光技术与光纤通信

1、光技术与光纤通信光技术与光纤通信第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆光纤通信光纤通信光技术与光纤通信光技术与光纤通信 第一章第一章 概述概述第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆第三章第三章 通信用光器件通信用光器件第四章第四章 光纤通信系统光纤通信系统第五章第五章 光纤通信中的高新技术光纤通信中的高新技术光纤通信第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆2.1 光纤的构造与分类光纤的构造与分类2.2 光纤传光原理光纤传光原理2.3 光纤的特性（性能）光纤的特性（性能）2.4 光缆光缆2.5 光纤特性的测量方法光纤特性的测量方法光纤通信2.1 光纤的构造与分类光纤的构造与分类一、光纤的构造一、光纤的构造二、

2、光纤的分类二、光纤的分类三、常用光纤三、常用光纤四、光纤型号的命名方法四、光纤型号的命名方法五、光纤制作方法简介五、光纤制作方法简介六、光纤的选用原则和推荐方案六、光纤的选用原则和推荐方案光纤通信一、一、光纤的构造光纤的构造1、纤芯，光信号的传输、纤芯，光信号的传输2、包层，限制光信号溢出包层，限制光信号溢出3、一次涂敷层（预涂层），、一次涂敷层（预涂层）， 保护光纤增加韧性保护光纤增加韧性4、缓冲层，减少对光纤的压缓冲层，减少对光纤的压 力力5、二次涂敷层（套塑层），、二次涂敷层（套塑层）， 加强光纤的机械强度加强光纤的机械强度光纤通信1、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯、纤芯：位于光

3、纤中心部位，主要成分是高纯度的度的SiO2,纯度可达纯度可达99.99999%，其余成份为掺，其余成份为掺入极少量掺杂剂，如入极少量掺杂剂，如P2O5和和GeO2，掺杂剂的作，掺杂剂的作用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a3100m2、包层：含有少量掺杂剂的高纯度、包层：含有少量掺杂剂的高纯度SiO2,掺杂掺杂剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层直径直径2b125140m3、一次涂层：厚度、一次涂层：厚度540m，材料一般为环氧，材料一般为环氧树脂或硅橡胶，可承受树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力拉力4、缓冲层：厚

4、度、缓冲层：厚度100m5、二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯、二次涂敷层：原料大都采用尼龙或聚乙烯1层层2层光纤层光纤345层护层层护层5层大约层大约0.9mm左右左右光纤通信光纤通信二、二、光纤的分类光纤的分类11、从原材料分：、从原材料分：石英系光纤石英系光纤多组份玻璃光纤多组份玻璃光纤氟化物光纤氟化物光纤塑料光纤塑料光纤液芯光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤掺杂光纤，如掺铒光纤 由于石英系光纤具有传输衰减小，由于石英系光纤具有传输衰减小，通信频带宽，机械强度较高等特点，通信频带宽，机械强度较高等特点，在通信系统中得到广泛应用。在通信系统中得到广泛应用。光纤通信材料对性能的影响材料对性能

5、的影响按原材料按原材料划分划分所用原材料举所用原材料举例例可制成光纤按其可制成光纤按其它方法归类它方法归类特点特点衰衰减减强强度度可靠可靠性性价价格格石英光纤石英光纤 SiO2和掺杂剂和掺杂剂 阶跃单模阶跃单模(SM)阶跃多模阶跃多模(SI)梯度多模梯度多模(GI)低低 高高 高高高高多成份玻多成份玻璃光纤璃光纤纳钙玻璃纳钙玻璃硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃阶跃多模阶跃多模(SI)梯度多模梯度多模(GI)较较低低较较低低存在存在问题问题较较低低塑包石英塑包石英光纤光纤纤芯：纤芯： SiO2包层：塑料包层：塑料阶跃多模阶跃多模(SI)较较低低较较高高存在存在问题问题较较低低全塑光纤全塑光纤 纤芯：聚甲

6、基丙烯酸甲酯纤芯：聚甲基丙烯酸甲酯包层：氟代丙烯酸树酯包层：氟代丙烯酸树酯SI高高 低低 有问有问题题低低光纤通信光纤分类光纤分类22、按照光纤横截面上折射率分布特征、按照光纤横截面上折射率分布特征n(r) 分：分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI表示表示Step Index fibber） 纤芯与包层的折射率均为一常数，其界纤芯与包层的折射率均为一常数，其界面处呈阶跃式变化。面处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光纤纤（常用常用GI表示表示Graded Index fibber ）纤芯折射率连续变化，包层的折射

7、率则纤芯折射率连续变化，包层的折射率则为一常数。为一常数。W型光纤型光纤 等等光纤通信ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2阶跃型光纤渐变型光纤 n1 r a n1 1 - 2 ( r/a ) g 1/2 r a n2 a r b n2 1 - 2 1/2 a 2m 短波长与长波长光纤为石英系光纤，而短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等光纤通信三、常用光纤三、常用光纤1、阶跃多模光纤（、阶跃多模光纤（SIF）2、梯度多模光纤（、梯度多模光纤（G

8、IF）3、单模光纤（、单模光纤（SMF） 目前常用单模光纤有：目前常用单模光纤有：G.652 、G.653、 G.654、 G.655光纤通信按照零色散波长将单模光纤分为按照零色散波长将单模光纤分为6种种非色散位移光纤：非色散位移光纤：G.652色散位移光纤：色散位移光纤：G.653截止波长位移光纤：截止波长位移光纤： G.654非零色散位移光纤：非零色散位移光纤：G.655色散平坦光纤色散平坦光纤色散补偿光纤色散补偿光纤光纤通信G.651，多模渐变型（，多模渐变型（GIF）光纤）光纤（或称梯（或称梯度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛应用于中小容量，中短距

