光纤通信原理

光纤通信原理第一页，共一百二十七页，2022年，8月28日第2章光纤和光缆2.1光纤的结构和类型

2.1.1光纤的结构

2.1.2光纤的类型2.2光纤的传输原理

2.2.1几何光学方法

2.2.2光纤传输的波动理论2.3光纤传输特性

2.3.1光纤的损耗特性

2.3.2光纤的色散特性

2.3.3光纤的频带特性第二页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.1光纤的结构和类型2.1.1光纤的结构2.1.2光纤的类型第三页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.1.1光纤的结构纤芯：玻璃n1传导光波包层：玻璃n2将光封闭在光纤中传播涂敷层：环氧树脂或硅橡胶增强光纤的机械强度图2-1光纤的结构图第四页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.1.2光纤类型第五页，共一百二十七页，2022年，8月28日二.按光纤结构分

a-b-ab

在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。

这种光纤频带较窄，适用于小容量短距离通信rn1.阶跃光纤（SIF）第六页，共一百二十七页，2022年，8月28日

2.

渐变光纤（GIF）a-ab-brn纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。这种光纤频带较宽，适用于中容量中距离通信第七页，共一百二十七页，2022年，8月28日三.按传输光场模式分

1.多模光纤（MMF）：

对于较大的纤芯直径（50μm），纤芯内传输多个模式的光波。（1）大尺寸阶跃光纤（2）大尺寸渐变光纤

2.单模光纤（SMF）：单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4μm～10μm范围内。

此光纤带宽极宽，适用于大容量、长距离通信第八页，共一百二十七页，2022年，8月28日第九页，共一百二十七页，2022年，8月28日第十页，共一百二十七页，2022年，8月28日第十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日第十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日第十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日第十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.2光纤的传输原理第十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.2.1几何光学方法光的折射与反射当光线大于临界角入射当光线小于临界角入射光纤的传光原理第十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日1.突变型多模光纤第十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日数值孔径第十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日表示光纤接收光的能力第十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日第二十页，共一百二十七页，2022年，8月28日第二十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日时间延迟第二十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日第二十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日第二十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日第二十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日第二十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日第二十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤的折射率分布由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax

（1）NA2.光在渐变光纤中传播第二十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax

第二十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日（2）射线方程的解射线方程1）将光线轨迹（r）和空间折射率分布(n)联系起来2）由射线方程可推导出光纤轨迹表达式圆柱坐标系折射率具有圆对称性和沿轴线分布的均匀性，n与θ，z无关第三十页，共一百二十七页，2022年，8月28日

(3)射线方程的解取n(r)≈n(0)得到光线轨迹的普遍公式为：第三十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日1)渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数2)对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，其周期Λ=2π/A=2πa/，取决于光纤的结构参数(a,Δ)，而与入射角θ0无关。

θ*=θ0cos(Az)

把光线入射点移到中心轴线(z=0,ri=0)，(4)自聚焦效应第三十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程

不同，但是最终都会聚在P点上，这种现象称为

自聚焦效应。

第三十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.2.2光纤传输的波动理论--光在光纤中的模式传播光纤-圆柱形介质波导电场或磁场在波导中的某种稳定存在的形式第三十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日1波动方程和电磁场表达式第三十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日第三十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日求得纵向场分量，在得到横向场分量第三十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日38第三十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日光沿Z轴传播，传输常数为β光纤的圆对称性，应为方位角的周期函数第三十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日k=2π/λ=2πf/c=ω/c

λ和f为光的波长和频率这样就把分析光纤中的电磁场分布，归结为求解贝塞尔方程设：纤芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1

包层(r≥a)折射率n(r)=n2为求解此方程，引入无量纲参数u,w和V。

u2=a2(n21k2-β2)0≤r≤a导波径向归一化相位常数w2=a2(β2-n22k2)ra导波径向归一化衰减常数V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)归一化频率

归一化传输常数第四十页，共一百二十七页，2022年，8月28日利用这些参数，把式(2.21)分解为两个贝塞尔微分方程：

因为光能量要在纤芯(0≤r≤a)中传输：在r=0处，电磁场应为有限实数在包层(r≥a)，光能量沿径向r迅速衰减当r→∞时，电磁场应消逝为零。第四十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日在纤芯和包层的电场Ez(r,φ,z)和磁场Hz(r,φ,z)表达式为光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数

第四十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日Jv(u)类似振幅衰减的正弦曲线Kv(w)类似衰减的指数曲线u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为横向传输常数β决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，所以称为纵向传输常数Jv(u)和Kv(w)图第四十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日2特征方程和传输模式因为电磁场强度的切向分量在纤芯包层交界面连续，在r=a处应该有第四十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日第四十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日第四十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日每一条曲线表示一个传输模式的β随V的变化归一化传输常数归一化频率第四十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日模式截止要求在包层电磁场消逝为零，必要条件是w>0。如果w<0，电磁场将在包层振荡，传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。w=0(β=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止。其u、w和β值记为uc、wc和βc，此时V=Vc=uc。第四十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日模式远离截止

