光纤通信第02章

2.1光纤的结构与类型2.2光纤传输原理2.3光纤的特性参数2.4光缆第二章光纤和光缆2.1光纤的结构与类型2.1.1光纤的结构光纤(OpticalFiber)，即光导纤维，是用来导光的透明介质纤维。一根实用化的光纤一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，如图2.1所示。图2.1光纤结构示意图2.1.2光纤的类型光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。1.按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-IndexFiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-IndexFiber，GIF)，其折射率分布如图2.2所示。2.按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF)和单模光纤(SingleModeFiber，SMF)。图2.2光纤的折射率分布图2.3光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2.4光在渐变折射率多模光纤中的传播在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。几种典型的特种单模光纤如图2.5所示2a2an1n2n3(a)(b)(b)′图2.5(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯3.按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤(850nm)、长波长光纤(1310nm)和超长波长光纤(1550nm)。4.按ITU-T建议分类按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散位移光纤)光纤。5.按制造材料分石英光纤、塑料光纤、多成分玻璃光纤等。2.1.3光纤的制造工艺光纤是由圆柱形预制棒拉制而成的，因而光纤的生产工艺包括预制棒的制造和拉丝工艺。化学汽相沉积法（MCVD)是目前使用最广泛的预制棒生产工艺。2.2光纤传输原理2.2.1基本光学定义和定律光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为v=c/n式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右)。反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：θ′=θ。折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sinθ1=n2sinθ22.2.2光纤中光的传播一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。1.子午射线在阶跃型光纤中的传播阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1n2，如图2.6所示。图2.6光线在阶跃型光纤中的传播2.子午射线在渐变型光纤中的传播渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。3.斜射线在光纤中的传播也满足光传播的三大定律，只不过不能用二维的平面图直观的表示出来。2.2.3光纤传输的波动理论所谓光纤传输的波动理论就是研究光在光纤中传播时的电磁场分布情况。光与无线电波或X射线一样都是电磁波，同样满足电磁波方程即麦克斯韦方程。当电磁波在没有电流和电荷的线性均匀介质上传播时，麦克斯韦方程可以简化为波动方程，用公式表述为：电场E和磁场H都有三个分量，它们的解都具有下列形式（以Ez为例）：ztiAetzE),(其中A是场的幅度，ω是角频率，β为传播常数。所谓光在光纤中的传输模式就是波动方程的一个个稳态解。只要求解出麦克斯韦方程的稳态解就可以知道光在光纤中传输时的电磁场分布，也就得到了光线的传输模。光纤的主要特性参数包括：数值孔径、归一化频率、截止波长、模场直径、色散特性、损耗特性及传输带宽。2.3光纤的特性参数一、数值孔径（1）阶跃型光纤的数值孔径其中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差212221nnnNA（2）渐变型光纤的数值孔径(本地数值孔径）222)()(nrnrNA二、归一化频率归一化频率又称归一化波导宽度，它决定光纤中传输模式的数量。归一化频率定义为：在阶跃型光纤中，传输模式的数量为：在渐变型光纤中，传输模式的数量为22112222anavnn22VM24VM三、截止波长在光纤中传播的各个模式都有其自身的归一化截止频率Vc，当光纤的实际归一化频率大于某一模式的截止频率时，该模式可以在光纤中导行，否则该模式截止。对应于截止频率的波长就叫做截止波长。当光纤的归一化频率满足时，光纤中只能传播一种模式，即光纤的单模传输。2.405cVV即保证光纤单模传输的条件是：或02.405V1222.405can四、模场直径模场直径就是单模光纤中基模光斑的大小。一般用下式估计：22dNA模场直径一般越小越好，有利于增加光纤的抗弯性能，但减小模场直径必然要增加相对折射率差,从而会导致光纤色散的增加。五、光纤的色散特性光纤的色散是指由于光纤中传输的信号是由不同成分的光携带的，它们在传输过程中速度不同，从而产生时间延迟引起波形失真的一种物理现象。光纤的色散通常用时延差来表示，色散越严重，时延差就越大。其单位一般为ns/km,ps/km。光纤的色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。