9、离的通信系统；应用于中小容量，中短距离的通信系统；G.652 常规单模光纤常规单模光纤，或称非色散位移光，或称非色散位移光纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长1310nm色散为零，系统的传输距离只受损色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制，但耗的限制，但1310nm处损耗不是最小值处损耗不是最小值（0.4dB/km）。光纤工作在）。光纤工作在1550nm窗口窗口衰减小，且具有衰减小，且具有EDFA供选用，但其在供选用，但其在1550nm窗口色散大，不利于高速系统的长窗口色散大，不利于高速系统的长距离传输。距离传输。光纤通信G.653 色散移位光纤色散移位光纤

10、，是第二代单模光纤，是第二代单模光纤，其特点是在波长其特点是在波长1550nm色散为零，损耗又色散为零，损耗又最小。适用于大容量长距离通信系统。但最小。适用于大容量长距离通信系统。但其在波分复用时会出现四波混频效应，故其在波分复用时会出现四波混频效应，故其被限用于单信道高速传输。其被限用于单信道高速传输。G.654 截止波长位移光纤截止波长位移光纤，1550nm损耗最损耗最小单模光纤，其特点是在波长小单模光纤，其特点是在波长1310nm处色处色散为零，在散为零，在1550nm处色散为处色散为1720ps/(nm.km)，和常规单模光纤相同，但，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达损耗更低，可达

11、0.2dB/km以下。它主要是以下。它主要是一种用于一种用于1550nm改进的常规单模光纤。目改进的常规单模光纤。目的是增加传输距离的是增加传输距离光纤通信G.655 非零色散位移光纤非零色散位移光纤，是一种改进的，是一种改进的色散移位光纤，在密集波分复用（色散移位光纤，在密集波分复用（WDM）系统中，当使用波长系统中，当使用波长1550nm色散为零的色色散为零的色散移位光纤时，由于复用信道多，信道间散移位光纤时，由于复用信道多，信道间隔小，出现了一种称为四波混频的非线性隔小，出现了一种称为四波混频的非线性效应。这种效应是由两个或三个波长的传效应。这种效应是由两个或三个波长的传输光混合而产生的

12、有害分量，它使信道间输光混合而产生的有害分量，它使信道间相互干扰。相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果色散为零，四波混频的干扰十分严重，如果有微量色散，四波混频反而减小。为如果有微量色散，四波混频反而减小。为此，科学家研究了非零色散光纤。此，科学家研究了非零色散光纤。光纤通信G.655光纤的特点光纤的特点是有效面积大，零色散波长不是有效面积大，零色散波长不在在1550nm，而在，而在1525nm或或1585nm。在。在1550nm有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到统的四波混频效应，小到允

13、许信道传输速率达到10Gb/s以上。它具有常规单模光纤和色散移位光以上。它具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混窗口衰减小、色散低，大大减小四波混频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。康宁康宁(Corning)公司开发的这种新型光纤称为公司开发的这种新型光纤称为长长距离系统光纤距离系统光纤(Long Haul System Fiber)；AT&T(

14、美国电报电话美国电报电话)公司开发的这种光纤称为公司开发的这种光纤称为真波光纤真波光纤(True Wave Fiber)光纤通信色散补偿光纤色散补偿光纤，其特点是在波长，其特点是在波长1550nm具具有大的负色散，这种光纤是针对波长为有大的负色散，这种光纤是针对波长为1310nm的常规单模光纤系统升级而设计的，的常规单模光纤系统升级而设计的，因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器因为当这种系统要使用掺铒光纤放大器（EDFA）以增加传输距离时，必须把工）以增加传输距离时，必须把工作波长从作波长从1310nm移到移到1550nm，。用色散，。用色散补偿光纤在波长为补偿光纤在波长为1550nm的负色散和

15、常规的负色散和常规单模光纤在单模光纤在1550nm的正色散相互抵消，以的正色散相互抵消，以获得线路总色散零而损耗又最小的效果。获得线路总色散零而损耗又最小的效果。色散平坦光纤色散平坦光纤，其特点是色散值在一定范，其特点是色散值在一定范围内为常数，围内为常数，光纤通信四、光纤型号的命名方法四、光纤型号的命名方法根据我国国家标准根据我国国家标准GB11819-89规定，规定，光纤型号应包括光纤的类型代号和规光纤型号应包括光纤的类型代号和规格代号。格代号。1、多模光纤型号的命名方法、多模光纤型号的命名方法 现以通信用多模渐变型、工作波长现以通信用多模渐变型、工作波长850nm的的A1-50/125(

16、20)12008C2光纤光纤为例，说明多模光纤型号的命名方法。为例，说明多模光纤型号的命名方法。光纤通信多模渐变型芯径/包层径数值孔径0.20工作波长0.85m环境温度带宽长度积800MHzkm衰减常数2.0dB/km带宽长度积：用千位和百位来表示（MHzkm）衰减常数：用个位和小数点后一位来表示光纤通信多模光纤类型：多模光纤类型：A1通信用多模渐变型通信用多模渐变型A2阶跃型阶跃型A3大数值孔径型大数值孔径型标称工作波长代号标称工作波长代号 1850nm ； 21310nm ； 31550nm ； 1/2850/1310nm ；环境温度代号环境温度代号 C1 -40+60 C ； C2 -3

