光纤通信课件：第2章 光纤和光缆

第2章光纤和光缆内容要求2.1光纤结构和类型2.2光纤传输原理2.3光纤传输特性2.4单模光纤的进展和应用光纤结构纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，含量达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等，以提高纤芯的折射率。纤芯直径约为8m~100m。包层材料一般也为SiO2，外径为125m，作用是把光强限制在纤芯中。为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在纤芯传输。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。2.1光纤结构和类型

2.1.1多模光纤可以传播数百到上千个模式的光纤，称为多模（MM，Multimode）光纤。根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导阶跃(SI，StepIndex)多模光纤折射率n1在纤芯保持不变，到包层突然变为n21.阶跃多模光纤结构渐变(GI,GradedIndex)多模光纤折射率不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为n22.渐变多模光纤图2.1.1实用光纤三种基本类型

光纤拉丝装置

在鼓上的光纤2.1.2单模光纤---色散最小只能传播一个模式的光纤称为单模光纤标准单模(SM,SingleMode)光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有（9~10）m光线沿轴线直线传播,色散使输出脉冲信号展宽最小。单模光纤结构表2.1.1阶跃多模光纤、渐变多模光纤和

阶跃单模光纤的特性比较

为调整工作波长或色散特性，改变折射率分布，可以设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：多模光纤(G.651)，普通单模光纤(G.652)，色散移位光纤(G.653)， 非零色散移位光纤（G.655），在1.55m衰减最小的光纤（G.654），色散补偿光纤，全波光纤（G.656），接入网用光纤(G.657) 光纤种类2.2光纤传输原理2.2.1传输条件

图1.3.1光波从折射率较大的介质入射进入折射率较小的介质，在边界反射和折射光纤波导传输光的原理---临界角i

<c的光线将有部分光能进入包层泄漏出去,如图2.2.2(a)所示。当i=c时，光线在波导内以c入射到纤芯与包层交界面，并沿交界面向前传播(折射角为t)，如图2.2.2(b)所示。当入射角超过临界角（i>c

）时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫做全反射(TIR，TotalInternalReflection),如图2.2.2(c)所示，这就是多模光纤波导传输光的原理。图2.2.2光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况光纤传输--全反射条件2.2.1传输条件全反射条件 光波从折射率较大的介质入射进入折射率较小的介质时，在边界将发生反射和折射,当入射角超过临界角时，将发生全反射。相干加强条件

对于特定的光纤结构，只有满足一定条件的电磁波可以在光纤中进行有效的传输。这些特定的电磁波称为光纤模式。光纤中可传导的模式数量取决于光纤的具体结构和折射率的径向分布。如果光纤中只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤支持多个传导模式的光纤称为多模光纤光线在光纤端面以不同角度

从空气入射到纤芯，不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。假如在光纤端面的入射角是，在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是。此时，>c(临界角)的光线将发生全反射，而<c的光线将进入包层泄漏出去。于是，为了光能够在光纤中传输，入射角

必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生全发射而返回纤芯，并以曲折形状向前传播。图2.2.3不同入射角的光线

全反射条件数值孔径

(NA)

图2.2.1光纤传输条件NA表示光纤接收和传输光的能力NA(或sinmax)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。对无损耗光纤，在max内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的NA。相干加强条件

在光纤中传输的光线必须与它自己相长干涉，

否则相消干涉将相互抵消图2.2.2光线以法线和斜射入射时在纤芯内以不同的路经传输与光纤轴垂直的横截面的电场分布和强度分布

图2.2.4几种LP模的归一化传输常数与归一化频率V的关系，随着V的增加，光纤传输的模式也增加2.2.3单模光纤的基本特性1.基模传输条件由2.2.2节的分析可知，单模光纤的传输条件是归一化频率此时其它模式的光波均被截止，只有HE11模（线偏振模LP01）在光纤中传输，它是光纤的主模。V值由式（2.2.6）确定

2.2.3单模光纤的基本特性4.模场半径单模光纤中的场强大部分局限在纤芯直径2a中，但是仍然有一部分泄露到包层中，设泄露到包层的深度是，如图2.2.3（b）所示，因此单模光纤的纤芯直径对于描述场强的分布已没有多大意义，而改用模场半径（w）来描述基模场强在空间的分布，场强在波导中的分布用模场直径（MFD）2w=2a+2

