第2章光纤和光缆.

第二章光纤和光缆第二章光纤和光缆§2-1光纤的结构*光纤是横截面积很小的可挠透明长丝，它在长距离内具有束缚和传输光的作用。*光纤是由纤芯、包层、涂敷层构成，如图2.1。第二章光纤和光缆第二章光纤和光缆*纤芯是由高透明度的材料制成的。*包层的折射率略小于纤芯，从而造成一种光波导效应，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输。*涂敷层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性。*为加强机械强度，可进行二次被覆。1、紧包式：2、松套式：以减小外界应力及温度影响。*涂敷层外，往往加有塑料外套。第二章光纤和光缆4•光纤几何尺寸★芯径单模光纤：10um;多模光纤：50um/62.5um★包层直径普通光纤：125um★涂覆层直径普通光纤内层－170～200um外层－245um125um245um播放Flash:2-02第二章光纤和光缆§2-2光纤的种类虽然光纤的基本结构都一样，但按照纤芯截面折射率分布，纤芯中传输模式的多少，以及材料成分的不同等，光纤可分为很多种，下面介绍几种常用的光纤。一、按照折射率分布来分第二章光纤和光缆1、阶跃型光纤。如果纤芯折射率沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且、在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃折射率型光纤。又称均匀光纤（如图2.2b）。2、渐变型光纤如果纤芯折射率随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率是均匀的，称为渐变型光纤，又称非均匀光纤（如图2.2c）。第二章光纤和光缆二、按照传输模式的多少来分所谓模式，实质上是电磁场的一种场型结构分布形式，模式不同，其场型结构不同，根据光纤中传输模式数量可分为单模光纤和多模光纤（如图2.3）1、单模光纤光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4~10um，纤芯的折射率分布认为是均匀的，由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，光纤轨迹如图（a）所示。。第二章光纤和光缆2、多模光纤光纤中传输多种模式时，叫做多模光纤。多模光纤的纤芯直径较大，约50um，在一定的工作波长下，多模光纤能传输多种模式的介质波导。早期的多模光纤采用阶跃折射率分布，为了减小色散，需采用渐变折射率分布，光波传输轨迹如图（b）和（c）。由于模色散的存在，使多模光纤带宽变窄，但制造、耦合、连接比单模光纤容易。第二章光纤和光缆三、按光纤的材料来分1、石英系光纤这种光纤的纤芯是由高纯度的SiO2掺有适当的杂质(锗、磷、硼)制成的，如用GeO2·SiO2和P2O5·SiO2作芯子,用B2O3·SiO2作包层。目前这种光纤损耗最低，强度和可靠性最高，应用最广泛，但价格最高。2、多组分玻璃纤维用钠玻璃（SiO2、Na2O、CaO）掺有适当杂质制成。损耗低，尚存在一些可靠性问题。3、石英芯、塑料包层光纤纤芯用石英制成，包层是用硅树脂。4、全塑光纤这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。特点：低价、损耗大，不稳定。第二章光纤和光缆§2-3光纤的传播原理下面以石英系的阶跃型光纤和渐变型光纤为例，主要分析它们的导波模式及特性，并着重于几何光学的射线理论进行分析（也用波动理论给出一些必要的概念）。一、阶跃型光纤光射线的理论分析本节主要讨论阶跃光纤中的射线种类，子午线的数值孔径，以及影响光纤性能的主要参数量——相对折射指数差。由阶跃型光纤的剖面折射指数分布，图2.2b)可以看出：纤芯的折射指数沿半径r是不变的，包层中也是均匀的。第二章光纤和光缆1、相对折射指数差△光纤的纤芯和包层是采用相同的基础材料，然后各掺入不同的杂质，使得纤芯中的折射指数略高于包层中的折射指数，它们的差极小。和差的大小直接影响着光纤的性能，在光纤的分析中，常用相对折射指数“△”这个物理量来表示它们相差的程度。