17、0+60 C ； C3 -20+60 C ； C4 -5+60 C ；光纤通信常规常规单模单模模场直径模场直径/包层径包层径工作波长工作波长1.31m环境环境温度温度衰减常数衰减常数0.8dB/km2、单模光纤型号的命名方法、单模光纤型号的命名方法光纤通信单模光纤类型：单模光纤类型：B1常规单模光纤，在常规单模光纤，在1310nm附近有零附近有零色散波长，最佳工作波长为色散波长，最佳工作波长为1310nm，其其截止波长应小于截止波长应小于1310nm；B2在在1310nm附近有零色散波长，最佳附近有零色散波长，最佳工作波长为工作波长为1550nm，而而 1310 nm C G.655 G.65

18、3 G.652光纤通信推荐方案：陆地干线光网的光纤优选方案推荐方案：陆地干线光网的光纤优选方案工作波工作波长长(nm)工作方式工作方式 传输速传输速率率(Gb/s)G.652G.653G.6551310单信道单信道2.5直接开通直接开通1550单信道单信道2.5G.652+DCF+EDFA155010直接开通直接开通1550WDM10G.652+DCF+EDFA1550单信道单信道10直接开通直接开通WDMG.655+DCF+DWDM+EDFADWDM光纤通信2.2 光纤的传光原理光纤的传光原理 分析光纤的传输原理有两种方法：分析光纤的传输原理有两种方法：几何光学法几何光学法：将光看成一条条的

19、几：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论何射线来分析，也称射线理论 应用条件应用条件：光波的波长远小于光纤：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤波动光学法波动光学法：光波按电磁场理论，：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。理论。 它既可用于多模光纤，也可它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤用于单模光纤光纤通信本节主要内容本节主要内容一、几何光学法一、几何光学法射线理论射线理论基础知识基础知识阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径渐变光纤中的光线轨迹和数值孔径渐变光纤中的光线轨迹

20、和数值孔径光线模式的分立性光线模式的分立性二、光纤传输的波动理论二、光纤传输的波动理论模式的概念与线偏振模模式的概念与线偏振模归一化频率归一化频率模截止频率与导模的传输条件模截止频率与导模的传输条件单模传输的条件单模传输的条件单模光纤单模光纤光纤通信基础知识基础知识1、光谱、光速和媒质的折射率、光谱、光速和媒质的折射率 光在真空中的速度光在真空中的速度C=2.9979108 m/s， 空气中为空气中为 C0=2.997108 m/s， 在其它媒质中的速度在其它媒质中的速度 = c / n n 为折射率为折射率, 如如n水水=1.33, n玻璃玻璃=1.5 n 大为光密媒质，大为光密媒质， n

21、小为光疏媒质，小为光疏媒质，且且 n 还与光的波长有关，或者说，不还与光的波长有关，或者说，不同波长的光在同一媒质中传输速度有同波长的光在同一媒质中传输速度有差异。如玻璃对红光（波长较大）的差异。如玻璃对红光（波长较大）的折射率比对紫光（波长较小）的折射折射率比对紫光（波长较小）的折射率小。率小。光纤通信2、光的反射、折射和全反射、光的反射、折射和全反射 光波属于电磁波范畴，在均匀介质中光波属于电磁波范畴，在均匀介质中传播时，其轨迹是一条直线，可称为传播时，其轨迹是一条直线，可称为光射线。当光射线射到两介质（媒质）光射线。当光射线射到两介质（媒质）交界面时，将发生反射和折射。交界面时，将发生反

22、射和折射。 irtn1n2设入射角为i ，反射角为r ，折射角为t 则 i r （反射定理） n1Sin i = n2Sin t （折射定理，即斯涅尔Snell 定理）光纤通信当光从光密媒质向光疏媒质入射，当光从光密媒质向光疏媒质入射， 则则t i当光从光疏媒质向光密媒质入射，当光从光疏媒质向光密媒质入射， 则则t n2，则此时介质则此时介质中中折射线将离开法线而折射，折射线将离开法线而折射， r t 。当入射角增加到某一值时，可使得折射角当入射角增加到某一值时，可使得折射角t = 90o,这时折射线将沿界面传输，此时的这时折射线将沿界面传输，此时的入射角称为临界角，用入射角称为临界角，用c表

23、示。表示。根据折射定理根据折射定理 n1Sin i = n2Sin t 当当i c时，折射角时，折射角t必大于必大于90o，光射线不光射线不再进入介质再进入介质，而由界面全部反射回介质，而由界面全部反射回介质，这种现象称为全反射。此时反向系数，这种现象称为全反射。此时反向系数的模值等于的模值等于1。 光纤通信全反射并不是从入射处发生的，而是全反射并不是从入射处发生的，而是好像透入到第二媒质中一定深度，与好像透入到第二媒质中一定深度，与其表层结构互相作用，才使得入射光其表层结构互相作用，才使得入射光改变方向，发生全反射。此现象称为改变方向，发生全反射。此现象称为古斯古斯汉欣相移（汉欣相移（GH相

