光纖通信第2章

1、2.1 光纖結(jié)構(gòu)和類型光纖結(jié)構(gòu)和類型2.2 光纖傳輸原理光纖傳輸原理2.3 光纖傳輸特性光纖傳輸特性2.4 光纜光纜2.5 光纖特性測量方法光纖特性測量方法第第 2 章章 光纖和光纜光纖和光纜返回主目錄第第 2 章章 光光 纖纖 和和 光光 纜纜2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型光纖結(jié)構(gòu)和類型 2.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu) 光纖（Optical Fiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。 設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1n2。 纖芯和包層的相對折射率差=（n1-n2）/n1的典型值，一般單模光纖為0.3%0.6%， 多模光纖為1%2%。 越大，把光能量

2、束縛在纖芯的能力越強(qiáng)，但信息傳輸容量卻越小。圖2.1 示出光纖的外形。包層n2纖芯n1 纖芯和包層的相對折射率差=（n1-n2）/n1的典型值，一般單模光纖為0.3%0.6%， 多模光纖為1%2%。 2.1.2光纖類型光纖類型 實用光纖主要有三種基本類型， 圖2.2示出其橫截面的結(jié)構(gòu)和折射率分布，光線在纖芯傳播的路徑，以及由于色散引起的輸出脈沖相對于輸入脈沖的畸變。 突變型多模光纖（StepIndex Fiber, SIF）如圖2.2(a)， 纖芯折射率為n1保持不變，到包層突然變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a=5080 m，光線以折線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變大。 漸變型多

3、模光纖（GradedIndex Fiber, GIF）如圖2.2(b)， 在纖芯中心折射率最大為n1，沿徑向r向外圍逐漸變小，直到包層變?yōu)閚2。這種光纖一般纖芯直徑2a為50m，光線以正弦形狀沿纖芯中心軸線方向傳播，特點是信號畸變小。 單模光纖（SingleMode Fiber, SMF）如圖2.2 (c)，折射率分布和突變型光纖相似，纖芯直徑只有810 m，光線以直線形狀沿纖芯中心軸線方向傳播。其信號畸變很小。 圖 2.2三種基本類型的光纖(a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖5

4、0 m125mrnAitAot(b)10 m125mrnAitAot(c) 依據(jù)實際的需要可以制成幾種新類型的光纖： 1，雙包型光纖（W型光纖） 特點：折射率分布像W型 三層折射率：纖芯 n1 外包層n2 內(nèi)包層n3應(yīng)用：色散小、甚至為0（零色散光纖）2，三角形光纖特點：折射率分布像三角形 應(yīng)用：密集波分復(fù)用 光孤子傳輸 長距離 非零色散3，橢圓形光纖特點：折射率分布像橢圓形應(yīng)用：雙折射、偏振保持光纖。 圖 2.3典型特種單模光纖 (a) 雙包層； (b) 三角芯； (c) 橢圓芯 2a 2an1n2n3(a)(b)(b)三種類型光纖的應(yīng)用場合 1，突變型多模光纖：信號畸變大、帶寬距離積短、適

5、用小容量、短距離光纖通信系統(tǒng)。 2，漸變性多模光纖：適用于中等容量的光纖通信系統(tǒng)。 3，單模光纖：適用于大容量、長距離光纖通信系統(tǒng)。 2.2 光纖傳輸原理光纖傳輸原理 研究光纖傳輸原理的方法：1，求解麥克斯韋方程組法 數(shù)學(xué)推演復(fù)雜 只記結(jié)論分析2，幾何光學(xué)法 推演直觀易懂 不是十分嚴(yán)密 2.2.1幾何光學(xué)方法幾何光學(xué)方法 研究問題：光束在光纖中傳播的空間分布和時間分布 由此得到兩個概念： 數(shù)值孔徑（NA）和時間延遲。 321y1lLxoc23纖芯n1包層n2zc1 圖 2.4 突變型多模光纖的光線傳播原理 根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到 由光線1得： n0 sin=n1 sin1=n1 co

6、s1 (2.1） 當(dāng)=c時， 定義NA= n0 sinc=n1 cosc 因為 n1 sinc=n2 sin90o 又因為 n0=1 由以上各式得： 上式中=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對折射率差。設(shè)=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2212221nnnNA NA的意義： 1，NA表示光纖接收和傳輸光的能力。2，NA(或c)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。3，對于無損耗光纖，在c內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大， 纖芯對光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。4，但NA越大 經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)

