通信光纤（一）(数字通信技术)

1、Institute of Communications Engineering11-211-2通信光纤一通信光纤一( (数字通信技术数字通信技术) )Institute of Communications EngineeringInstitute of Communications Engineering11.2通信光纤一通信光纤一 内容和要求内容和要求内容目的内容目的光纤和光缆结构光纤和光缆结构光纤的导光原理光纤的导光原理光传输特性光传输特性要求要求了解光纤结构、导光原理、色散、损耗了解光纤结构、导光原理、色散、损耗 。 1 1、光纤的结构、光纤的结构具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导具

2、有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构：纤芯的折射率比包层稍高，损耗波结构：纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。光纤光纤Optical FiberOptical Fiber是由中心的纤芯和外是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。构成光围的包层同轴组成的圆柱形细丝。构成光纤的材料是掺杂石英纤维纤的材料是掺杂石英纤维SiO2)SiO2)。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。一定的机械保护作用。一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 2 2、光的折射和反射、

3、光的折射和反射由于，所以。当，那么产生临界条件，将不由于，所以。当，那么产生临界条件，将不再有折光，此时的入射角称之为临界入射再有折光，此时的入射角称之为临界入射角：，亦即：当入射角大于临界入射角时，角：，亦即：当入射角大于临界入射角时，产生全反射。此时有：产生全反射。此时有：一束光线以入射角从纤芯入射到包层，其折一束光线以入射角从纤芯入射到包层，其折射率分别为。入射角与折射角之间的关系射率分别为。入射角与折射角之间的关系由斯涅耳由斯涅耳SnellSnell定律决定：定律决定：一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 一束光线以入射角从纤芯入射到包层，其一束光线以入射角从纤芯入射到包层，其

4、折射率分别为。入射角与折射角之间的折射率分别为。入射角与折射角之间的关系由斯涅耳关系由斯涅耳Snell定律决定：定律决定：112,n n1122sinsinnn一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 由于，所以。当，那么由于，所以。当，那么产生临界条件，将不再有折光，此时的入射角产生临界条件，将不再有折光，此时的入射角称之为临界入射角：称之为临界入射角： ，亦即：当入射角大于，亦即：当入射角大于临界入射角时，产生全反射角，此时有：临界入射角时，产生全反射角，此时有：S12nn21029021sinsnn一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 3 3、光在光纤中传输的条件一：光纤的数

5、值孔、光在光纤中传输的条件一：光纤的数值孔径径 光纤的数值孔径光纤的数值孔径在光纤在光纤空气界面发生折射，折射光与光纤轴线空气界面发生折射，折射光与光纤轴线的最大夹角由的最大夹角由斯涅耳定律斯涅耳定律决定：决定： 式中和分别为空气和纤芯的折射率。式中和分别为空气和纤芯的折射率。013sinsincnn0n1n一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 折射光到达纤芯折射光到达纤芯包层界面时，假设入射角包层界面时，假设入射角大于临界角时，将发生全反射，假设包层折射大于临界角时，将发生全反射，假设包层折射率为，那么在临界时有：率为，那么在临界时有：2n211sinnn一、光纤的光学传输原理一、光

6、纤的光学传输原理 所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的根本原理。光纤就是利用光的全反射特性导光的根本原理。光纤就是利用光的全反射特性导光的。导光的。为实现全反射，对光线的入射角有一个最大值限为实现全反射，对光线的入射角有一个最大值限制，与有关系式成立，可得：制，与有关系式成立，可得： 称为光纤的数值孔径称为光纤的数值孔径(Numerical Aperture，NA)，代表光纤的集光能力。，代表光纤的集光能力。22 1/2012sin()cnnn0sincn一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 如果：如果：有：有：其中纤芯对包层的其中

7、纤芯对包层的相对折射率差相对折射率差： 21nn1/21(2 )NAn121()/nnn 一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 讨论：讨论：NANA取值问题取值问题NA越大，可增加进入光纤的光功率，但越大，可增加进入光纤的光功率，但NA太大太大时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。时，光纤的模畸变加大，会影响光纤的带宽。NA的取值一般在：的取值一般在：0.14-0.5之间。之间。问题问题是否光线相对光纤的入射角满足数值孔径就可以是否光线相对光纤的入射角满足数值孔径就可以及光纤中进行传输呢？及光纤中进行传输呢？ 一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 4 4、光在光纤中传输的条件

8、二：横向谐振条件、光在光纤中传输的条件二：横向谐振条件 光波在光纤中从某一横向位置光波在光纤中从某一横向位置P1P1点出发，在点出发，在光纤中传播了一段路程又回到同一横向位光纤中传播了一段路程又回到同一横向位置置P2P2点，相当于此两光线处于同步波平面。点，相当于此两光线处于同步波平面。传输这段光程在横向引起的相位变化，加上传输这段光程在横向引起的相位变化，加上在光纤纤芯与包层界面全反射时引入的位在光纤纤芯与包层界面全反射时引入的位相移动古斯相移动古斯汉森相移汉森相移 ，必须是，必须是2 2的的整数倍。整数倍。一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 12sin222dmn12sinn d

