光纤通信第2章光纤与光缆

第二章光纤与光缆123:18:15内容2.1光纤的结构与类型(1)光纤的结构(2)光纤的类型2.2光纤的射线理论分析(1)基本光学定义和定律(2)光纤中光的传播(3)光纤中的模式传输(4)多模光纤与单模光纤2.3均匀光纤的波动理论分析(1)平面波在理想介质中的传播(2)阶跃光纤的波动理论2.4光缆(1)光缆的典型结构(2)光缆的种类与型号2.5小结223:18:152.1光纤的结构与类型323:18:152.1光纤的结构与类型2.1.1光纤的结构光纤是用来导光的透明介质纤维。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。4纤芯和包层一起造成一种光波导效应，使大部分的光信号被束缚在纤芯中传输23:18:15涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，可增加光纤的柔韧性，可被染成各种颜色，涂覆层又分为一次涂覆层和二次涂覆层2.1光纤的结构与类型5光纤实物23:18:152.1光纤的结构与类型623:18:15预制棒预制棒加热炉参数测量加涂覆层2.1光纤的结构与类型光纤的类型按光纤截面上折射率分布按传输模式的数量按光纤的工作波长按ITU-T建议分类阶跃型光纤渐变型光纤多模光纤单模光纤短波长长波长超长波长G.651(渐变型多模)G.652(常规单模)G.653(色散位移)G.654(截止波长)G.655(非零色散位移)按套塑及材料分类72.1.2光纤的类型23:18:152.1光纤的结构与类型（1）按光纤截面上折射率分布分类分为阶跃型光纤(Step-IndexFiber)和渐变型光纤(Graded-IndexFiber)阶跃型光纤的折射率表达式为：渐变型光纤的折射率表达式为：812()nranrnra1/212()mcnraranrnra23:18:15𝛥相对折射率差𝛼光纤的折射率分布系数2.1光纤的结构与类型（2）按传输模式(传导模)的数量分类分为：单模光纤(SingleModeFiber)多模光纤(Multi-ModeFiber)在一定的工作波长上，有多个模式在光纤中传输时，这种光纤为多模光纤。923:18:152.1光纤的结构与类型光纤类型纤芯直径(微米)包层直径(微米)相对折射率差(%)传输带宽(Mhz·km)接续和成本阶跃型多模光纤501251~3较大(200)接续较易成本费最小渐变型多模光纤501251~3大(200~3000)接续较易成本费最大阶跃型单模光纤101250.1~0.5很大(3000)接续较难成本费较小10目前通信上使用的是石英光纤实用的三种石英光纤的主要特点如下表所示。23:18:152.1光纤的结构与类型（3）按光纤的工作波长分类分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。1123:18:15光纤种类工作波长(μm)应用短波长光纤0.7-0.9短距离、小容量长波长光纤1.1-1.6长距离、大容量超长波长光纤2非石英光纤、损耗低、发展方向2.1光纤的结构与类型（4）按ITU-T建议分类1223:18:15ITU-T建议名称特点G.651渐变型多模光纤较大芯径和数值孔径，利于与光源耦合；传输带宽小G.652常规单模光纤1.31μm处零色散，1.55μm衰减小，可工作在2个窗口G.653色散位移单模光纤1.55μm处零色散，且衰减最低G.654截止波长位移单模光纤1.55μm波长工作窗口具有极小的衰减G.655非零色散位移单模光纤长途链路应用。1530-1565nm波长范围内色散大于0G.656宽带光传送用的非零色散光纤扩展WDM用的低色散光纤G.657接入网用的弯曲损耗不敏感单模光纤宽带接入网应用的单模光纤2.1光纤的结构与类型（5）按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。光纤能在套管中活动的叫松套光纤，否则叫紧套光纤。（6）按照制造材料的不同，可将光纤分为石英光纤、塑料光纤和氧化物光纤等。