7、實際使用場合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。 2，時間延遲 （2.4） )21 (secL211111cLncncln 式中c為真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(=c)和最小入射角(=0)的光線之間時間延遲差近似為 cLnNAcnLcnLc12121)(22 時間延遲差會在時域產(chǎn)生脈沖展寬，或稱為信號畸變。 由此可見，突變型多模光纖的信號畸變是由于不同入射角的光線經(jīng)光纖傳輸后， 其時間延遲不同而產(chǎn)生的。設(shè)光纖NA=0.20，n1=1.5，L=1 km，根據(jù)式(2.5)得到脈沖展寬=44ns，相當(dāng)于10MHzkm左右的帶寬。 例1 均勻光纖芯與包層的折射率分別為：n1=1.50，n2=1.45，試計

8、算： （1）光纖芯與包層的相對折射率為多少？ （2）光纖的數(shù)值孔徑NA為多少？ （3）在1米長的光纖上，由子午線的光程差所引起的最大時延差max為多少？光纖“模”的概念 1.模的概念模的概念 光導(dǎo)纖維傳輸中的一個重要性能就是模式分布。 模式是指傳輸線橫截面和縱截面的電磁場結(jié)構(gòu)圖形，即電磁波的分布情況。 一般來說，不同的模式有不同的的場結(jié)構(gòu)，且每一種傳輸線都有一個與其對應(yīng)的基?；蛑髂！?基模是截止波長最長的模式。除基模外，截止波長較短的其它模式稱為高次模。 根據(jù)光纖能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，可將其分為單模光纖和多模光纖。 2.多模光纖與單模光纖多模光纖與單模光纖 1.多模光纖的纖芯大，入射光進(jìn)入纖芯的角

9、度多,向前傳播的路徑也多，所以其電磁場分布模式多種多樣,可同時傳播多種模式。 2.單模光纖的纖芯小，光的入射角度小，電磁場分布模式單純，只允許一種最基本的模式即基模的傳播，其它高次模均被淘汰 。 3.光在單模光纖中的傳播光在單模光纖中的傳播 結(jié)論：光在單模光纖中的傳播軌跡，簡單地講是以平行于光纖軸線的形式以直線方式傳播。 原因：在單模光纖中僅以一種模式（基模）進(jìn)行傳播，而高次模全部截止，不存在模式色散。平行于光軸直線傳播的光線代表傳播中的基模。 模式色散：不同模式的傳播時間不同而產(chǎn)生?？偨Y(jié) 光纖的模式是能在光纖中傳輸?shù)墓猓恳粋€模式是滿足亥姆霍茲方程的一個解。 單模光纖只能傳輸一種光，就是平行

10、于軸線的光（基模）。 多模光纖則可以傳輸多種波長的光，根據(jù)波長不同，數(shù)值孔徑不同，不同的模式就是傳輸?shù)穆窂讲煌?。光纖傳輸?shù)牟▌永碚?由于波動理論的推導(dǎo)和計算求解十分復(fù)雜，為此，我們略去其推導(dǎo)過程，直接給出結(jié)論進(jìn)行分析。 公式1： 其中V表示光的歸一化頻率，表示光的波長，a表示纖芯半徑，n1表示內(nèi)芯折射率，n2表示外芯折射率。 該結(jié)論意義：可以通過V求出光纖中的傳輸模數(shù)M。22212nnav 1，多模光纖的模數(shù)計算： （1）對于突變型光纖，傳輸模數(shù)M=V2/2 （2）對于漸變性光纖，傳輸模數(shù)M=V2/4 2，模式截止 模式的數(shù)目決定于歸一化頻率的大小。 （1）當(dāng)V2.405的時候，僅有一個單?？?/p>

11、以在光纖波導(dǎo)中傳播，這個模就是HE11 ?；蛘呤侨鯇?dǎo)近似下的線偏振模LP01模，其它模式均被截至。單模光纖的模式特性 單模條件和截止波長從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。當(dāng)V值減小時，不斷發(fā)生模式截止， 模式數(shù)目逐漸減少。 特別值得注意的是當(dāng)V2.405時，只有HE11(LP01)一個模式存在，其余模式全部截止。HE11稱為基模，由兩個偏振態(tài)簡并而成。 由此得到單模傳輸條件為 V= (2.36) 由式(2.36)可以看到，對于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個臨界波長c，當(dāng)c時，是單模傳輸，這個臨界波長c稱為截止波長。405. 222221nna例2 已知光

