光纤通信课件第二章.

光纤通信1第2章光纤和光缆光纤通信2本章内容、重点和难点本章内容光纤的结构和类型。光纤的导光原理。光纤的特性。光缆的结构和种类。本章重点光纤的结构和类型。光纤的特性。光缆的种类。本章的难点光纤的导光原理。第2章光纤和光缆光纤通信3学习本章目的和要求掌握光纤的结构和类型。了解光纤的导光原理。掌握光纤的特性。掌握光缆的结构和种类。第2章光纤和光缆光纤通信4预备知识1、均匀平面波在两理想介质交界面的反射和折射介质n2光疏介质n1光密n法线方向折射率n1n2θ1θ3θ2（1）反射定律θ1=θ3入射角等于反射角（2）折射定律2211sinsinnn（3）全反射902当时c1如果再增大入射角，便只有反射光线，没有折射光线，称为全反射现象。光纤通信52、dB与dBm的定义（1）dB（分贝）——描述功率的相对值在设计和铺设光纤线路时，为了把信号功率与某个功率绝对值或某个噪声进行比较，定义了dB。dBPP12lg10功率功率比值10N10210.50.110-NdB10N1030-3-10-10N光纤通信6（2）dBm——描述功率的绝对值光纤通信中描述功率绝对值的最常用单位是dBm,以1mv为基准，定义为：dBmmvP1lg10功率功率(mv)10010210.50.10.01dBm201030-3-10-20光纤通信72.1光纤的结构和类型2.1.1光纤的结构1.光纤结构光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。图2-1光纤的结构光纤通信82.1光纤的结构和类型（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。（2）包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。光纤通信92.1光纤的结构和类型（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。光纤通信102.1光纤的结构和类型紧套光纤与松套光纤紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。图2-2套塑光纤结构光纤通信112.1光纤的结构和类型2．光纤的折射率分布与光线的传播图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图2-3（a）、（b）所示。图2-3光纤的折射率分布光纤通信122.1光纤的结构和类型光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2-5和图2-6所示。图2-5光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-6光在渐变折射率多模光纤中的传播光纤通信132.1.2光纤的分类1.按传输波长分类可分为短波长光纤和长波长光纤短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm）长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm两个窗口。2.按折射率分布分类可以分为：阶跃型多模光纤（SIF）渐变型多模光纤（GIF）单模光纤（SMF）光纤通信142.1.2光纤的分类横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot输入脉冲光线传播路径输出脉冲横截面折射率分布输入脉冲光线传播路径输出脉冲50mm125mmrnAitAot横截面折射率分布输入脉冲光线传播路径输出脉冲～10mm125mmrnAitAot光纤通信152.1.2光纤的分类3．按套塑结构分类按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。二次被覆光纤(芯线)(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线紧套一次被覆光纤松套大套管一次被覆光纤带状线(a)(b)(c)(d)光纤通信162.1.2光纤的分类4．按传输模数分类按传输模的数量不同，光纤分为多模光纤和单模光纤。传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式。图2-4光在阶跃折射率光纤中的传播光纤通信172.1.2光纤的分类（1）多模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。（2）单模光纤当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。如图2-7所示。光纤通信182.1.2光纤的分类图2-7光在单模光纤中的传播轨迹光纤通信192.1.2光纤的分类5．按光纤的材料分类（1）石英玻璃光纤二氧化硅（2）多组分玻璃光纤二氧化硅、氧化钠、氧化钙等（3）石英芯塑料包层光纤工作温度范围-50度~+70度（4）塑料光纤光纤通信202.1.2光纤的分类6．单模光纤的分类ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。（1）G.652光纤G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1310nm附近的光纤。它的折射率分布如图2-8所示。图（a）表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图（b）表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。（2）G.653光纤G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。光纤通信212.1.2光纤的分类图2-8G.652光纤的折射率光纤通信222.1.2光纤的分类（3）G.654光纤G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。（4）G.655光纤由于G.653光纤的色散零点在1550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。光纤通信232.1.2光纤的分类这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色散（PMD）和模场直径。另：G.653光纤是为了优化1550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1310nm窗口的传输。由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1310nm窗口。光纤通信242.1.2光纤的分类（5）G.656光纤是一种宽带光传输非零色散位移光纤（6）大面积有效光纤（7）色散补偿光纤（8）全波光纤新型光纤：塑料光纤（POF）光子晶体光纤（PFC）光纤通信25光子晶体的基本性质k0wwk1从1D均匀介质开始：色散关系——1光纤通信26光子晶体的基本性质(x)=(x+a)a121212121212w0π/a加一小的周期调制21+Dsinaxcosaxx=0bandgap能级分裂了！光纤通信27光子晶体的基本性质光子晶体存在光子能带结构，即不是所有频率的光都能通过光子晶体。光纤通信28光子晶体的应用——波导forbiddenbygap(exceptforfinite-crystaltunneling)forbiddenbyBloch(kconserved)光纤通信29光纤通信30光纤通信31光纤通信322.2光纤的导光原理1．折射和折射率光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：n=c/v其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。表2-1不同介质的折射率材料空气水玻璃石英钻石折射率1.0031.331.52～1.891.432.42光纤通信332.2光纤的导光原理当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。图2-9光的折射图2-10光的反射斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1=3n1sin1=n2sin2全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。光纤通信342.2光纤的导光原理2．光的偏振光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振光，如图2-11（c）和图2-11（d）所示。从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如图2-11（a）所示。自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如图2-11（b）所示。光纤通信352.2光纤的导光原理图2-11光的偏振光纤通信363.阶跃型多模光纤光射线的理论分析(全反射导光)(1)相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2）定义：2122212nnnD2121212))((nnnnn+所以有：121/)(nnnD弱导波光纤中n1和n2相差很少，则n1+n22n12.2光纤的导光原理光纤通信37（2）数值孔径为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。2.2光纤的导光原理光纤通信38oz图2.4突变型多模光纤的光线传播原理纤芯n1包层n233ylLx11y122ycC2.2光纤的导光原理光纤通信39定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或θc=12.2°。NA表示光纤接收和传输光的能力。1）NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。2）NA越大经光纤传输后产生的信号畸变越大D2sin12221nnnNAC2.2光纤的导光原理光纤通信40（3）时间延迟现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图2.4，入射角为θ的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条件下，其传播时间即时间延迟为)21(sec211111+cLncLncln式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为DDcLnNAcnLcnLc12121)(222.2光纤的导光原理光纤通信414渐变型多模光纤光射线的理论分析(自聚焦导光）式中，n1和n2分别为纤芯中心和包层的折射率，r和a分别为径向坐标和纤芯半径，Δ=(n1-n2)/n1为相对折射率差，g为折射率分布指数。在g→∞，(r/a)→0的极限条件下，上式表示突变型多模光纤的折射率分布。g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小。])(1[])(21[1211ggarnarnDDn1［1-