24、移）。相移）。GH相移光纤通信1、阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径、阶跃光纤中的光线轨迹和数值孔径（1）光线轨迹光纤通信光线光线 1 以以角入射，折射角为角入射，折射角为1，若在包层若在包层纤芯边界满足：纤芯边界满足： 90o 1 c （全反射临界角全反射临界角)，则光线则光线 1 以之字形折线在纤芯中以之字形折线在纤芯中传播，直至能量损失殆尽或从光传播，直至能量损失殆尽或从光纤中另一端射出。纤中另一端射出。始终被束缚在芯区中的光线被称始终被束缚在芯区中的光线被称为为“传导模传导模”，或简称，或简称“导模导模”光线光线根据斯奈尔根据斯奈尔(Snell)定律定律,有有 n0Sin n1Sin 1

25、n1Cos1光纤通信光线光线 2 以以c角入射，折射线在包角入射，折射线在包芯边芯边界恰好满足全反射（折射角为界恰好满足全反射（折射角为90o ），），相应光线将以为相应光线将以为c 入射到交界面，并沿入射到交界面，并沿交界面向前传播。交界面向前传播。光线光线 3 的初始入射角较大，致使到达的初始入射角较大，致使到达芯芯包层界面时不满足该处全反射条件，包层界面时不满足该处全反射条件，此光线折射进入包层。这种光线的能量此光线折射进入包层。这种光线的能量经过不长光纤的传输（约几百米）便损经过不长光纤的传输（约几百米）便损失掉了。失掉了。这种光线被称为这种光线被称为“包层模包层模”或或“辐射模辐射模

26、”光线，它对光纤通信无效。光线，它对光纤通信无效。光纤通信（2）数值孔径）数值孔径 由上述三种光线轨迹可知，只有在半由上述三种光线轨迹可知，只有在半锥角为锥角为 c的圆锥内的入射的光束才能在的圆锥内的入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角界角c的正弦为数值孔径（的正弦为数值孔径（Numerical Aperture , NA)。根据定义和斯奈尔定律根据定义和斯奈尔定律NA=n0Sinc=n1Cosc，n1Sincn2Sin 90o 解之有：解之有：式中，式中，(n1-n2) / n1 相对折射率差相对折射率差如如0.01，n1=1.5，则则

27、NA=0.21 或或 12.2o2nn1NA0122210nnn光纤通信数值孔径数值孔径NA是光纤接受和传输光的能力，是光纤接受和传输光的能力，它取决于折射率它取决于折射率nNA(或或) c越大，光纤接收光的能力越强，越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传内的入射光都能在光纤中传输。输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。光纤抗弯曲性能越好。但但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎变越大，经光纤传输后产生的信号崎变越大，色散带宽变差，限制了信

28、息传输容越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。量。ITUT(CCITU)规定：规定： NA0.150.24 0.002 我国规定：我国规定： NA0.2 0.02光纤通信（3）子午光线、斜光线和螺旋光线）子午光线、斜光线和螺旋光线子午光线：光线始终在经过轴线的某个平面内，子午光线：光线始终在经过轴线的某个平面内，该面为子午面。若入射光线原来就在子午面内，该面为子午面。若入射光线原来就在子午面内，则射入光纤后仍为子午光线。则射入光纤后仍为子午光线。斜光线：光纤入射方向与子午面有一夹角，则射斜光线：光纤入射方向与子午面有一夹角，则射入光纤后，将形成一条条空间折线，此折线在圆入光纤后，将形成一条条

29、空间折线，此折线在圆周方向的投影是一段段搭接在纤芯边界圆上的等周方向的投影是一段段搭接在纤芯边界圆上的等长弦。长弦。 一般它们不一定形成正多变形，而绕轴足一般它们不一定形成正多变形，而绕轴足够多圈后，不同方位的弦互相交叠，将充满以纤够多圈后，不同方位的弦互相交叠，将充满以纤芯边界为外圆的环行区，环的内圆半径等于等长芯边界为外圆的环行区，环的内圆半径等于等长弦的弦心距。弦的弦心距。 实际上，光纤中的斜光线是以此环形为底面实际上，光纤中的斜光线是以此环形为底面的圆形管壁中曲折前进的。的圆形管壁中曲折前进的。光纤通信螺旋光线：当内圆柱面半径加大，最后与螺旋光线：当内圆柱面半径加大，最后与纤芯边界重合

30、，此时的光线轨迹相当于沿纤芯边界重合，此时的光线轨迹相当于沿着芯包边界的圆柱面螺旋前进，因而被称着芯包边界的圆柱面螺旋前进，因而被称为螺旋光线。为螺旋光线。光纤端面上接受斜光线入射角的最大角光纤端面上接受斜光线入射角的最大角s与与NA有：有：Sin sCos=NA， 相邻两段等长弦的夹角之半相邻两段等长弦的夹角之半由此可以看出，在满足芯由此可以看出，在满足芯包边界全反射包边界全反射的条件下，对斜光线的端面入射角度比对的条件下，对斜光线的端面入射角度比对子午光线有所放松。那些在子午光线有所放松。那些在“放松放松”角度角度范围内入射的斜光线，有时被称为范围内入射的斜光线，有时被称为“隧道隧道模模”

31、光线。它们虽然能在芯区正常传输，光线。它们虽然能在芯区正常传输，但因不易定量分析，常被暂时忽略，只在但因不易定量分析，常被暂时忽略，只在其影响正确测量时，才设法避免或修正。其影响正确测量时，才设法避免或修正。光纤通信2、梯度光纤中的光线轨迹和局部数值、梯度光纤中的光线轨迹和局部数值孔径孔径其光线轨迹可用射线方程来描述其光线轨迹可用射线方程来描述深入分析表明，抛物光纤中的光纤轨深入分析表明，抛物光纤中的光纤轨迹近似正弦线。迹近似正弦线。光纤通信光纤通信自聚焦效应：自聚焦效应：渐变多模光纤具有自聚焦效应，不仅渐变多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应当光线会聚焦在同一不同入射角相应当光线会聚焦