12、纖的纖芯直徑2a=50um， =0.01，n1=1.45， =0.85um，若光纖的折射率分布為階躍型和漸變型， （1）求它們各自的導(dǎo)模數(shù)量 （2）若波長改為1.31um，導(dǎo)模數(shù)量如何變化？例3 已知均勻光纖芯的折射率n1=1.50，相對折射率差=0.01,芯半徑a=25um。 試求： （1）LP02模的截止波長是多少？（已知LP02的截止頻率為3.832） （2）若0=1um，計算光纖的歸一化頻率V以及其中傳輸?shù)哪?shù)量N各等于多少？例4 均勻光纖，若n1=1.50，0=1.30um，試計算： （1）若=0.25，為了保證單模傳輸，其芯半徑應(yīng)取多大？ （2）若取a=5um，為了保證單模傳輸，

13、應(yīng)取多大？2.3光纖傳輸特性光纖傳輸特性 1，損耗 影響：使信號幅度減小、限制傳輸距離。2，色散影響：使信號產(chǎn)生畸變（失真）即使信號波形展寬 限制傳輸容量總之：由于光纖的傳輸特性損耗和色散，使光信號經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生損耗和畸變(失真)，因而輸出信號和輸入信號不同。 2.3.1光纖色散光纖色散1. 色散、色散、 帶寬和脈沖展寬帶寬和脈沖展寬色散(Dispersion)定義：是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。包括：模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散。 模式色散：產(chǎn)生原因：不同模式的時間延遲不同 決定因素：光纖的折射率分布、光纖材料折射率的波長特性 材料色散： 產(chǎn)

14、生原因：光纖的折射率隨波長而改變、模式內(nèi)部不同波長成分的光時間延遲不同。 決定因素：光纖材料折射率的波長特性、光源的譜線寬度。 波導(dǎo)色散： 產(chǎn)生原因：波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長。 決定因素：波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。 色散影響：1、時域（脈沖展寬 ）、頻域（限制傳輸信號帶寬 3db）2、模擬信號（限制帶寬）、數(shù)字脈沖信號（脈沖展寬） 時域： 用脈沖展寬表示時， 光纖色散可以寫成 =(2n+2m+2w)1/2 式中n、m、w分別為模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散所引起的脈沖展寬的均方根值。 光纖帶寬的計算：f3 dB= 公式（1）上式中，為信號通過光纖產(chǎn)生均方根脈沖寬度(ns)(187122ln2

15、MHZ又因為= =2.355，2ln2所以有 f3 dB= 公式（2）上式中（ns）為時間延遲差（信號通過光纖后脈沖展寬）)(441MHZ3dB帶寬：就是指光纖帶寬 3DB帶寬就是指功率下降一半的帶寬.對于光或者電信號,表現(xiàn)在他們的幅值下降到0.707的位置. 光纖的帶寬指的是：在光纖的傳遞函數(shù)中，光功率的幅值比零頻率的幅值降低50%或3dB時的調(diào)制頻率。例5 考慮1km長，NA=0.2，n1=1.5，計算光纖帶寬例6 有一段由多模階躍折射率光纖構(gòu)成的10km長，NA=0.30，如果纖芯的折射率n1=1.450。 （1）求接收端模式之間的最大時延差 （2）求由模式色散導(dǎo)致的均方根脈沖展寬 （3

16、）假設(shè)最大比特率等于帶寬，則此光纖的帶寬距離積是多少？（帶寬距離積=帶寬光纖長度）色散的危害性 色散是光纖的傳輸特性之一。由于不同波長光脈沖在光纖中具有不同的傳播速度，因此，色散反應(yīng)了光脈沖沿光纖傳播時的展寬。 光纖的色散現(xiàn)象對光纖通信極為不利。 在光纖數(shù)字通信傳輸?shù)氖且幌盗忻}沖碼，光纖在傳輸中的脈沖展寬，導(dǎo)致了脈沖與脈沖相重疊現(xiàn)象，即產(chǎn)生了碼間干擾，從而形成傳輸碼的失誤，造成差錯。為避免誤碼出現(xiàn)，就要拉長脈沖間距，導(dǎo)致傳輸速率降低，從而減少了通信容量。 另一方面，光纖脈沖的展寬程度隨著傳輸距離的增長而越來越嚴(yán)重。因此，為了避免誤碼，光纖的傳輸距離也要縮短。多模光纖和單模光纖的色散 多模光纖的

