《通信線路工程》課件光纖-1(新模板)

1課前提問光纖的尺寸為μm?外徑125μm-裸纖；涂覆光纖：250μm或900μmTPE海底光纜，可以同時進行多少路電話通信（1.28Tb/s）？大約2千萬路電話（不考慮開銷）。說明如圖光纖跳線的結(jié)構(gòu)和尺寸2第二章光纖光纖的結(jié)構(gòu)光纖的導光原理光纖的分類光通信教研室傅珂3理解光纖的結(jié)構(gòu)了解光纖的分類掌握多模階躍光纖導光原理-射線光學目的要求導光原理重難點第二章光纖4一.光纖的結(jié)構(gòu)光纖是多層同心圓柱體結(jié)構(gòu)，從中心沿徑向分為纖芯、包層和涂覆層三部分。Core-cladding-coat環(huán)繞在纖芯外面，將光封閉在纖芯內(nèi)纖芯包層涂敷層位于光纖的中心，完成光信號的傳輸涂敷層由丙烯酸酯、硅橡膠和尼龍組成，其作用是增加光纖的機械強度和可彎曲性5光纖的結(jié)構(gòu)—纖芯與包層目前，絕大多數(shù)通信用光纖的纖芯和包層的主體材料都是石英玻璃（SiO2）。對纖芯和包層進行不同的摻雜，因而造成折射率的差異，使得纖芯的折射率略大于包層折射率。GeO2纖芯，SiO2包層；P2O5纖芯，SiO2包層；SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層；GeO2-B2O3-SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層。纖芯的折射率（n1）一般是1.4631.467包層的折射率（n2）在1.451.46左右6涂敷層光纖的最外層是由丙烯酸酯、硅樹脂和尼龍組成的涂敷層，其作用是增加光纖的機械強度與柔韌性，著色便于識別等。通常，雙涂敷層結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的，軟內(nèi)涂敷層能阻止光纖受外部壓力而產(chǎn)生的微變，而硬外涂敷層則能防止磨損以及提高機械強度。7光纖的尺寸內(nèi)徑（2a）：單模9μm（模場直徑-MFD）多模50、62.5μm……外徑（2b）：一般為125μm(一根頭發(fā)平均100μm)IECA2、A3、A4類多模光纖塑料光纖：98/1000μm125950125絕大多數(shù)光纖的涂敷層外徑控制在250m，但是也有一些光纖涂敷層直徑高達1mm。62.51258光纖的結(jié)構(gòu)（HAF光纖）2.5mmminimumbendingradius.Usercanhandlethiscordwithoutspecialknowledgeaboutopticalfiber.TelecomCarrier/Systembendercansavebothlaborcostanddeploy/maintenancecostafterdeployment.Thissmallestbendradiuscanmakerealizetominimizethesizeofopticaltransmissionequipments.FreeBendingOpticalCordisbasedonthenewestfibertechnologycalledasholeassistedfiber,holeyfiber,micro-structuredfiberandsoon.9孔助法（HAF）光纖10二.光纖的導光原理光纖的導光原理，可以用幾何光學中光的反射、折射理論來做簡單、定性的分析。嚴格、定量的分析由波動理論解釋。λ<<62.5/50μm(多模)λ<2~3μm（單模）以階躍多模光纖為例11

反射折射1.光的全反射當光線到達兩種不同介質(zhì)的分界面時，光的一部分反射回第一種介質(zhì)，其余部分則進入第二種介質(zhì)并發(fā)生折射。且滿足：

1、θ

in=θr，即反射角等于入射角。

2、n1sinθin=n2sinθz。Snell定律121.光的全反射全反射：光從折射率大的介質(zhì)（光密介質(zhì)）進入折射率小的介質(zhì)（光疏介質(zhì)），當入射角增大到一定的角度時，折射光就會全部消失，產(chǎn)生全反射，光線不再進入光疏介質(zhì)。入射角θc＝arcsin(n2/n1)，稱為臨界角。全反射的條件：1.光必須從折射率大的介質(zhì)射入折射率小的介質(zhì)；2.入射角必須大于臨界角。13光的全反射示意纖芯n1包層n214θ12θ0θ1n1n22.數(shù)值孔徑NA推導（以階躍光纖為例）n0sinθ0=n1sinθ1Sinθ1<sinθ0<n1NA=n1n1sinθ12=n2sinθ2臨界條件：n1sinθc=n2sin900sinθc=θc=arcsinθ12>θcn0θ2第1次折射第2次折射相對折射率差153.導光原理163.導光原理當入射角小于數(shù)值孔徑（NA）角的光線入射到光纖端面時，折射入纖芯的光線會周而復始地沿光纖軸向，在芯包層界面發(fā)生全反射，從而使光線從光纖的一端傳輸?shù)搅硪欢恕?/p>

