shè)：纖芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1

包層(r≥a)折射率n(r)=n2為求解此方程，引入無量綱參數(shù)u,w和V。

u2=a2(n21k2-β2)0≤r≤a導(dǎo)波徑向歸一化相位常數(shù)w2=a2(β2-n22k2)ra導(dǎo)波徑向歸一化衰減常數(shù)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)歸一化頻率

歸一化傳輸常數(shù)第四十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日利用這些參數(shù)，把式(2.21)分解為兩個貝塞爾微分方程：

因?yàn)楣饽芰恳诶w芯(0≤r≤a)中傳輸：在r=0處，電磁場應(yīng)為有限實(shí)數(shù)在包層(r≥a)，光能量沿徑向r迅速衰減當(dāng)r→∞時，電磁場應(yīng)消逝為零。第四十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日在纖芯和包層的電場Ez(r,φ,z)和磁場Hz(r,φ,z)表達(dá)式為光纖傳輸模式的電磁場分布和性質(zhì)取決于特征參數(shù)

第四十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日J(rèn)v(u)類似振幅衰減的正弦曲線Kv(w)類似衰減的指數(shù)曲線u和w決定纖芯和包層橫向(r)電磁場的分布，稱為橫向傳輸常數(shù)β決定縱向(z)電磁場分布和傳輸性質(zhì)，所以稱為縱向傳輸常數(shù)Jv(u)和Kv(w)圖第四十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2特征方程和傳輸模式因?yàn)殡姶艌鰪?qiáng)度的切向分量在纖芯包層交界面連續(xù)，在r=a處應(yīng)該有第四十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第四十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第四十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日每一條曲線表示一個傳輸模式的β隨V的變化歸一化傳輸常數(shù)歸一化頻率第四十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日模式截止要求在包層電磁場消逝為零，必要條件是w>0。如果w<0，電磁場將在包層振蕩，傳輸模式將轉(zhuǎn)換為輻射模式，使能量從包層輻射出去。w=0(β=n2k)介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)，這個狀態(tài)稱為模式截止。其u、w和β值記為uc、wc和βc，此時V=Vc=uc。第四十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日模式遠(yuǎn)離截止

模式遠(yuǎn)離截止當(dāng)V→∞時，w增加很快，當(dāng)w→∞時，u只能增加到一個有限值，這個狀態(tài)稱為模式遠(yuǎn)離截止，其u值記為u∞。

第四十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日LP模對于弱導(dǎo)波光纖（Δ＜1%），一些精確模的傳輸常數(shù)接近相同，通常把這種現(xiàn)象稱為簡并，這些模式稱為簡并模。P24表2.2第五十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日

當(dāng)ν=0時，有TE0u，TM0u和金屬波導(dǎo)不同，光纖屬于介質(zhì)波導(dǎo),類型可分為TEνu、TMνu、EHνu和HEνu模式。TE0u：橫電波特點(diǎn)：縱向無電場僅有磁場TM0u：橫磁波特點(diǎn)：縱向無磁場僅有電場計(jì)算得到零階貝塞爾方程的根：2.40483，5.52008，8.65373依次對應(yīng)TE01TM01,TE02TM02,TE03TM03DE截止頻率第五十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日

TEon模TMon模第五十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日當(dāng)ν≠0時，HE模，EH模

電磁場的六個分量都存在HE模:EZ<HZEH模:EZ>HZ低階模式的歸一化頻率VC0HE11（基模）2.40483TE01TM01HE213.83171EH11HE12HE315.13562EH21HE415.52008TE02TM02HE226.38016EH31HE51第五十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第五十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日對于一條實(shí)際光纖，其歸一化頻率V是一定的，只有Vc<V的模式才可以傳輸。例如V=3.則只有TE01TM01,能傳輸導(dǎo)行條件Vc<V截止條件Vc>V臨界條件Vc=V第五十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第五十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第五十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日3單模光纖的模式特性第五十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第五十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第六十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第六十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第六十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2單模場結(jié)構(gòu)第六十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第六十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日3雙折射第六十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第六十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第六十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第六十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.2總結(jié)