17、色散包括： 模式色散+材料色散+波導(dǎo)色散（其中模式色散占主導(dǎo)作用） 單模光纖的色散包括： 材料色散+波導(dǎo)色散（為什么沒有模式色散？） 單模光纖的色散特性受到光波長的影響和光源的影響。單模光纖的色散系數(shù) 單位長度的單模光纖色散系數(shù)D（） 定義:每公里的光纖單位譜寬所引起的脈沖展寬值，與長度呈線性關(guān)系。 計算公式： 出= 入 D（） L 其中， 出為經(jīng)光纖輸出的均方根譜寬， 入為光源輸入的均方根譜寬， D（）為色散系數(shù)，L為光纖長度。 由公式可推出：總色散= D（） L= 出/ 入 目前的單模光纖色散系數(shù)一般為20ps/km.nm，光纖長度越長，所引起的色散總值也就越大。 色散系數(shù)越小越好，因為色

18、散系數(shù)越小，光纖的帶寬也就越大，傳輸容量也就越大。色散系數(shù)單位 PS/(Km.nm)表示光譜寬度為1nm的光源，在光纖中傳輸1Km后，所產(chǎn)生的時延為1PS，這個單位是色散系數(shù)的單位。 p是一個系數(shù)，等于10的負(fù)12次方；s是秒，用于衡量時延差的單位； nm是光源對應(yīng)的全譜寬的單位（n也是一個系數(shù)，等于10的負(fù)9次方，m是米）；km是光纖長度的單位（表示公里） 2.3.2光纖損耗光纖損耗 損耗是光纖的第二個傳輸特性，使信號幅度減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。光纖損耗系數(shù) = (2.59)上式中，是損耗系數(shù)。L(km)為光纖長度， Pi輸入光功率，Po輸出光功率。)/(lg100

19、kmdBppLi 1. 損耗的機(jī)理損耗的機(jī)理 圖2.15是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的（與波長有關(guān)）。 散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。圖 2.15 單模光纖損耗譜， 示出各種損耗機(jī)理 0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6實驗波導(dǎo)缺陷紫外吸收瑞利散射紅外吸收波長 / m損耗 / (dBkm1) 圖 2.16光纖損耗譜(a) 三種實用光纖； (b)

20、優(yōu)質(zhì)單模光纖 波長 / m損耗 /( dBkm1)0.802468100.61.01.21.41.6800損耗 / (dBkm1)波長 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600abcdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB / km(a)(b)1.8損耗、色散與波長的關(guān)系 由圖2.16看到：從多模突變型(SIF)、漸變型(GIF)光纖到單模(SMF)光纖，損耗依次減小。 在0.81.55 m波段內(nèi)，除吸收峰外， 光纖損耗隨波長增加而迅速減小。 在1.39m OH-

21、吸收峰兩側(cè)1.31 m和1.55 m存在兩個損耗極小的波長“窗口”。 從色散的討論中看到： 從多模SIF、 GIF光纖到SMF光纖，色散依次減小(帶寬依次增大)。結(jié)論： 1，光纖通信從SIF、GIF光纖發(fā)展到SMF光纖。 2，從短波長(0.85 m)“窗口”發(fā)展到長波長(1.31 m和1.55 m)“窗口”，使系統(tǒng)技術(shù)水平不斷提高。 例7 一段10km長的光纖線路，其損耗為1.6dB/km。問： （1）若在接收端保持0.2uW的接收光功率，則在發(fā)送端的光功率至少為多少？ （2）若光纖的損耗變?yōu)?.0dB/km，則需要的輸入光功率為多少？例8 某光纖在1200nm波長處的損耗為0.5dB/km，

22、在1500nm波長處的損耗為0.2dB/km。若下面兩種光信號同時進(jìn)入光纖：1200nm波長的150uW的光信號和1500nm波長的100uW的光信號。試問： 這兩種光信號在8km和20km處的功率各是多少？（以uW為單位） 2.3.3光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用 G.651多模漸變型(GIF)光纖：光纖通信發(fā)展初期、適用于中小容量、中短距離的通信系統(tǒng)。 G.652常規(guī)單模光纖：第一代單模光纖，其特點是在波長1.31 m色散為零，系統(tǒng)的傳輸距離只受損耗的限制。目前世界上已敷設(shè)的光纖線路90%采用這種光纖。 G.653色散移位光纖：第二代單模光纖。特點是在波長1.55 m色散為零，損耗又最小、適