1323:18:152.2光纤的射线理论分析1423:18:152.2光纤的射线理论分析目的含义1523:18:15用于解决光源与光纤的耦合，以及一根光纤与另一根光纤之间的耦合。如果认为光波能量集中在一条极细的通道中传播，则可以对大量的光现象(尤其是那些与透镜有关的现象)做出令人信服的解释。这种极细的传播通道称为射线或者光线。由于射线用于描述光的几何效应，所以光的射线理论又称为几何光学。2.2光纤的射线理论分析适用范围1623:18:15适用于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤。不适用于单模光纤的传输原理分析，对于复杂的问题，射线光学只能给出较粗糙的概念。2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本光学定义和定律17光的射线理论的简单规则：23:18:15射线在媒质中的传播速度𝑣=𝑐𝑛𝑐=3×108m/s(真空中)𝑛为媒质的折射率空气𝑛=1水𝑛=1.33硅玻璃𝑛=1.52.2光纤的射线理论分析2.2.1基本光学定义和定律18光的射线理论的简单规则：23:18:15射线在均匀媒质中沿直线路径传播除非媒质的折射率发生变化，射线才会偏斜反射定律：反射角等于入射角𝜃𝑟=𝜃𝑖折射定律(斯涅耳定律)：𝑛1sin𝜃1=𝑛2sin𝜃22.2光纤的射线理论分析2.2.1基本光学定义和定律19光纤导光原理：23:18:15全反射：使折射角=90°的入射角，称为临界角𝜃𝑐=arcsin𝑛2𝑛1当𝜃1𝜃𝑐，则发生全反射全反射2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本光学定义和定律20高斯-汉欣相移现象：当发生全反射时，反射波与入射波的幅度相同，但在反射点要产生一个相位超前相移𝜹。电场矢量与入射面垂直，即入射波为垂直极化波，则𝛿=2arctgsin2𝜃1−sin2𝜃𝑐cos𝜃1电场矢量与入射面平行，即入射波为平行极化波，则𝛿=2arctg𝑛1𝑛22sin2𝜃1−sin2𝜃𝑐cos𝜃123:18:152.2光纤的射线理论分析2.2.2光纤中光的传播（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播21子午射线：光线从入射端面耦合进光纤中，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。子午面：包含光纤轴线的固定平面23:18:152.2光纤的射线理论分析2.2.2光纤中光的传播（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播22yzPr123xyz123456法线入射斜射入射光线沿光纤传输的路经1,32123456光线路经在垂直光纤轴平面内的投影(a)子午光线总是与光纤轴相交(b)斜射光线不与光纤轴相交,而是围绕光纤轴曲折前进(螺旋光线)23:18:152.2光纤的射线理论分析2.2.2光纤中光的传播（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播2323:18:152.2光纤的射线理论分析数值孔径数值孔径表示光纤的集光能力即凡是入射到圆锥角𝝓𝟎以内的所有光线都可以满足全反射条件，即在纤芯和包层界面上发生全反射从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。