NA

Δτ階躍光纖

漸變光纖傳光原理自聚焦效應(yīng)射線理論傳光原理波動理論光纖的歸一化頻率V模式的截止頻率VC單模光纖（HE11)傳輸條件sinθ＜NA的光能在光纖中傳輸VC＜V第六十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.3光纖的傳輸特性2.3.1色散特性2.3.2頻帶特性2.3.3損耗特性2.3.4光纖的標(biāo)準(zhǔn)第七十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第七十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.3.1色散特性一.定義光纖中傳輸?shù)墓庑盘柺怯刹煌Ｊ健㈩l率的電磁波攜帶的，它們的傳輸速度不同而引起傳輸信號在波形上發(fā)生畸變的的一種物理現(xiàn)象。第七十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日二.表示方法：Δτ三.分類：

第七十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日1.模式色散定義：在多模光纖中，由于不同模式的光信號在光纖中傳輸?shù)娜核俣炔煌虼擞胁煌娜簳r延差，在光纖的輸出端會造成脈沖展寬。第七十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日漸變型光纖模式色散由于離軸心較遠(yuǎn)的折射率小，因而傳輸速度快。離軸心較近的折射率大，因而傳輸速度慢。結(jié)果使不同路程的光線到達(dá)輸出面的時延差近似為零，所以漸變型多模光纖的模式色散較小。第七十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.模內(nèi)色散單模光纖中內(nèi)部只有HE11模，不存在模式色散。只有模內(nèi)色散。原因是群速度色散。

群速度色散：基模的群速度與頻率有關(guān)，光脈沖的不同頻率分量具有不同的群速度，因而到達(dá)光纖輸出端的時間會產(chǎn)生差別，結(jié)果導(dǎo)致脈沖展寬。

vg=v.cosθ

vgZ第七十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日(1)材料色散定義：是光纖材料的折射率隨頻率而變，可使信號的各頻率群速度不同引起色散。（2）波導(dǎo)色散定義：模式本身的色散。即指光纖中某一種導(dǎo)波模式在不同的頻率下，相位常數(shù)不同，群速度不同而引起的色散。第七十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日四.總色散單模光纖中：在1.31μm，總色散為零。這意味著在這個波長傳輸?shù)墓饷}沖不會發(fā)生展寬。在1.55μm，損耗最低，色散很大。如將零色散波長從1.31μm移到1.55μm，這就是色散位移光纖(DSF)。第七十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.3.2頻帶特性色散和帶寬描述的是光纖的同一特性色散是在時域的表現(xiàn)形式即脈沖展寬帶寬是在頻域的表現(xiàn)形式即高頻分量的衰減第七十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日H(t)Pin(t)tPout(t)tPin(ω)H(ω)Pout(ω)ωω光纖的傳遞函數(shù)H(ω)=Pout(ω)/Pin(ω)H(ω)具有低通濾波器的特性第八十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第八十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第八十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日1/2H(ω)ff3dB第八十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日實(shí)測表明，輸出光脈沖一般為高斯波形，設(shè)第八十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日圖2.11光纖帶寬和脈沖展寬的定義第八十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.3.3損耗特性第八十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日一.定義：光波在光纖中傳輸，隨著距離的增加光功率逐漸下降這就是光纖的傳輸損耗。該損耗直接關(guān)系到光纖通信系統(tǒng)傳輸距離的長短，是光纖最重要的傳輸特性之一。

光纖的損耗如圖所示第八十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日二.表示方法

Pi表示輸入光纖的功率，Po表示輸出光功率L為光纖長度（km）

第八十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日三.分類光纖損耗本征吸收吸收損耗散射損耗彎曲損耗雜質(zhì)吸收原子缺陷吸收瑞利散射損耗結(jié)構(gòu)不完善引起的散射損耗紫外吸收紅外吸收氫氧根過度金屬離子光纖彎曲損耗光纖微彎損耗第八十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日1.吸收損耗

定義：由于組成光纖的材料和雜質(zhì)對光波的吸收，使一部分光能變成散失的熱能從而造成光功率的損失。

（1）本征吸收：光纖材料的固有吸收叫做本征吸收，它與電子及分子的諧振有關(guān)。紫外吸收帶紅外吸收帶第九十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日（2）雜質(zhì)吸收損耗：由于光纖中的雜質(zhì)對光的吸收作用而造成的附加的吸收損耗，它是造成光纖損耗的主要原因。過度金屬離子：