32、在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。似相等。这是因为光线传播速度这是因为光线传播速度v( r) =c/n( r)，入射角大的光线经历代路程较长，但入射角大的光线经历代路程较长，但大部分路程远离中心轴线，大部分路程远离中心轴线， n( r )较小，较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况正相反，其路程入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢，所以这些光线的较短，但速度较慢，所以这些光线的时间延迟相等。时间延迟相等。光纤通信二、光纤传输的波动理论二、光纤传输的波动理论电磁波在光纤中传播的基本方程电磁波

33、在光纤中传播的基本方程直角坐标系下的麦克斯韦方程组直角坐标系下的麦克斯韦方程组柱坐标系下的波动方程柱坐标系下的波动方程阶跃光纤中的光场阶跃光纤中的光场阶跃光纤的本征值方程与模式阶跃光纤的本征值方程与模式单模光纤单模光纤光纤通信光纤通信a、贝塞尔函数 b、修正的贝塞尔函数光纤通信a、贝塞尔函数光纤通信b、修正的贝塞尔函数光纤通信零阶和一阶贝塞尔函数的根值表零阶和一阶贝塞尔函数的根值表J0(uc)2.4055.208.65411.620J1(uc)03.8327.01610.173光纤通信光纤传输的波动理论的主要概光纤传输的波动理论的主要概念和结论念和结论模式的概念与线偏振模模式的概念与线偏振模归

34、一化频率归一化频率模截止频率与导模的传输条件模截止频率与导模的传输条件单模传输的条件单模传输的条件单模光纤单模光纤光纤通信1、模式的概念与线偏振模、模式的概念与线偏振模波动方程的一个波动方程的一个“特解特解”，表示电磁场的，表示电磁场的一种稳定存在形式，用电力线或磁力线将一种稳定存在形式，用电力线或磁力线将此形式描绘出来便是一种特定图案。这种此形式描绘出来便是一种特定图案。这种电磁场分布的特定图案或称电磁场分布的特定图案或称“场型场型”，被，被称为称为“模式模式”在均匀介质传播的光波可以认为是平面波，在均匀介质传播的光波可以认为是平面波，其电场和磁场的方向与光的传播方向垂直，其电场和磁场的方向

35、与光的传播方向垂直，而且是正交的两个分量，即横电磁波而且是正交的两个分量，即横电磁波(TEM)。当光在由几种媒介组成的非均匀当光在由几种媒介组成的非均匀介质中传播时，据传播方向有无电磁场分介质中传播时，据传播方向有无电磁场分量可分为：量可分为：光纤通信 横电磁波（横电磁波（TEM）传播方向上无电场传播方向上无电场 和磁场分量和磁场分量横电波横电波(TE)传播方向上无电场，有磁场分量传播方向上无电场，有磁场分量横磁波横磁波(TM)传播方向上有电场，无磁场分传播方向上有电场，无磁场分量量混合波混合波(EH、HE)传播方向上既有电场也有传播方向上既有电场也有磁场分量磁场分量在这些电磁波中，有一部分的

36、场型和传播速度在这些电磁波中，有一部分的场型和传播速度是相同的，通常，我们把这些场型分布相同的是相同的，通常，我们把这些场型分布相同的模式称为简并模模式称为简并模计算表明，能在光纤中存在的导模有计算表明，能在光纤中存在的导模有TEon、TMon、HEmn、EHmn四种。四种。(m表示在圆周方向表示在圆周方向上有上有m对最大；对最大；n表示在半径方向上有表示在半径方向上有n个最大个最大)光纤通信下面是几个低阶模的场分布下面是几个低阶模的场分布光纤通信几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，g=2/）光纤通信(a) HE11模的场结构(b) HE11模的简化图光纤通信(a) TE01模的场结

37、构(b) TE01模的简化图光纤通信几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，g=2/）光纤通信(a) TM01模的场结构(b) TM01模的简化图光纤通信几个低次模的场型（实线为电力线，虚线为磁力线，g=2/）光纤通信光纤通信线偏振模线偏振模LPDoGloge提出把这些简并模集中在一起，提出把这些简并模集中在一起，称为线偏振模，用称为线偏振模，用LP表示。这就是说，表示。这就是说，不管不管TE、TM、HE、EH的区别的区别,只考只考虑它们的相位常数，把相位常数相等虑它们的相位常数，把相位常数相等的模式都给予一个相同的称呼，即的模式都给予一个相同的称呼，即LPmn模。（模。（Linearl

38、y Polarized mode）m、 n 表示不同表示不同LP模的特征模的特征 m沿圆周方向光场强度出现零点（或沿圆周方向光场强度出现零点（或极点）的对数极点）的对数 n沿径向出现的零点个数沿径向出现的零点个数光纤通信低次低次LP模与模与TE 、TM、HE、EH模的对应关系模的对应关系简并模混合模简并度LP01HE1122LP11TE01 、TM01、 HE2124LP21EH112、 HE3124LP02HE1222LP31EH212、 HE4124LP41EH312、 HE5124LP22EH122、 HE3224光纤通信下图表示了几种下图表示了几种LP模的电场分布模的电场分布与与x方向