𝑛0sin𝜙0=1∙sin𝜙0=𝑛1sin𝛼0=𝑛1sin(90°−𝜃𝑐)sin𝜙0=𝑛12−𝑛22=𝑛12𝛥阶跃光纤的数值孔径阶跃光纤的相对折射率：𝛥=𝑛12−𝑛222𝑛12242.2光纤的射线理论分析2.2.2光纤中光的传播（2）子午射线在渐变型光纤中的传播2523:18:152.2光纤的射线理论分析2623:18:152.2光纤的射线理论分析2723:18:15渐变光纤的数值孔径𝑁𝐴=sin𝜙0=𝑛(0)2−𝑛𝑐2=𝑛(0)2Δ渐变光纤的相对折射率𝛥=𝑛(0)2−𝑛𝑐22𝑛(0)22.2光纤的射线理论分析透镜聚光物体的位置、成像的位置和透镜焦距之间的关系由薄透镜方程给出：放大倍数M定义为像的尺寸和物体尺寸的比值，由下式给出：像点和源点的光束张角之比为：28nD光纤fP(焦点)焦距折射率oix光纤idoo=光源的光束张角dii=像点的光束张角点源0111iddfoiddMMoi123:18:162.2光纤的射线理论分析数值孔径的扩展(扩展到各种接收机具有更一般的物理意义)2923:18:162.2光纤的射线理论分析2.2.3光纤中的模式传输3023:18:16多模光纤单模光纤模模式传导模2.2光纤的射线理论分析2.2.3光纤中的模式传输传导模的概念波动理论中,一种电磁场的分布称之为一个模式。射线理论中,通常认为一个传播方向的光线对应一种模式,有时也称之为射线模式。光源在光纤中激励出所有模式中的一部分模式能由光纤的一端传到另一端，这种能在光纤中长距离传播的模式称之为传导模(简称导模)。3123:18:162.2光纤的射线理论分析2.2.3光纤中的模式传输实际根据波动理论，光纤中不存在无数个连续变化的导模，而只存在有限个、离散的传导模。光纤中的传导模必须满足3223:18:16在光纤中全反射传播相位一致条件2.2光纤的射线理论分析33相位一致条件波数（传播常数）k：𝑘=2𝜋𝜆物理意义：光传播单位距离时相位的变化。自由空间中波数通常表示为𝑘0。在折射率为𝑛1的介质中，波数为𝑘1=𝑘0𝑛1。23:18:162.2光纤的射线理论分析34相位一致条件光波以波阵面（等相面，即面上各点相位相同）向前传播，与光波传播方向垂直。如下图所示，相位一致条件表示为：若𝛷𝐴=𝛷𝐵，则𝛷𝐴′−𝛷𝐵′=2𝑁𝜋，𝑁=(0,1,2…)即：(𝑘0𝑛1𝐴𝐴′−2𝛿)−𝑘0𝑛1𝐵𝐵′=2𝑁𝜋，𝑁=(0,1,2…)根据平面几何知识，上式化为：2𝑘0𝑛1𝑎cos𝜃−𝛿=𝑁𝜋，𝑁=(0,1,2…)23:18:162.2光纤的射线理论分析相位一致条件的另一种解释方法：另外一种解释下图所示，模式存在必须在横截面上形成驻波，因此模式必须满足公式：4𝑘0𝑛1𝑎cos𝜃−2𝛿=2𝑁𝜋，𝑁=(0,1,2…)3523:18:162.2光纤的射线理论分析36不同的N值对应不同的模式，因此光纤中的传导模数量是有限的，离散的。N=0，对应的模式为基模N=1，一阶模N=2，二阶模……已知光纤及𝜆⟹𝑛1，𝑛2，2𝑎，𝑘0⟹最大的𝑁值23:18:162.2光纤的射线理论分析37阶跃型多模光纤中各模式的光线轨迹23:18:16模式阶数高θ小反射的次数越多传播的路径越长导模到达终点时间长高阶模和低阶模之间出现较大的时延差不利于高码速脉冲的传输2.2光纤的射线理论分析38渐变型多模光纤中各模式的光线轨迹23:18:16低阶模靠近光纤轴线传播速度慢传播路程短高阶模远离光纤轴线传播速度快传播路程长高低次模间的时延差得到补偿可实现高速信号传输2.2光纤的射线理论分析2.2.4多模光纤与单模光纤3923:18:16传输的模式数⟹多模光纤单模光纤？光纤是否单模传输自身结构参数:𝑛1，𝑛2，2𝑎等工作波长2.2光纤的射线理论分析2.2.4多模光纤与单模光纤光纤的归一化频率光纤的归一化频率：是表示光纤的重要参数，与光纤参数及光源的工作波长有关，表达式为：𝑽=𝒌𝟎𝒏𝒎𝒂𝟐∆=𝟐𝝅𝝀𝟎𝒏𝒎𝒂𝟐∆=𝝎𝒄𝒏𝒎𝒂𝟐∆4023:18:16𝒌𝟎=𝟐𝝅/𝝀𝟎是光在真空中的传播常数𝝀𝟎是真空中的光波长𝝎是光波的角频率𝒂是光纤纤芯半径𝒏𝒎是光纤纤芯中最大折射率∆则是光纤的相对折射率差V值传导模数量是否单模传输2.2光纤的射线理论分析（1）多模光纤允许多个模式在其中传输的光纤，或者说多模光纤中允许存在多个分离的传导模。芯径50𝛍𝐦，𝜟为1%，n(0)=1.46，若工作波长为1.31𝛍𝐦，则𝑉=2𝜋𝜆0𝑛0𝑎2Δ=2𝜋1.31×1.46×25×2×0.01=25若波长为0.85𝛍𝐦，则𝑉=2𝜋𝜆0𝑛0𝑎2Δ=2𝜋0.85×1.46×25×2×0.01=38波长不同，归一化频率也不同4123:18:162.2光纤的射线理论分