氫氧根離子：造成雜質(zhì)吸收損耗的主要根源第九十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.散射損耗定義：散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷引起的散射。

（1）瑞利散射——固有損耗由于光纖材料密度的微觀變化以及各成分濃度不均勻引起光的散射它引起的損耗與λ-4成正比。第九十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日（2）布里淵和喇曼散射非線形散射，只有注入功率超過某一閾值時才發(fā)生。在通信線路中不考慮。（3）結(jié)構(gòu)不完善散射損耗（輻射損耗）結(jié)構(gòu)缺陷第九十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日四.光纖的損耗特性曲線

本征吸收損耗固有損耗瑞利散射損耗非固有損耗第九十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6實(shí)驗(yàn)波導(dǎo)缺陷紫外吸收瑞利散射紅外吸收波長/mm損耗/(dB·km－1)第九十五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日光纖通信三個窗口：0.85μm1.31μm1.55μm第一窗口第二窗口第三窗口短波長窗口長波長窗口第九十六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日五.實(shí)用光纖損耗譜SIF——GIF——SMF損耗依次減小第九十七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日五.實(shí)用光纖的損耗譜第九十八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.3.4光纖的標(biāo)準(zhǔn)

第九十九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日第一百頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.4光纜2.4.1光纜基本要求1.光纜要有優(yōu)良的機(jī)械特性，為防止光纖斷裂提供保證。2.不能因成纜而影響光纖的傳輸特性3.纜徑細(xì)，重量輕4.容易鋪設(shè)和接續(xù)5.便于施工和維護(hù)第一百零一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.4.2光纜結(jié)構(gòu)和類型一.結(jié)構(gòu)1.纜芯纜芯是由單根或多根光纖芯線組成，其作用是傳輸光波。2.加強(qiáng)元件加強(qiáng)元件一般有金屬絲和非金屬纖維，其作用是增強(qiáng)光纜敷設(shè)時可承受的拉伸負(fù)荷。3.護(hù)層光纜的護(hù)層主要是對已形成纜的光纖芯線器保護(hù)作用，避免受外界的損傷。第一百零二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日二.類型層絞式骨架式中心束管式帶狀式第一百零三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日三.特性

1.拉力特性

2.壓力特性

3.彎曲特性

4.溫度特性第一百零四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日2.5無源光器件一.光纖連接器光纖連接器(FiberConnector)是實(shí)現(xiàn)光纖活動連接的重要組成部分。它與光纖適配器一起實(shí)現(xiàn)了光纖的活動連接。

光纖適配器（法蘭）

（FiberAdapter）是實(shí)現(xiàn)光纖活動連接的重要器件之一，它通過尺寸精密的開口套管在適配器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了光纖連接器的精密對準(zhǔn)連接。

第一百零五頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日1.功能把兩根光纖的端面結(jié)合在一起。

2.分類

永久性連接：光纖線路上的連接0.2dB活動連接：可以拆卸的連接〈0.1dB第一百零六頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日3.主要要求（1）連接損耗小（2）穩(wěn)定性好（3）拆裝方便（4）重復(fù)性好（5）同型號可交換（6）體積小成本低第一百零七頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日4.結(jié)構(gòu)（1）固定連接器：粘接法熔接法（2）活動連接器：連接類型：FC、SC、ST等端面接觸型：PC、UPC、APC等第一百零八頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日

基本結(jié)構(gòu)第一百零九頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日FC-APC連接器FC-PC連接器LC連接器MU連接器第一百一十頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日SC-APC連接器ST連接器多芯連接器SC-PC連接器第一百一十一頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日連接器第一百一十二頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日套筒插芯FC適配器LC適配器SC適配器第一百一十三頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日5.產(chǎn)生連接損耗的原因第一百一十四頁，共一百二十七頁，2022年，8月28日二.光纖耦合器1.功能：實(shí)現(xiàn)光信號分/合路的功能器件，一般是同一波長