当和差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤。其2122212nnn121nnn1n2n1n2n第二章光纤和光缆2、阶跃光纤中的光射线种类按几何学射线理论，阶跃光纤中的光射线，主要有：子午射线和斜射线。（1）子午射线如图2.4所示，过纤芯的轴线OO’可作许多平面，这些平面称子午面，子午面上的光射线，在一个周期内和该中心轴相交两次，并以锯齿形波前进。这种射线称为子午线。可以看出，这种子午线是平面曲线，它在端面上的投影是一条直线。第二章光纤和光缆子午面第二章光纤和光缆（2）斜射线（偏射线）除子午线外，多模光纤中还存在斜射线(如图2.5)，这种斜射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的射线。从投影图可见。这种射线限制在一定范围内传输，这个范围称焦散面。故斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。第二章光纤和光缆n：相对折射率；在阶跃光纤中，无论子午线还是斜射线，都是根据全反射原理（），使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的（如图2.6）。［全反射定理］相对折射率：：临界角全反射条件：入射角θ21nnn121sinnnn121sinnncCC21nnn21nn12sinnn第二章光纤和光缆3、子午线的分析携带信息的光波，在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。因此分析纤芯中的子午线，实际上就是要讨论什么样的子午线才能在纤芯中形成导波。显然，必须是能在纤芯界面上产生全反射的子午线。光纤剖面上的子午射线如图2.7所示，一条光线射到光纤端面的中心，它和法线之间的夹角即是入射角Φ，光线从空气射向光纤端面时，遇到了两种不同介质的交界面，即发生折射。第二章光纤和光缆第二章光纤和光缆由于，光线是由光疏媒质射向光密媒质,折射线应靠近法线而折射，这时光线在纤芯内沿角度的方向前进。当光线射到纤芯与包层交界面时，入射角，只有当时，才可能发生全反射。称为临界角，n：相对折射率因此，即要求或根据折射定律：121sinnnc10nn211CC1211sinnn121sinnn11101210cos)90sin(sinsinnnnn第二章光纤和光缆则：为了在纤芯中产生全反射，必须大于，由图可见，若增大，必须减小，则外面激发的射入角Φ必须减小，上式即为：由于n0=1，则。。。。。。。。。。。。。*因此，只要满足*式，均可能在纤芯中形成导波。（即满足了全反射条件）1201101sin1cossinnnnn21201)(1sinnnnn1C122221sinnn第二章光纤和光缆第二章光纤和光缆4、数值孔径的概念由上面分析可知，并不是由光源射出的全部光线都能在纤芯中形成导波，只有满足*式条件的子午线才可以在纤芯中形成导波，这时就认为，这些子午线被光纤“捕捉”到了。表示光纤捕捉光射线能力的物理量，被定义为光纤的数值孔径，用表示。式中，Φmax：光纤纤芯所能捕捉的射线的最大射入角。只要射入角小于Φmax的射线均被光纤所捕捉。数值孔径越大，光纤捕捉射线的能力就越强，由于弱导波光纤的相对折射指数差△很小，因此其也不大。2sin12221maxnnnNAANANAN第二章光纤和光缆第二章光纤和光缆由渐变型光纤的剖面折射指数分布，图2.9可以看出：纤芯的折射指数沿半径r是变化的，随r的上升而下降，即是r的函数，而包层中是均匀的。下面，仍将研究渐变型光纤中的子午线，以及用射线分析。怎样在渐变光纤中，得到最佳折射指数分布。二、渐变型光纤光射线的理论分析第二章光纤和光缆1、渐变型光纤中的子午线渐变型光纤中的射线，也分子午线和斜射线两种。由于斜射线的情况比较复杂，我们讨论子午线。如前所叙，子午线是限制于光纤的子午面上，阶跃光纤中的子午线是过轴线的直线。而渐变型光纤，由于纤芯中的折射指数n1是随半径r变化的，因此，子午线不是直线而是曲线，它是靠折射原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传播（如图2.10）。