表示2.2.3单模光纤的基本特性5．纤芯和包层中的光功率分配模场半径（w）可以描述基模场强在空间的分布，与此相关，基模功率沿光纤纵向（r方向）的分布是：大部分功率集中在纤芯传输，小部分在包层中传输，而且随着b的减小（接近截止），光场更多地向包层泄露，如图2.2.6所示。图2.2.6LP01模（HE11模）和LP11的归一化光功率分布例题例2.2.1例2.2.2例2.2.4例2.2.5光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。2.3.1衰减瑞利（1877~1919）瑞利散射发明家1904年获得诺贝尔奖率减系数引起衰减的原因光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。吸收损耗是可以改善的 目前由于超纯石英光纤工艺的改进，已消除了这一波长附近的损耗峰，使(1350~1450)nm波段的损耗也降低到0.3dB/km左右，该波段就是光纤传输的第五个窗口，它位于第二个窗口和第三个窗口之间。这种能够在1200~1650nm整个范围内都可用来进行DWDM光纤通信的光纤就是全波光纤图2.3.2典型光纤衰减谱2.3.2色散各模群速度不等引起脉冲展宽色散种类：

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号在光纤中传输时，因群速度不同产生不同的时间延迟引起的一种物理效应。光信号分量包括发送信号调制和光源谱宽中的频率分量，以及光纤中的不同模式分量。如果信号是模拟调制，色散限制了带宽。如果信号是数字脉冲，色散使脉冲展宽。色散通常用3dB光带宽或脉冲展宽来表示，这里是输出光脉冲相对于输入光脉冲的展宽。如果脉冲是高斯函数，则，这里和

分别为输入和输出脉冲的宽度。

色散系数D

在光纤通信系统中，由光源的谱宽决定，常用代替。利用和，则脉冲展宽变成

（2.3.8）式中（2.3.9）

群速度色散

D称为色散系数，单位为。色散对光纤所能传输的最大比特速率B的影响可利用相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定（见图2.3.13），即。

色散对光纤所能传输的最大比特速率B的影响可利用相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定2．光纤色散种类模式色散色度色散：（材料色散+和波导色散）偏振模色散。

色度色散又分为材料色散和波导色散。对于多模光纤，模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，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，波导色散相对较小。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。模式色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽图2.3.5多模光纤模式色散多模光纤各模

传输路径不同引起脉冲展宽（2）色度色散（或色散）色度色散是由于不同波长(颜色)的光以不同的速度在光纤中传输引起不同的时间延迟而产生的。色度色散(ChrometicDispersion)又分为材料色散和波导色散，常简称为色散。所有光源都是在一定波长范围内发射的非单色光，当各种波长的光进入纤芯后，由于波长与折射率有关，所以在光纤波导中的光以不同的群速度在纤芯内传输，波长短的波速度慢，波长长的波速度快，所以它们到达光纤末端的时间也不同，导致输出脉冲展宽。图中表示光纤的传输延迟，表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。图2.3.6色散引起单模光纤输出脉冲展宽图2.3.7典型单模光纤的色散系数材料色散+波导色散

材料色散系数（2.3.13）波导色散系数（2.3.16）式中n2和Ng2分别是包层的折射率和群折射率，a是光纤芯半径。SiO2的波导色散系数可近似为（2.3.20）图2.3.8标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性2.3.10色散平坦光纤的

色散系数和折射率分布

例2.3.2

例2.3.32.3.3光纤比特率在数字通信中，沿光纤传输的通常是代表信息的光脉冲。在发射端，信息首先被转变成脉冲形式的电信号，如图2.3.13所示，代表信息的数字比特脉冲通常都很窄。电脉冲驱动光发射机（如LD）使其在二进制“1”码时发光，“0”码时不发光，然后耦合进光纤，经光纤传输后到达光接收机，再还原成电脉冲，最后从中解调出信息。数字通信工程师感兴趣的是光纤能够传输的最大数字速率。这个速率称为光纤的比特率容量B（bit/s），它直接与光纤的色散特性有关。图2.3.13最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定图2.3.14高斯输出光脉冲和允许两个连续输出光脉冲互相搭接的程度例2.3.5单模光纤的种类G.651标准多模光纤G.652标准单模光纤G.653色散移位光纤G.654衰减最小光纤G.655非零色散光纤G.656宽带全波光纤

G.657接入网用光纤

色散补偿光纤2.5光纤的选择对光纤的基本要求是：从发射光源耦合进光纤的光功率最大；光信号通过光纤传输后产生的畸变最小；光纤的传输窗口要满足系统应用的要求。具体的设计要根据使用条件进行折衷。衰减在选定的波长,衰减要足够小，以使在满足接收机所要求的光功率的前提下，使中继距离