（1）模式色散：指在光纤中由于各模式的轴向速度不同，使得到达终点的时间不同而引起的脉冲展宽。阶跃型光纤的模式色散设光纤长度为L，纤芯折射率为n1，空气中的光速为c，则纤芯中的光速为最低次模沿光纤轴线前进，所走长度为L，其传输所用的时间最短，为最高次模走的路径最长，为L/sin，（为产生全反射的临界角）其传输所用的时间最长，为1ncvcLnvLt11cccLnvLtsinsin12θc光线1光线2图2.7阶跃型多模光纤中最高模和最低模的传输示意图最高次模和最低次模之间的传输时间差为：)1sin1(112cncLntt由于12sinnnc21122112112)1(cnNALcLnnnncLnnncLnn所以最高次模和最低次模的单位长度时延差称为最大时延差，即模式色散Δ为最大值211max2cnNAcnn由此可见，光纤的模式色散时延差与相对折射率差成正比，相对折射率差越大时延差越大，故希望相对折射率差越小越好。渐变型光纤的模式色散渐变型光纤的子午线轨迹近似为正弦波，由于折射率的分布使得各光线到达终点的时间几乎相同，因此渐变型光纤的模式色散很小几乎为零。渐变型光纤模式色散的计算公式为：G,)0(2cn,22)0(cggn2g2g（2）材料色散材料色散是指由于构成光纤的材料的折射率随传输光波的频率而变化，导致模内不同频率信号的传输速度不同而引起的色散。材料色散的计算公式为：Lmm（3）波导色散波导色散是由光纤的几何结构所引起的色散。其产生原因是由于光纤的包层和纤芯折射率相差很小，光线在其交界面上产生全反射时，有可能有一部分光进入包层中传输。在传输一定距离后，这部分光又有可能回到纤芯进行传输，这样传输将导致模内各信号的速度不同，从而引起色散。一般来说，入射光的波长越长，进入包层的光强比例就越大，波导色散就越大。波导色散和材料色散都和入射光的波长有关，故又统称为波长色散。（5）三种色散的比较模式色散材料色散波导色散对于阶跃型光纤,模式色散占主要地位,其次是材料色散和波导色散。对于渐变型光纤，模式色散和波导色散可以忽略，主要考虑材料色散。对于理想单模光纤，无模式色散，只有材料色散和波导色散。光纤总色散等于一般可用公式222wmn计算从多模阶跃型光纤到多模渐变型光纤到单模光纤，色散依次减小。六、光纤的损耗特性光纤的损耗系数定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数)/(log10oikmdBppL光纤的损耗大致可分为光纤本身具有的固有损耗和由使用条件造成的附加损耗两部分。固有损耗包括吸收损耗和散射损耗；附加损耗包括耦合损耗、弯曲损耗和接续损耗等。1.吸收损耗吸收损耗是指由于组成光纤的材料及其中的杂质对光波的吸收，使一部分光能转变为散失的热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原子缺陷吸收损耗。2.散射损耗散射损耗是指由远小于波长的不均匀（如折射率的不均匀性、掺杂离子浓度不均匀等）引起光的散射而造成的损耗。散射损耗包括瑞利散射损耗和结构不完善散射损耗。3.附加损耗（1）弯曲损耗（2）接续损耗（3）耦合损耗4.实用光纤的损耗光纤的总损耗α与波长的关系可以用下式表示：)()()(4UVIRCWBA其中：A为瑞利散射损耗系数，B为结构缺陷散射损耗系数，CW(λ),IR(λ),UV(λ)分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。从多模阶跃光纤到多模渐变型光纤到单模光纤，损耗依次减小。七、传输带宽光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰减，如图2.8所示。图2.8光纤的带宽(f为调制信号频率)带宽是光纤的重要参数，它与色散有着直接的关系：)(4413MHzfdB其中：为光脉冲的3dB带宽，Δτ单位为ns/km.通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的带宽(B)。由于它是光功率下降3dB对应的频率，故也称为3dB光带宽。光纤的总带宽可由经验公式：)(4413MHzLLffrrdB给出。其中：L为光纤长度，单位为km，r为带宽距离指数，对于多模光纤取值在0.5-0.9之间，一般取0.7，对于单模光纤取1。2.4光缆2.4.1光缆的典型结构1.光缆的构造光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分。缆芯缆芯通常包括芯线和加强件两部分。在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应使光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的外力时，光纤不应承受外力影响；多芯光缆还要对光纤进行着色以便于识别；为防止气体和水分子浸入，缆芯中应具有各种防潮层并填充油膏；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。护层光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。2.光缆的典型结构光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、中心束管式和带状式四种，如图2.21所示。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。图2.21光缆的典型结构示意图2.4.2光缆的种类与型号1.光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆；根据光纤套塑的种类，光缆可以分为根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；