23、用大容量長距離通信系統(tǒng)。 G.654 1.55 m損耗最小的單模光纖：特點是在波長1.31 m色散為零，在1.55 m色散為1720 ps/(nmkm)，和常規(guī)單模光纖相同，但損耗更低，可達(dá)0.20 dB/km以下。 G.655非零色散光纖，改進(jìn)的色散移位光纖。適用于密集波分復(fù)用(WDM)系統(tǒng)中。 2.4光纜光纜 2.4.1光纜基本要求：光纜基本要求：保護(hù)機(jī)械強(qiáng)度、傳輸特性保護(hù)機(jī)械強(qiáng)度、傳輸特性保護(hù)光纖的固有機(jī)械強(qiáng)度的方法：1，塑料被覆2，應(yīng)力篩選（條件）3，二次被覆經(jīng)二次被覆后光纖的四種類型：緊套、松套、大套管、帶裝線光纖 圖 2.18二次被覆光纖(芯線)簡圖 (a) 緊套； (b) 松套；

24、 (c) 大套管； (d) 帶狀線 緊套一次被覆光纖松套大套管一次被覆光纖帶狀線(a)(b)(c)(d) 2.4.2 光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜結(jié)構(gòu)和類型 光纜組成: 纜芯、護(hù)套（有時外有鎧裝） 1，纜芯組成：被覆光纖（或稱芯線）、加強(qiáng)件 光纜分類：（依據(jù)纜芯的特點）層絞式、骨架式、中心束管式、帶狀式。 2，護(hù)套： 作用：對纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)。 要求：抗側(cè)壓力性能、密封防潮和耐腐蝕。 分類：（依據(jù)適用場合） 室內(nèi)光纜、 架空光纜、 埋地光纜和管道光纜2.4.3 光纜特性光纜特性 光纜的傳輸特性取決于被覆光纖。 光纜的特性： 1.拉力特性（加強(qiáng)件有關(guān)） 2.壓力特性（護(hù)套有關(guān)） 3.彎曲特性（和光

25、纜材料與結(jié)構(gòu)） 4.溫度特性（光纜材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計）光纖特性測量方法 光纖特性：幾何特性、光學(xué)特性、傳輸特性 1，幾何特性：纖芯和包層直徑。 2，光學(xué)特性：折射率分布、數(shù)值孔徑、截止波長等。 3，傳輸特性：損耗、帶寬、色散。 說明： 1，幾何特性和光學(xué)特性穩(wěn)定。（可以依據(jù)廠家的測量數(shù)據(jù)） 2，傳輸特性不穩(wěn)定，故須在實際的使用中自己測量。如：損耗、帶寬（色散）和截止波長與受到使用的條件和環(huán)境的影響。 本節(jié)介紹光纖損耗、帶寬(色散)和截止波長的測量原理和測量方法。 測量的共同的特點：1，用特定波長的光通過光纖2，測出輸出端相對于輸入端的光功率或幅度、相位等物理量的變化，3，最后經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理

26、而實現(xiàn)。 測量系統(tǒng)：包括發(fā)射光源、注入裝置和接收與數(shù)據(jù)處理設(shè)備。要求：測量儀器穩(wěn)定、可靠，精確。 2.5.1損耗測量損耗測量 光纖損耗測量有兩種基本方法：一種是測量通過光纖的傳輸光功率，稱剪斷法和插入法；另一種是測量光纖的后向散射光功率，稱后向散射法。 1. 剪斷法剪斷法 光纖損耗系數(shù)由式(2.61a)確定， 即)/(lg1021KmdBppLa 式中，L為被測光纖長度(km)，P1和P2分別為輸入光功率和輸出光功率(mW或W)。 圖 2.22 剪斷法光纖損耗測量系統(tǒng)框圖 偏置電路注入裝置光源P1P2被測光纖檢測器放大器電平測量2.向后散射法 后向散射法：利用與傳輸光相反方向的瑞利散射光功率來確定光纖損耗系數(shù)的方法。 原因：瑞利散射光功率與傳輸光功率成比例。 設(shè)在光纖L1和L2處的正向傳輸光功率分別為P1和P2(P1P2) 光檢