9、m222121cos2arctansinnnn 有：有：即：即：有：有：2221211costansin2sinnnn dmn一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 因而，只有能满足横向谐振条件的光才能光纤因而，只有能满足横向谐振条件的光才能光纤中进行传输，这些不同的条件称之为不同的模中进行传输，这些不同的条件称之为不同的模式，它们具有不同的入射角，从那么也造成直式，它们具有不同的入射角，从那么也造成直接经济损失成了它们在光纤中不同的传输速率。接经济损失成了它们在光纤中不同的传输速率。模式越多，对信号的传输也越不利。模式越多，对信号的传输也越不利。一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输

10、原理 5 5、光纤的传播模式、光纤的传播模式 传播模式传播模式在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯并能在光纤的纤芯- -包层交界面上产生全反射的光包层交界面上产生全反射的光线，称之为线，称之为光的一个传输模式光的一个传输模式。模式数与光纤的数值孔径之间的关系模式数与光纤的数值孔径之间的关系当光纤的芯直径较大时，可允许光波以多个特定当光纤的芯直径较大时，可允许光波以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，称的角度射入光纤端面，并在光纤中传播，称光纤光纤中有多个模式中有多个模式。以不同入射角入射在光纤端面上的光线在光纤中以不同入射

11、角入射在光纤端面上的光线在光纤中形成不同的传播模式。形成不同的传播模式。沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次模等。次模等。一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 结论结论并不是任何形式的光波都能在光纤中传输。每种并不是任何形式的光波都能在光纤中传输。每种光纤只允许某些特定的光波通过，其他形式的光光纤只允许某些特定的光波通过，其他形式的光波在光纤中无法存在。每一种允许在光纤中传输波在光纤中无法存在。每一种允许在光纤中传输的特定形式的光波称为光纤的一个模式。的特定形式的光波称为光纤的一个模式。在同一光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、在同一

12、光纤中传输的不同模式的光，其传播方向、传输速度和传输路径不同，其受到光纤的衰减也传输速度和传输路径不同，其受到光纤的衰减也不同。不同。一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 举例：举例：光纤的取大时延光纤的取大时延 令令t1最低阶模式的时延，最低阶模式的时延，tm为最高阶模式的时延，为最高阶模式的时延，那么那么时延差时延差为为111cosmcn LLLttvvc一、光纤的光学传输原理一、光纤的光学传输原理 1 1、归一化频率、归一化频率V V是是个与光波频率和光纤结构参数有关的参量，通常个与光波频率和光纤结构参数有关的参量，通常用它表示光纤所传导的模式数。其定义式用它表示光纤所传导的模式

13、数。其定义式kk平面波在自由空间中的传播常数或波数，平面波在自由空间中的传播常数或波数，aa是光纤纤芯半径。是光纤纤芯半径。 2Vk a NAa NA 二、圆波导电磁场模式理论二、圆波导电磁场模式理论 2 2、电磁波在波导中的传播模式、电磁波在波导中的传播模式光波在光纤中的传播，是交变电磁场在光纤光波在光纤中的传播，是交变电磁场在光纤中的传播，电磁场的各种不同分布形式称中的传播，电磁场的各种不同分布形式称为模式。为模式。横电模横电模TEmnTEmn模：模：Hz0Hz0， Hr 0Hr 0， H0 H0 ，EzEz0 0，Er0Er0，E E00横磁模横磁模TMmnTMmn模：模：Ez0Ez0，

14、 Er0Er0， E0 E0 ，HzHz0 0，Hr 0Hr 0，H H 0 0混合模混合模EHmnEHmn模，模，HEmnHEmn模：具有全部六个模：具有全部六个电磁场分量电磁场分量二、圆波导电磁场模式理论二、圆波导电磁场模式理论 二、圆波导电磁场模式理论二、圆波导电磁场模式理论 3 3、模的传播常数、模的传播常数求解导波各类模式的特征方程，可以求解出各阶模的求解导波各类模式的特征方程，可以求解出各阶模的传播常数与归一化频率传播常数与归一化频率V之间的关系。之间的关系。二、圆波导电磁场模式理论二、圆波导电磁场模式理论 4 4、归一化截止频率、归一化截止频率VcVc当传播常数为当传播常数为0

15、0时，那么该模式不能在光纤中时，那么该模式不能在光纤中进行传输。此时的归一化频率称之为该模进行传输。此时的归一化频率称之为该模式的归一化截止频率式的归一化截止频率VcVc。5 5、结论、结论如果光纤的归一化频率如果光纤的归一化频率V V大于某一模式的归一大于某一模式的归一化截止频率，那么这种模式允许在光纤中化截止频率，那么这种模式允许在光纤中传导，如果光纤的归一化频率传导，如果光纤的归一化频率V V小于某一小于某一模式的归一化截止频率，那么这种模式处模式的归一化截止频率，那么这种模式处于截止状态，不能在光纤中传导。于截止状态，不能在光纤中传导。二、圆波导电磁场模式理论二、圆波导电磁场模式理论