模式远离截止当V→∞时，w增加很快，当w→∞时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止，其u值记为u∞。

第四十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日LP模对于弱导波光纤（Δ＜1%），一些精确模的传输常数接近相同，通常把这种现象称为简并，这些模式称为简并模。P24表2.2第五十页，共一百二十七页，2022年，8月28日

当ν=0时，有TE0u，TM0u和金属波导不同，光纤属于介质波导,类型可分为TEνu、TMνu、EHνu和HEνu模式。TE0u：横电波特点：纵向无电场仅有磁场TM0u：横磁波特点：纵向无磁场仅有电场计算得到零阶贝塞尔方程的根：2.40483，5.52008，8.65373依次对应TE01TM01,TE02TM02,TE03TM03DE截止频率第五十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日

TEon模TMon模第五十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日当ν≠0时，HE模，EH模

电磁场的六个分量都存在HE模:EZ<HZEH模:EZ>HZ低阶模式的归一化频率VC0HE11（基模）2.40483TE01TM01HE213.83171EH11HE12HE315.13562EH21HE415.52008TE02TM02HE226.38016EH31HE51第五十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日第五十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日对于一条实际光纤，其归一化频率V是一定的，只有Vc<V的模式才可以传输。例如V=3.则只有TE01TM01,能传输导行条件Vc<V截止条件Vc>V临界条件Vc=V第五十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日第五十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日第五十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日3单模光纤的模式特性第五十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日第五十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日第六十页，共一百二十七页，2022年，8月28日第六十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日第六十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日2单模场结构第六十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日第六十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日3双折射第六十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日第六十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日第六十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日第六十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.2总结

NA

Δτ阶跃光纤

渐变光纤传光原理自聚焦效应射线理论传光原理波动理论光纤的归一化频率V模式的截止频率VC单模光纤（HE11)传输条件sinθ＜NA的光能在光纤中传输VC＜V第六十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.3光纤的传输特性2.3.1色散特性2.3.2频带特性2.3.3损耗特性2.3.4光纤的标准第七十页，共一百二十七页，2022年，8月28日第七十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.3.1色散特性一.定义光纤中传输的光信号是由不同模式、频率的电磁波携带的，它们的传输速度不同而引起传输信号在波形上发生畸变的的一种物理现象。第七十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日二.表示方法：Δτ三.分类：

第七十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日1.模式色散定义：在多模光纤中，由于不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，因此有不同的群时延差，在光纤的输出端会造成脉冲展宽。第七十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日渐变型光纤模式色散由于离轴心较远的折射率小，因而传输速度快。离轴心较近的折射率大，因而传输速度慢。结果使不同路程的光线到达输出面的时延差近似为零，所以渐变型多模光纤的模式色散较小。第七十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.模内色散单模光纤中内部只有HE11模，不存在模式色散。只有模内色散。原因是群速度色散。

群速度色散：基模的群速度与频率有关，光脉冲的不同频率分量具有不同的群速度，因而到达光纤输出端的时间会产生差别，结果导致脉冲展宽。

vg=v.cosθ

vgZ第七十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日(1)材料色散定义：是光纤材料的折射率随频率而变，可使信号的各频率群速度不同引起色散。（2）波导色散定义：模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模式在不同的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。第七十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日四.总色散单模光纤中：在1.31μm，总色散为零。这意味着在这个波长传输的光脉冲不会发生展宽。在1.55μm，损耗最低，色散很大。如将零色散波长从1.31μm移到1.55μm，这就是色散位移光纤(DSF)。第七十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.3.2频带特性色散和带宽描述的是光纤的同一特性色散是在时域的表现形式即脉冲展宽带宽是在频域的表现形式即高频分量的衰减第七十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日H(t)Pin(t)tPout(t)tPin(ω)H(ω)Pout(ω)ωω光纤的传递函数H(ω)=Pout(ω)/Pin(ω)H(ω)具有低通滤波器的特性第八十页，共一百二十七页，2022年，8月28日第八十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日第八十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日1/2H(ω)ff3dB第八十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日实测表明，输出光脉冲一般为高斯波形，设第八十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日图2.11光纤带宽和脉冲展宽的定义第八十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.3.3损耗特性第八十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日一.定义：光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降这就是光纤的传输损耗。该损耗直接关系到光纤通信系统传输距离的长短，是光纤最重要的传输特性之一。