39、的场强分布方向的场强分布LP01HE11LP11HE21LP21EH11LP21HE31LP11TM01LP11TE01光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2、归一化频率、归一化频率V和导模数计算和导模数计算在分析光纤中光的传播模式时，在分析光纤中光的传播模式时，要经常用到一个主要参数要经常用到一个主要参数 教材上给出了其定义为：教材上给出了其定义为：相对折射率差包层折射率；纤芯折射率；纤芯半径；工作波长；12121121222122)(2nnnnnaannnaV光纤通信归一化频率不仅包含了光纤的主归一化频率不仅包含了光纤的主要参数要参数a、n、 ，而且还考虑了而且还考虑了所传输光的波长所

40、传输光的波长所以，它是一种具体光纤中光的所以，它是一种具体光纤中光的具体传输状态度综合反映。由于具体传输状态度综合反映。由于V具有频率的量纲，故称之为归一具有频率的量纲，故称之为归一化频率化频率归一化传播常数归一化传播常数b为：为：21212120/nnnnnnnkb光纤通信光纤通信导模数计算公式导模数计算公式222ggVM一般，导模数M为：g折射率分布指数V归一化频率当g时，为阶跃光纤，导模数M=V2/2；当g2时，为抛物光纤，导模数M=V2/4；当g1时，为三角光纤，导模数M=V2/6；光纤通信3、模截止频率与导模的传输条件、模截止频率与导模的传输条件光纤中可能存在各种模，若考虑它们能否稳

41、光纤中可能存在各种模，若考虑它们能否稳定存在，先要确定某个模式能否存在的定存在，先要确定某个模式能否存在的“门门限限”参数，这个参数的量纲和参数，这个参数的量纲和V相同，用相同，用Vcmn表示，代表表示，代表mn序号的某模式序号的某模式(如如LPmn)的的截止频率。截止频率。当客观条件小于此值时，这种模式便不存在当客观条件小于此值时，这种模式便不存在,称截止。实际上是这种场型的电磁波不能在称截止。实际上是这种场型的电磁波不能在芯区形成驻波振荡，而向包层辐射出去了。芯区形成驻波振荡，而向包层辐射出去了。各种模式截止的门限值与光纤的折射率有关，各种模式截止的门限值与光纤的折射率有关，而与而与a、n

42、0、等具体参数没有直接关系。等具体参数没有直接关系。光纤通信光纤通信几种低阶模式的截止频率值几种低阶模式的截止频率值模式 LP01LP11LP21LP02LP12LP22LP13LP23Vc02.405 3.832 5.136 5.520 7.016 8.654 10.173对应的电磁场HE11HE21 TM01 TE01EH11HE12HE31EH21HE41TE02 TM02 HE22 EH51HE51HE13EH12 HE32EH41HE61TE03 TM03 EH22EH23HE33理论计算对于阶跃光纤得出的部分模式的模截止频率如下表：光纤通信光纤通信关于其它折射率分布形式的光纤，各关

43、于其它折射率分布形式的光纤，各模式模式Vc值可用下列公式进行估算值可用下列公式进行估算gVVccg315.21 g折射率分布指数如g2，梯度光纤，Vcg=1.47Vc导行条件：V Vc ，V大于某一模式的归一化频率Vc，则该模式便在光纤中导行；截止条件：V Vc ，V小于某一模式的归一化频率Vc，则该模式不在光纤中导行；临界条件： V Vc 光纤通信LPmn模截止值和远离截止值模截止值和远离截止值方位方位角模角模数数00本本征方程征方程本本征方程征方程截止值截止值uc远离截止值远离截止值u V=0J1(uc)=0 J0(u )=0u c 03.832 7.016 10.173 u 2.4055

44、.520 8.654 11.792 LP0n LP01LP02 LP03 LP04V=1J0(uc)=0 J1(u )=0u 0u c 2.405 3.832 7.016 10.173 u 3.8327.016 10.173 13.273光纤通信低阶低阶(v=0和和v=1)模式和相应的模式和相应的V值范围值范围V值范围值范围LP模模电磁场电磁场02.405LP01HE112.4053.832LP01HE21 TM01 TE013.8325.520LP01HE125.520 7.016LP01HE22 TM02 TE027.0168.654LP01HE138.65410.173 LP01HE23

45、 TM03 TE03光纤通信光纤通信4、单模传输的条件、单模传输的条件在各模式的截止频率中，在各模式的截止频率中，LP01模的模的Vc=0，最低，称该模为最低，称该模为“基模基模”，或，或“最低次最低次模模”；LP11模的模的Vc=2.405，为第二低的截止频率，为第二低的截止频率，称该模为称该模为“次低阶模次低阶模”，或，或“二阶模二阶模”；其它其它Vc更高，称高阶模。更高，称高阶模。若在光纤中选取合适的若在光纤中选取合适的a、n0、，可可使使V 2.405，从而抑制从而抑制LP11模及所有高阶模及所有高阶模的传输。模的传输。由于由于Vc01=0，即基模永不截止。即基模永不截止。所以，所以，