16、1 1、按照折射率分布特性分类、按照折射率分布特性分类阶跃型光纤：阶跃型光纤：如果纤芯折射率沿半径方向保持一定，如果纤芯折射率沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层包层折射率沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。光纤，又称为均匀光纤。渐变型光纤：渐变型光纤：如果纤芯折射率随着半径增大而逐渐减如果纤芯折射率随着半径增大而逐渐减小，而包层折射率是均匀的，这种光纤称为渐变型光小，而包层折射率是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又可称为非均匀光纤。可使高次模的光按正

17、弦形纤，又可称为非均匀光纤。可使高次模的光按正弦形式传播，减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距式传播，减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离。离。三、光纤分类三、光纤分类三、光纤分类三、光纤分类2 2、按光传播的场型分类、按光传播的场型分类单模光纤：单模光纤：光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为单模光纤的纤芯直径较小，约为410m，通常，通常纤纤芯中折射率的分布认为是均匀分布芯中折射率的分布认为是均匀分布的。的。多模光纤：多模光纤：在一定的工作波长下，可以传输多种模式在一定的工作波长下，可以传输多种模式的光纤，称为多模光纤

18、。其的光纤，称为多模光纤。其纤芯可以采用阶跃折射率纤芯可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布分布，也可以采用渐变折射率分布。多模光纤的纤芯。多模光纤的纤芯直径约为或直径约为或62.5m。 三、光纤分类三、光纤分类3 3、按光纤的材料分类、按光纤的材料分类石英光纤：石英光纤：这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的掺有这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的掺有适当的适当的SiO2杂质制成。杂质制成。石英芯、塑料包层光纤：石英芯、塑料包层光纤：纤芯用石英制成的，包层采纤芯用石英制成的，包层采用硅树脂。用硅树脂。多成分玻璃光纤：多成分玻璃光纤：一般用钠玻璃掺有适当的杂质制成。一般用钠玻璃掺有适当的杂质制

19、成。塑料光纤：塑料光纤：这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。三、光纤分类三、光纤分类1 1、光纤传输特性的主要性能指标、光纤传输特性的主要性能指标光纤传输性能主要由损耗和色散来决定。光纤传输性能主要由损耗和色散来决定。2 2、传输特性对链路性能的影响、传输特性对链路性能的影响光信号传输距离光放大器的使用数量光信号传输距离光放大器的使用数量信息传输的速率信息传输的速率 在考虑系统的传输距离时，两种限制在考虑系统的传输距离时，两种限制是同时存在，系统最终允许的传输距离是是同时存在，系统最终允许的传输距离是二者的最小值。上述两方面的影响有时也二者的最小值。上述两方面的

20、影响有时也分别称之为：分别称之为：损耗限制损耗限制色散限制色散限制四、光纤的传输特性概述四、光纤的传输特性概述3 3、损耗限制系统的传输距离估算、损耗限制系统的传输距离估算 符号符号PTPT表示发送光功率表示发送光功率dBmdBmPpPp是光通道功率代价是光通道功率代价dBdBAfAf是光缆的衰减系数是光缆的衰减系数dB/kmdB/kmASAS是再生段平均接头损耗是再生段平均接头损耗dBdBACAC是系统配置时可能需要的活动连接器损耗是系统配置时可能需要的活动连接器损耗dBdB，这里按两个考虑，这里按两个考虑MCMC是光缆充裕度是光缆充裕度dB/kmdB/kmPRPR是接收灵敏度是接收灵敏度d

21、BmdBmLfLf是单盘光缆的长度是单盘光缆的长度kmkm四、光纤的传输特性概述四、光纤的传输特性概述2RTPlfsClcPPPL AAALM2/TRCPlfsfcPPAPLAALM光接收机接收到的光功率为其灵敏度时，有下式成光接收机接收到的光功率为其灵敏度时，有下式成立立 ：四、光纤的传输特性概述四、光纤的传输特性概述举例举例目前实用化的长途传输系统中，目前实用化的长途传输系统中，PT典型值为典型值为-3 +6 dBm，PR典型值为典型值为-30 -40 dBm，AC典型值典型值为为0.5 1 dB，Af在在1310nm窗口典型值是窗口典型值是0.45 dB/km，在，在1550 nm窗口典

22、型值为窗口典型值为0.25d B/km，MC不计或集总考虑不计或集总考虑3-6dB，Lf典型值为典型值为25 km，AS典型值典型值 0.1dB，Pp一般按一般按2dB考虑。考虑。结果：结果：如按这些典型参数计算，由于损耗造成的如按这些典型参数计算，由于损耗造成的传输距离限制在传输距离限制在40160 km之间。之间。四、光纤的传输特性概述四、光纤的传输特性概述4 4、色散限制系统传输距离估算、色散限制系统传输距离估算 在距离为产生的延时色散为：在距离为产生的延时色散为：其中：其中：D D是光纤色散系数是光纤色散系数ps/ps/nmnmkmkm； L L是光纤长度单位是光纤长度单位kmkm； 是光源的均方根谱宽是光源的均方根谱宽nmnm； 时间单位是时间单位是psps。以不产生相邻