光纤的损耗如图所示第八十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日二.表示方法

Pi表示输入光纤的功率，Po表示输出光功率L为光纤长度（km）

第八十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日三.分类光纤损耗本征吸收吸收损耗散射损耗弯曲损耗杂质吸收原子缺陷吸收瑞利散射损耗结构不完善引起的散射损耗紫外吸收红外吸收氢氧根过度金属离子光纤弯曲损耗光纤微弯损耗第八十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日1.吸收损耗

定义：由于组成光纤的材料和杂质对光波的吸收，使一部分光能变成散失的热能从而造成光功率的损失。

（1）本征吸收：光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关。紫外吸收带红外吸收带第九十页，共一百二十七页，2022年，8月28日（2）杂质吸收损耗：由于光纤中的杂质对光的吸收作用而造成的附加的吸收损耗，它是造成光纤损耗的主要原因。过度金属离子：

氢氧根离子：造成杂质吸收损耗的主要根源第九十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.散射损耗定义：散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利散射和由光纤结构缺陷引起的散射。

（1）瑞利散射——固有损耗由于光纤材料密度的微观变化以及各成分浓度不均匀引起光的散射它引起的损耗与λ-4成正比。第九十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日（2）布里渊和喇曼散射非线形散射，只有注入功率超过某一阈值时才发生。在通信线路中不考虑。（3）结构不完善散射损耗（辐射损耗）结构缺陷第九十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日四.光纤的损耗特性曲线

本征吸收损耗固有损耗瑞利散射损耗非固有损耗第九十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/mm损耗/(dB·km－1)第九十五页，共一百二十七页，2022年，8月28日光纤通信三个窗口：0.85μm1.31μm1.55μm第一窗口第二窗口第三窗口短波长窗口长波长窗口第九十六页，共一百二十七页，2022年，8月28日五.实用光纤损耗谱SIF——GIF——SMF损耗依次减小第九十七页，共一百二十七页，2022年，8月28日五.实用光纤的损耗谱第九十八页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.3.4光纤的标准

第九十九页，共一百二十七页，2022年，8月28日第一百页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.4光缆2.4.1光缆基本要求1.光缆要有优良的机械特性，为防止光纤断裂提供保证。2.不能因成缆而影响光纤的传输特性3.缆径细，重量轻4.容易铺设和接续5.便于施工和维护第一百零一页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.4.2光缆结构和类型一.结构1.缆芯缆芯是由单根或多根光纤芯线组成，其作用是传输光波。2.加强元件加强元件一般有金属丝和非金属纤维，其作用是增强光缆敷设时可承受的拉伸负荷。3.护层光缆的护层主要是对已形成缆的光纤芯线器保护作用，避免受外界的损伤。第一百零二页，共一百二十七页，2022年，8月28日二.类型层绞式骨架式中心束管式带状式第一百零三页，共一百二十七页，2022年，8月28日三.特性

1.拉力特性

2.压力特性

3.弯曲特性

4.温度特性第一百零四页，共一百二十七页，2022年，8月28日2.5无源光器件一.光纤连接器光纤连接器(FiberConnector)是实现光纤活动连接的重要组成部分。它与光纤适配器一起实现了光纤的活动连接。

光纤适配器（法兰）

（FiberAdapter）是实现光纤活动连接的重要器件之一，它通过尺寸精密的开口套管在适配器内部实现了光纤连接器的精密对准连接。

第一百零五页，共一百二十七页，2022年，8月28日1.功能把两根光纤的端面结合在一起。

2.分类

永久性连接：光纤线路上的连接0.2dB活动连接：可以拆卸的连接〈0.1dB第一百零六页，共一百二十七页，2022年，8月28日3.主要要求（1）连接损耗小（2）稳定性好（3）拆装方便（4）重复性好（5）同型号可交换（6）体积小成本低第一百零七页，共一百二十七页，2022年，8月28日4.结构（1）固定连接器：粘接法熔接法（2）活动连接器：连接类型：FC、SC、ST等端面接触型：PC、UPC、APC等第一百零八页，共一百二十七页，2022年，8月28日

基本结构第一百零九页，共一百二十七页，2022年，8月28日FC-APC连接器FC-PC连接器LC连接器MU连接器第一百一十页，共一百二十七页，2022年，8月28日SC-APC连接器ST连接器多芯连接器SC-PC连接器第一百一十一页，共一百二十七页，2022年，8月28日连接器第一百一十二页，共一百二十七页，2022年，8月28日套筒插芯FC适配器LC适配器SC适配器第一百一十三页，共一百二十七页，2022年，8月28日5.产生连接损耗的原因第一百一十四页，共一百二十七页，2022年，8月28日二.光纤耦合器1.功能：实现光信号分/合路的功能器件，一般是同一波长