46、单模传输的条件为单模传输的条件为: V Vc11 = 2.405光纤通信一般，一般，对阶跃型光纤，对阶跃型光纤，g，Vc=2.405;对抛物型光纤，对抛物型光纤，g2，Vc=3.533;对三角型光纤，对三角型光纤，g1，Vc=4.739;gVVccg315.21 光纤通信例例:若想在目前的多模光纤中实现单模若想在目前的多模光纤中实现单模传输，应选用怎样的光波长？传输，应选用怎样的光波长？ 也就是说，如果有波长为也就是说，如果有波长为14m或更长或更长的实用光源，且光纤在此波长下损耗的实用光源，且光纤在此波长下损耗低，则目前通用的多模光纤就可以作低，则目前通用的多模光纤就可以作为单模光纤使用。为

47、单模光纤使用。mananVnma7 .13405. 222405. 22201. 0, 5 . 1,25000由单模传输的条件，有解：光纤通信5、单模光纤的模场直径、单模光纤的模场直径(MFD)由于多模光纤传输的光能并不是由于多模光纤传输的光能并不是完全集中于纤芯之中，而是有相完全集中于纤芯之中，而是有相当部分在包层中传输，所以很难当部分在包层中传输，所以很难用纤芯的几何参数进行描述。为用纤芯的几何参数进行描述。为了便于研究，在单模光纤中引入了便于研究，在单模光纤中引入了模场直径这一参数来表征导光了模场直径这一参数来表征导光区域的大小。它是取代光纤芯径区域的大小。它是取代光纤芯径的参数。的参数

48、。光纤通信模场直径模场直径(MFD)定义定义定义定义:若单模光纤中的光强呈高斯分布，则若单模光纤中的光强呈高斯分布，则将光波场强幅度下降到将光波场强幅度下降到1/e 时的各点所连成时的各点所连成的圆周直径定义为的圆周直径定义为MFD（常用常用20表示）表示）若光强不呈高斯分布，则按下式定义：若光强不呈高斯分布，则按下式定义：21020220)()(222dqqqFdqqqF式中F2(q)为主模的远场强度分布，q=Sin/， 为远场角， 为波长，具体应用可参看ITU-T的相关建议。(远场：距离光纤端面20mm以上的区域)光纤通信ITUT规定，在规定，在1.31 m波段上，模波段上，模场直径的标称

49、值应当在场直径的标称值应当在910 m范围范围内，容差为内，容差为1 m。模场直径表征着光场在纤芯的分布情模场直径表征着光场在纤芯的分布情况，并且与纤芯半径和归一化频率况，并且与纤芯半径和归一化频率V值有关，见右图。值有关，见右图。模场半径与纤芯半径模场半径与纤芯半径 的关系为的关系为(见后图见后图) /a2 3 4 5 V 1 0.8 0.6 0.4 65 . 165 . 1)(0149. 0)(434. 065. 0879. 2619. 165. 0ccVVa阶跃：光纤通信光纤通信当两根光纤连接时，由模场直径当两根光纤连接时，由模场直径计算接续附加损耗公式为：计算接续附加损耗公式为：1、当

50、两纤芯轴对得很准，但两光、当两纤芯轴对得很准，但两光纤模场直径分别为纤模场直径分别为1和和 2，则则dB21log202112dB21log2021122、当两根光纤模场直径相当，但两纤、当两根光纤模场直径相当，但两纤芯未对准，有横向偏移芯未对准，有横向偏移d，则：则：dBed2)(log10光纤通信双折射和偏振保持光纤双折射和偏振保持光纤偏振是单模光纤所特有且很重要的问题。多模光纤传偏振是单模光纤所特有且很重要的问题。多模光纤传输几百甚至上千个模式。各模的偏振尽管沿途变化和输几百甚至上千个模式。各模的偏振尽管沿途变化和旋转，但除了在终端可能产生模式噪声外，对其他性旋转，但除了在终端可能产生模

51、式噪声外，对其他性能没有影响，故不必专门考虑偏振问题。但对单模光能没有影响，故不必专门考虑偏振问题。但对单模光纤，偏振却极为重要。这不仅因为当单模光纤的模内纤，偏振却极为重要。这不仅因为当单模光纤的模内色散为零时，偏振色散将成为色散的极限，而且还因色散为零时，偏振色散将成为色散的极限，而且还因为偏振对相干光通信的实现，对集成光路和单模传感为偏振对相干光通信的实现，对集成光路和单模传感器的制作等都有重要影响和应用。器的制作等都有重要影响和应用。1、偏振现象（光纤的双折射特性）、偏振现象（光纤的双折射特性）前面讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想前面讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想

52、的圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。的圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此因此HE11(LP01)模的模的x-偏振模偏振模HEx11(Ey=0)和和y-偏振模偏振模HEy11(Ex=0)具有相同的传输常数具有相同的传输常数(x=y)，两个偏振模，两个偏振模完全简并。完全简并。光纤通信但实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，但实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数有不同的传输常数(xy)，形成相位差，形成相位差 ，简，简并被破坏。这种现象称为单模光纤中的双折射现并被破

53、坏。这种现象称为单模光纤中的双折射现象。象。2、单模光纤中双折射的种类、单模光纤中双折射的种类极化：随着时间的变化，电场或磁场的空间方位极化：随着时间的变化，电场或磁场的空间方位如何变化？一般把电场的空间方位作为波的极化如何变化？一般把电场的空间方位作为波的极化方向，在研究光波传输时，常用偏振来表示。方向，在研究光波传输时，常用偏振来表示。光矢量的空间方位称为光的偏振。一般分为三种光矢量的空间方位称为光的偏振。一般分为三种类型的偏振光：类型的偏振光：线偏振光：光矢量的端点描绘出的图形是一条直线；线偏振光：光矢量的端点描绘出的图形是一条直线；圆偏振光：如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等，圆偏振

