光纤通信第二章_1

1、12塔里木大学信息工程学院张楠楠3第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆4学习内容2.1 光纤结构和类型2.2 光纤传输理论2.3 光纤传输特性2.4 光纤的最新发展2.5 光缆2.6 光纤接续技术2.7 光纤通信中的常用仪表2.8 光纤特性测量方法2.9 光纤非线性效应5关于光波光波用频率( 波长) 、相位和传播速度来描述；频率：每秒传播的波数；波长：介质真空中传输一个波的距离；频率单位：Hz, MHz,GHz,THz波长单位：微米 纳米频率光速波长6反射(Reflection)当一束光线按照一定的角度射向一块平面镜时，它就会从镜面“ 反弹” 出去，这种“ 反弹” 现象就叫做光的反射。7折射（R

2、efraction ）当光以一定的角度从某种介质进入另一种介质时，它的传播方向也会改变，在两种介质的分界面上并不沿直线传播，而是发生了偏折，光的这种偏折现象叫做折射。8Snells Law9TIR :Total Internal Reflection10全反射条件一、 光必须从折射率大的介质射入折射率小的介质；二 、 入射角大于临界角。11The Logarithmic Scalen0 dBm = 1 mWn3 dBm = 2 mWn5 dBm = 3 mWn10 dBm = 10 mWn20 dBm = 100 mWn-3 dBm = 0.5 mWn-10 dBm = 100 Wn-30 d

3、Bm = 1Wn-60 dBm = 1nW122.1 光纤结构和类型132.1.1 光纤结构142.1.2 光纤的类型材料传输模式波长折射率分布用途ITU-T15分类：材料石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤 和氟化物光纤等。 特点：制造成本低廉，芯径较大，耦合效率高损耗较大，带宽较小 只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。 目前通信中普遍使用的是石英系光纤 。16分类：传输模式模式：实质描述的是电磁场的场型结构分布17多模光纤（MMF ）纤芯较粗(50 或62.5m) ；可传多种模式的光；模间色散 ；限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更

4、加严重。18单模光纤（SMF ）纤芯细(芯径一般为9或10m)；只能传输一种模式的光；材料色散 和 波导色散 ； 谱 宽 稳 定性19分类：波长 短波长光纤 长波长光纤 0.85，1.31or1.55m20 分类：折射率分布 21折射率分布举例22分类：用途n掺铒光纤（EDF ） ；n色散补偿光纤（DCF ） ；n保偏光纤；n 23特种光纤n色散补偿光纤。可以补偿不同光纤（比如SMF-28以及LEAF 光纤等）在不同波段（C-Band 或者L-Band ）的色散，同时DCM 模块可以提供正或负色散值。同时又不同的封装模式。Dispersion Compensationn掺铒光纤。增益大，平坦特

5、性好。同时，Corning铒纤涂层有特种碳保护，光纤的长期稳定性得到保障。其主要型号有Er1550C 、Er1550C3 以及Er1600L3 。分别对应为C-Band 单波、多波以及L-Band 使用。Erbium-doped c Fiber24特种光纤n高折射率光纤、耦合光纤。其中HI1060Flex为最新推出的一种光纤，HI1060Flex 具有特好的弯曲性能。High index Fibern光敏光纤 Photosensitive Fibern保偏光纤的工作波长包括了从480nm 到1550nm 波段，采用了双层的涂层覆盖，可以选用不同涂层原料，涂层外径有250um,400um 以及9

6、00um 等。 Polarization Maintaining Fiber2526分类：ITU-T 标准nITU-T International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sectorn 1310nm 性能最佳光纤n 1550nm性能最佳光纤27基本知识：重要光纤组合28基本知识：光纤规格n单模： 8/125 m，9/125 m，10/125 mn多模： 50/125 m 欧洲标准， 62.5/125 m 美国标准n工业，医疗和低速网络：100/140 m，200/230 mn塑料光纤： 98/1000