第二章光纤和光缆由于芯子中的随r的增加而减小，因此在轴线处，最大，即=，而在芯子和包层的交界面处折射率指数=，设入射点处ro=0，入射角为Φ，此时的法线即为轴线。当进入纤芯后的射线，由于折射指数是→，因此光射线相当于是从光密媒质射向光疏媒（质）介，此时法垂直于轴线，则射线应离开法线而折射。当到达rm点后，射线几乎与轴线平行，而后射线又由光疏媒质射向光密媒质，射线又靠近法线而折射，这样形成了一条按周期变化的曲线，也就是不同入射条件的子午线，在芯子中将有不同轨迹的折射曲线。1n1n)0(nmaxn2n)(an1nmaxn2n第二章光纤和光缆2、子午线的进行轨迹由于渐变型光纤芯子中的折射指数随半径r变化。因此，可以将纤芯分成若干个折射指数不同的介质。如图2.11：各层的折射指数为、、n3、．．．．．．，而且n3．．．．．．1n2n1n2n第二章光纤和光缆一射线在光纤端面的ro点射入，射线的轴向角为θzo，入射点的折射指数为no，当射线射到层介质时，入射角θ1=90°-θzo，随着n(r)的减小，轴向角θzo逐渐减小，而相应的向各层介质入射光的入射角将逐渐增大，当射线达到rm点时，θzo→0°，这时θ→90°在这一点，射线和轴线几乎平行，可以看出，射线轨迹与芯子中折射率分布n(r)有关，也和射线的入射条件（no、ro、θzo）有关。第二章光纤和光缆3、渐变型光纤的最佳折射指数分布(03#)在渐变型光纤中，由于芯子和折射指数分布不均匀，因此光射线的轨迹将不再是直线而是曲线，当射线的起始条件不同时，将有不同的轨迹存在。如果选用合适的n(r)分布，就有可能使芯子中的不同射线，以同样的轴向速度前进，从而可减小光纤中的模式色散。关于模色散问题，后面专门讨论，这里给出一般描述。第二章光纤和光缆光功率以脉冲形式注入光纤后，将分布在光纤内所有模式之中，而不同模式沿着不同轨迹传输。每个模式的轴向传输速度不同，于是它们在相同的光纤长度上，到达某一点所需的时间不同，从而使得沿光纤行进的脉冲，在时间上展宽，这种色散称为模式色散。而渐变型光纤，正是利用了n随r变化的特点，消除了模式色散，这种可以消除模式色散的n(r)分布，称为最佳折射指数分布。(播放2-06Flash)（02）第二章光纤和光缆4、渐变型光纤的本地数值孔径在阶跃型光纤芯子中，由于n1不变，所以芯子中各点的数值孔径都相同。而在渐变型光纤芯子中，由于n1随r变化，因此其数值孔径是芯子端面上位置的函数，所以把射入纤芯某点r处的光线的数值孔径，称为该点的本地数值孔径。记作：只有当入射光线的端面入射角ΦΦmax的射线，才可能成为导波，Φm：光纤纤芯所能捕捉的射线的最大射入角。r：光纤芯子中任一点到轴线之间的距离。n（r）：为该点的折射指数。可见，本地数值孔径与n（r）有关，n（r）→大，表示光纤捕捉射线能力越强。轴线处，n（r）最大，表示捕捉能力最强。)a(n)r(n2)r(n)r(NA22第二章光纤和光缆§2-4光纤的衰减特性•影响光纤最大传输距离的主要因素是损耗和色散。•传输损耗是光纤通信中一个非常重要的指标，低损耗是实现远距离通信的前题。•形成光纤损耗的原因很复杂，归结起来主要包括两大类：吸收损耗和散射损耗。一、吸收损耗吸收作用是光波通过光纤材料时，有一部分光变成热能，从而造成光功率的损失。造成吸收损耗的原因很多，但都与光纤材料有关，我们主要介绍本征吸收和杂质吸收。第二章光纤和光缆1、本征吸收它是光纤基本材料（如纯SiO2）固有的吸收并不是由杂质或制造工艺缺陷所引起的。因此，本征吸收基本确定了任何特定材料的吸收的下限。吸收损耗的大小与波长有关，对石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。紫外区的波长范围：6×10-3um~0.39um，它吸收的峰值在0.16um附近，是在现用的光纤通信频带之外，但此吸收带的尾部可拖到1um，会影响0.7~1um的波段范围。随着波长增加而指数下降。对于掺锗的单模光纤，紫外吸收带影响小于1dB/km。红外区的波长范围:0.76~300um，对的吸收峰值为9.1um、12.5um和21um吸收带的尾部可延伸到1.5~1.7um，已影响到目前使用的石英系光纤工作波长的上限，这也是光波