多模階躍光纖中光線傳播路徑.swf174.數(shù)值孔徑NA討論

光纖的最大接收角的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑，表示光纖對光線的可接收范圍。即

其中，相對折射率差D=-=212221nnnNA18數(shù)值孔徑NA的討論標準多模光纖的NA標稱值一般為0.2，對應的孔徑角約為11.5o。標準單模光纖的NA標稱值一般為0.1~0.15，對應的孔徑角約為5.7o~8.6o。塑料光纖的數(shù)值孔徑(NA=0.5,θA可達60o)可以更大，以接受更多的光功率。19NA的選擇大的數(shù)值孔徑可以接受更多的光功率，與光源耦合容易；引入損耗；更大的模間色散，降低光纖的帶寬。以多模階躍光纖為例：Ln2n1接收角α20模式色散在多模光纖中，高次模的光程長，低次模的光程短。21三.光纖的分類按光纖剖面折射率分布不同分類按傳播模式分類按光纖的材料分類按套塑類型分類按工作波長分類22按光纖截面折射率分布-階躍光纖與漸變光纖23光在階躍和漸變光纖中的傳播n2θ1θrφn1n0an1n224按光纖的傳輸模式——單模光纖與多模光纖光纖的傳輸模式在光纖的受光角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯-包層交界面上產(chǎn)生全反射的傳播光線，就可稱之為光的一個傳輸模式。沿光纖軸傳播的叫作基模，相繼還有一次模、二次模等。25多模光纖光纖纖芯幾何尺寸遠大于光波波長——50或62.5μm，能傳輸多個模式的光纖。優(yōu)點：制造簡單、接續(xù)容易。缺點：存在模式（模間）色散，帶寬窄。應用：適應于較小容量的光纖通信。26多模光纖中光線傳播路徑多模階躍折射率光纖多模漸變折射率光纖27多模梯度光纖導光幾何光學解釋GradedIndexFiber?ChangingRIcontinuallyredirectstheraystowardsthefiberaxis?Thiscanbemodeledusingseriesofsmallstepssteps(changeinRI)28單模光纖單模光纖：光纖的纖芯直徑尺寸擴展到幾個波長8~10μm（8～12個波長），并且使纖芯包層折射率差很小，只允許傳輸一個基模的光纖。實現(xiàn)單模傳輸?shù)臈l件：歸一化頻率V<2.405。優(yōu)點：避免了模式色散，帶寬極寬。應用：適用于大容量的光纖通信。國際電聯(lián)ITU-T系列建議G.652-G.657。29按光纖的材料分類玻璃光纖（GOF）目前通信用的絕大多數(shù)為此類光纖膠套硅光纖（PCF）纖芯是玻璃，包層為塑料，特性同玻璃光纖差不多，成本較低；塑料光纖（POF）通信用新型光纖，尚在研制、試用階段。其損耗較石英光纖大（0.2~0.05dB/m）。纖芯直徑大，數(shù)值孔徑大，制造成本低，施工方便。新一代的50/125μm的多模塑料光纖與850nm的VCSEL配合使用，可以實現(xiàn)在850nm波長上進行10Gbit/s串行傳輸300m距離。適用于室內(nèi)短距離的場合，例如室內(nèi)計算機聯(lián)網(wǎng)、存儲網(wǎng)絡，船舶、汽車、飛機內(nèi)通信，入戶光纖。30塑料光纖(POF)

(a)MOST塑料光纖結(jié)構(gòu)示意圖（帶緩沖層和護套）（b）MOST塑料光纖放大圖

31按工作波長分——短波長光纖與長波長光纖光纖的3個通信窗口短波長光纖：在600～900nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)低損耗的光纖。屬早期產(chǎn)品，因其衰耗與色散都比較大，目前很少采用。長波長光纖：工作在1000～2000n