7、 m用于汽车控制。292.2 光纤传输理论光纤传输理论30光纤传输理论31光纤传输理论322.2.1 光纤传输的几何光学解释光纤传输的几何光学解释33光纤传输理论-几何光学方法n导光特性基于光射线在交界面的全反射n射线方程n光线轨迹：子午光线n光线轨迹：倾斜光线34几何光学方法-射线方程n物理意义： 将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来; 由射线方程可以直接求出光线轨迹表达式; 可以证明,光线总是向折射率高的区域弯曲。35光线分类36阶跃光纤的分析37阶跃光纤的分析38阶跃光纤39阶跃光纤40阶跃光纤41阶跃光纤42渐变光纤的分析n渐变光纤的芯区折射率不是一个常数n设计思想n设

8、计目标n使光线同时到达输出端，降低模间色散。43渐变光纤的分析44渐变光纤的分析452.2.2 2.2.2 光纤传输的波动光学解释光纤传输的波动光学解释46光纤传输理论-波动光学方法n波动理论n从光波的本质特性（电磁波）出发,通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程,导出电磁场的场分布,具有理论上的严谨性;n未作任何前提近似,因此适用于各种折射率分布的单模光和多模光波导。47波动方程n波动光学方法的最基本方程。n它是一个典型的本征方程。n当给定波导的边界条件时, 求解波导场方程n可得本征解及相应的本征值。n通常将本征解定义为“ 模式”。48麦克斯韦方程49波动方程n光纤材料是各向同性介质，光纤材料是

9、各向同性介质， 光波光波 在光在光 纤中的传输满足麦克斯韦方纤中的传输满足麦克斯韦方程组。在无源程组。在无源 空间空间, 电场强度电场强度E和磁场强度和磁场强度H满足亥姆霍兹方程满足亥姆霍兹方程 ：n直接求出亥姆霍兹方程的矢量能十分繁琐，得到的解也较为复杂，直接求出亥姆霍兹方程的矢量能十分繁琐，得到的解也较为复杂，所以一般采用标量近似解法。所以一般采用标量近似解法。n注意：仅适用于弱导光纤。此时光纤中传输的波近似为TEM 波 ，横向场的极化方向保持不变，即横向场是线性极化波（LP ）。50波动方程求解51重要参量52光纤的传播模式n当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤轴方向一致的光线通过，即只

10、允许通过一个基模。这种只允许传输一个基模的光纤就称为 单模光纤 。n由分析可以得出以下几个结论。 并不是任何形式的光波都能在光纤中传输。每种光纤都只允许某些特定的光波通过，而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的特定形式的光波称为光纤的一个模式。53光纤的传播模式 在同一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不同，观察与光纤垂直的横截面，就会看到，不同模式的光波在横截面上的光的强度分布图形也不同，有的是一个亮斑，有的分裂为几个亮点。 进入光纤的光在芯包交界面上的入射角大于临界角时，就在光纤内产生全反射；而入射角小于临界角的光就有一

11、部分进入包层，被很快衰减掉。前者的传输损耗小，能作远距离传输，称为传导模 。54光纤的传播模式 能满足全反射条件的光线也只是具有特定角度的部分才能在光纤中传输，因此，不同模式的光的传输方向不是连续改变的。当通过一段光纤时，以不同角度在光纤中传输的光所走的路径也不同。沿光纤轴前进的光走的路径最短，而与轴线交角大的光所走的路径则较长。552.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性 -损耗和色散 Attenuation Dispersion562.3.1 光纤损耗研究57光纤的损耗:损耗系数58光纤的损耗 附加损耗 固有损耗59光纤的附加损耗 光纤微小弯曲、挤压、拉伸受力也会引起损耗。这些都是光纤使用