54、光：如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等，相位相差相位相差/2/2，则，则光矢量的大小不变，而方向绕传输光矢量的大小不变，而方向绕传输方向旋转，矢量端点的轨迹是一个圆；方向旋转，矢量端点的轨迹是一个圆；光纤通信椭圆偏振光：如果电场强度的两个分量，空间方位互椭圆偏振光：如果电场强度的两个分量，空间方位互相垂直，振幅和相位都不等时，随着时间相垂直，振幅和相位都不等时，随着时间t的变化合成的变化合成矢量的轨迹是一个椭圆；矢量的轨迹是一个椭圆；对应以上三种偏振光，单模光纤中的双折射也有对应以上三种偏振光，单模光纤中的双折射也有三种：三种：线双折射：线偏振光在两个正交的方向上，如果有不线双折射：线偏振光

55、在两个正交的方向上，如果有不同的折射率，因而有不同的相位常数的双折射；同的折射率，因而有不同的相位常数的双折射；圆双折射：在传输媒质中，当左旋偏振波与右旋偏振圆双折射：在传输媒质中，当左旋偏振波与右旋偏振波有不同的折射率时，从而使其有不同的相位常数波有不同的折射率时，从而使其有不同的相位常数椭圆双折射：当线双折射与圆双折射同时存在时椭圆双折射：当线双折射与圆双折射同时存在时光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信3、单模光纤偏振态的几个物理量、单模光纤偏振态的几个物理量2,)(yxyxB其中(3)拍长：拍长：在纵向均匀的单模光纤中，当两个正在纵向均匀的单模光纤中，当两个正交偏振模的相位

56、差达到交偏振模的相位差达到2时，光在光纤中所传时，光在光纤中所传输的距离输的距离L就称为一个拍长就称为一个拍长Lb。2bL(1)模式双折射或偏振双折射模式双折射或偏振双折射我们把两个偏振模传输常数的差我们把两个偏振模传输常数的差(xy)定义为定义为双折射双折射，通常用归一化双折射，通常用归一化双折射B来表示来表示)(2yxyxnn 其中其中光在自由空间中的波长；光在自由空间中的波长；n nx x、n ny_y_两正交偏振模两正交偏振模HEHE11x11x、HEHE11y11y的有效折射率的有效折射率(2)(2)归一化双折射归一化双折射B B光纤通信光纤通信光纤通信各种由各种由内应力内应力产生线

57、产生线双折射双折射的结构的结构光纤通信4、稳定偏振态的途径和方法、稳定偏振态的途径和方法存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双量。许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。一般单模光纤折射。一般单模光纤B值虽然不大，但是通过光纤制造值虽然不大，但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难。技术来消除它却十分困难。方法：方法：合理的解决方法是通过光纤设计，人为引入强双合理的解决方法是通过光纤设计，人为引入强双折射，把折射，把B值增加到足以使偏振态保持不变，或只保存值增加到足以使偏振态保持不

58、变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输。一个偏振模式，实现单模单偏振传输。强双折射光纤和单模单偏振光纤为强双折射光纤和单模单偏振光纤为偏振保持光纤偏振保持光纤。获得偏振保持光纤的方法很多，例如引入形状各向异性获得偏振保持光纤的方法很多，例如引入形状各向异性的椭圆芯光纤。的椭圆芯光纤。制作低双折射率的光纤；制作低双折射率的光纤；制作高双折射率的光纤；制作高双折射率的光纤；制作单偏振光纤；制作单偏振光纤；波片法，保持或恢复光纤输入、输出端偏振方向一波片法，保持或恢复光纤输入、输出端偏振方向一致致光纤通信2.3 光纤的特性（性能）光纤的特性（性能）光学性能：几何尺寸、光学性能：几何尺寸、 NA

59、、LAN、20、剖面折射率分布剖面折射率分布传输性能传输性能损耗（衰减）损耗（衰减）色散色散串扰串扰机械性能机械性能稳定性能稳定性能光纤通信传输性能传输性能一、损耗（衰减）性能一、损耗（衰减）性能 光纤是一种传输媒质，光波在其中光纤是一种传输媒质，光波在其中传播单位距离就有相当一部份能量传播单位距离就有相当一部份能量被吸收或散射。传播波的振幅衰减被吸收或散射。传播波的振幅衰减主要是由于过渡金属离子和以氢氧主要是由于过渡金属离子和以氢氧根形式出现的水吸收引起的。根形式出现的水吸收引起的。光纤衰减以衰减系数光纤衰减以衰减系数来衡量，它是度来衡量，它是度量光能在光纤中传输损失的参数。量光能在光纤中传

60、输损失的参数。光纤通信光在光纤中传播时，平均光功率沿光光在光纤中传播时，平均光功率沿光纤长度按照指数规律减少。即纤长度按照指数规律减少。即 P(L)=P(0) e (-L/10)P(0)L=0处注入光纤的光功率处注入光纤的光功率P(L)传输到轴向距离传输到轴向距离L处的光功率处的光功率定义：单位长度光纤引起的光功率定义：单位长度光纤引起的光功率衰减。当长度为衰减。当长度为L时，时，)/(lg10)(kmdBPPLoutin光纤通信光通信工程中，长度为光通信工程中，长度为Li，衰减系数为衰减系数为i的的N段光纤相连接，则全长段光纤相连接，则全长L为为yLLLsNiiiNii11总衰减光纤通信光纤