12、条件引起的损耗。 原因：纤芯中的传输模式发生了变化。 附加损耗可以尽量避免。60光纤固有损耗 吸收损耗 散射损耗61吸收损耗 制造光纤的材料能够吸收光能。光纤材料中的粒子吸收光能以后，产生振动、发热，而将能量散失掉，这样就产生了吸收损耗 。62材料的吸收损耗紫外吸收红外吸收石英中有一些过渡金属杂质，如铜、铁、铬、锰等。它们在光照射下，贪婪地吸收光能，造成了光能的损失。清除它们，对制造光纤的材料进行格的化学提纯，就可以大大降低损耗。63材料的吸收损耗 石英光纤中的另一个吸收源是氢氧根（OH)。 人们发现氢氧根在光纤工作波段上有三个吸收峰，它们分别是0.95m、1.24m和1.38m，其中1.38

13、m波长的吸收损耗最为严重，对光纤的影响也最大。64材料的散射损耗光纤内有瑞利散射，由此而产生的光损耗就称为瑞利散射损耗。大小与光波长的4次方成反比长波长区时，影响可以大大减小。65波导缺陷损耗 光纤结构不完善，如由光纤中有气泡、杂质，或者粗细不均匀，特别是芯- 包层交界面不平滑等，光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，造成损耗。这种损耗是可以想办法克服的，那就是要改善光纤制造的工艺。66n材料吸收损耗n本征吸收；分子、电子共振吸收n杂质吸收；过渡金属杂质吸收，氢氧根吸收n瑞利散色损耗n纤芯折射率起伏不均匀引起光信号的散射n波导缺陷损耗n非线性散射损耗67Attenuation Ch

14、aracteristics of Fiber682.3.2 光纤色散研究69光纤的色散n光纤所传输的信号是由不同频率成分和不同模式成分所携带的，不同频率成分和不同模式成分的传输速度不同，从而导致信号的畸变。70光纤的色散n色散系数：单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的时延差。717273色散的表示：时延差n脉冲展宽74色散组成n其一，光纤中不同模式由于传输速度不同造成的时延不等，引起光脉冲展宽，称为 模间（式）色散 ；n其二，同一模式由于光源的线宽，不同波长的传输速率不同将导致光脉冲展宽，称为 模内色散 ，它由两部分组成波导色散和材料色散。75模式色散n 影响光纤时延差的因素有两个：纤芯包层相

15、对折射率差 和光纤的长度 。n 光纤的时延差与纤芯包层相对折射率差成正比。n 光纤越长，时延差也越大，色散也越大。76模式色散77材料色散n材料色散是由光纤材料自身特性造成的。n折射率对不同的传输波长有不同的值。n光纤通信的光源并不是只有理想的单一波长78波导色散n 纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。 进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关 ，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。n 不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。n 入射光的波长越

16、长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。79三种色散的比较n一般来说，光纤三种色散的大小顺序是：n 模式色散材料色散波导色散 n 对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主 导作用的是模式色散，其他两个色散影响很小。n 对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。为减小总的波长色散，要 尽量选用窄谱线激光器作光源。n 对光纤用户来说，一般只关心光纤的总带宽或总色散。光纤 光缆在出厂时，也只标明光纤的总带宽或总色散。80偏振模色散Polarization M

17、ode Dispersion (PMD)81 Polarization mode dispersionImportant in WDM systems, long spans82偏振模色散的表示83光纤的传输带宽84n2.3.3 单模光纤特性85基模的传输条件n单模光纤的传输条件是归一化频率满足 V G.655 L 波段，色散 G.655 14601625 nm，色散非零n结论 :n 适用于 WDM 和 CWDM 的应用。n 适用 G.691 G.692 G.693 G.695 G.959.1nG.657 弯曲不敏感单模光纤95三种光纤色散情况比较96新材料光纤 氟化物玻璃光纤 琉化物玻璃光纤 重金属氧化物玻璃光纤 聚合物光纤新结构光纤 色散平坦光纤（DFF） 无水峰光纤 保偏光纤特种97光纤制造流程图98光纤制造 制造光纤，首先需要制造出一根合适的玻璃棒（通常称作预制棒），然后把预制棒放入高温炉中加温软化，拉制成光纤。 为了保护光纤。增加光纤的强度，需要涂覆、套塑、然后把几根乃至几十根套塑后的光纤绞合成光缆，以供使用。99100 2.5 光缆101Cable Designs102光缆的