光纤和光缆

通信与信息工程学院1第2章光纤和光缆2通信与信息工程学院光纤的基本概念1光纤传输原理2光纤传输特性3本章内容2020/1/29光缆43通信与信息工程学院2020/1/29预备知识4通信与信息工程学院光波用频率(波长)、相位和传播速度来描述；频率：每秒传播的波数；波长：介质／真空中传输一个波的距离；频率单位：Hz,MHz,GHz,THz波长单位：微米纳米频率＝光速／波长5通信与信息工程学院1、当一束光线按照一定的角度射向一块平面镜时，它就会从镜面“反弹”出去，这种“反弹”现象就叫做光的反射，这种反射叫做菲涅尔反射。反射与折射2、当光以一定的角度从某种介质进入另一种介质时，它的传播方向也会改变，在两种介质的分界面上并不沿直线传播,而是发生了偏折,光的这种偏折现象叫做折射。光的反射服从反射定理:1=2，即反射角等于入射角21216通信与信息工程学院光的折射服从折射定律：，即光线从折射率为n1的介质以入射角1射到两个介质的分界面，并以2进入折射率为n2的介质中时满足上述关系。3、折射率光在均匀介质中沿直线传播，其传播速率为：V=c/n式中：c=2.997×108≈3.0×108m/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率，V是光在该种介质中的速度。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。折射率可由下式确定：n=c/V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为光在真空中波长)。4、光在介质中的速度由这种介质的折射率决定。不同的介质有不同的折射率，光在折射率小的介质中跑的快，在折射率大的介质中跑的慢。2211sinnsinn7通信与信息工程学院4、全反射定理：光从光密媒质（n1）进入到光疏媒质（n2），当入射角增大到一定的角度时，折射光就会全部消失。即in=arcsin（n2/n1）。其中c＝arcsin（n2/n1），称为临界角，即在第二种介质的折射角为90度时的入射角。要产生全反射，必须有两个条件：第一，光必须从折射率大的介质射入折射率小的介质；其次，入射角必须大于临界角。二者缺一不可。光从折射率低的介质向折射率高的介质入射时，是绝对不会产生全反射的。8通信与信息工程学院5、光也是电磁波，是一种波长更短的电磁波。6、常用的单位1000pm（picometer）=1nm（nanometer）1000um=1mm（milimeter）1000nm=1um1000mm=1m（meter）9通信与信息工程学院7、dBm=10log2（P/1mW）0dBm=1mW3dBm=2mW5dBm=3mW10dBm=10mW20dBm=100mW-3dBm=0.5mW-10dBm=100uW-30dBm=1uW-60dBm=1nW10通信与信息工程学院2.1光纤的基本概念2.1.1光纤的结构1.光纤结构光纤(OpticalFiber，OF)是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成，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。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。图2.1光纤结构示意图2a纤芯包层涂覆层n1n24~50m125m250m11通信与信息工程学院纤芯和包层的相对折射率差Δ=(n12-n22)/2n12≈（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%~0.6%，多模光纤为1%~2%。Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。纤芯：极高纯度的SiO2，其中掺入极少量的磷或锗掺杂剂，以提高纤芯的折射率ncore。纤芯的折射率一般是1.463~1.467.单模光纤的纤芯直径d1为8~10m，多模光纤的纤芯直径d1=50m左右。包层：直径d2=125m，含有极少量掺杂剂的SiO2，掺杂剂为氟或硼，以降低包层的折射率nskin，使之略小于纤芯的折射率ncore，把光信号封闭在纤芯中传输。包层的折射率一般是1.45~1.46左右。涂敷层：其作用是保护光纤不受水气的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的机械强度和柔韧性。涂覆后的光纤外径约250m，通常所说的光纤为此种光纤。塑料外套：加在涂敷层外，起保护作用，外径约1.5mm。可分紧套光纤和松套光纤。12通信与信息工程学院2.1.2光纤的分类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等。•材料•传输模式•波长•按截面上折射率分布•用途•按ITU-T建议13通信与信息工程学院1、按材料分类石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤等。特点：制造成本低廉、芯径较大、耦合效率高、损耗较大、带宽较小只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。14通信与信息工程学院2、按传输模式的数量分类传播模式：光在光纤中传播时，若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，这些不同的光束称为模式。实质描述的是电磁场的场型结构分布。多模光纤（Multi-ModeFiber，MMF）单模光纤（SingleModeFiber，SMF）15通信与信息工程学院多模光纤（MMF）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。纤芯较粗(50μm左右)；模间色散：由于不同模式的传播时间不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重，因此只适合短距离传输。16通信与信息工程学院单模光纤（SMF）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。纤芯细(芯径一般为4~10μm)；只能传输一种模式的光；在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小正好相等。这也就是说在1.31μm波长处，单模光纤总色散为零。材料色散：由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光，其传播时间不同而产生。波导色散：由于波导结构参数与波长有关而产生。谱宽窄、稳定性好17通信与信息工程学院特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布下图所示：2a2an1n2n3(a)(b)(b)′(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯18通信与信息工程学院双包层光纤:色散平坦光纤（DFF）适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。色散移位光纤（DSF）G.653超大容量超长距离系统。使用于密集波分复用和孤子传输的长距离系统。三角芯光纤:改进的色散移位光纤椭圆芯光纤:双折射光纤或偏振保持光纤。提高接收灵敏度，增加传输距离。19通信与信息工程学院3、按波长分类短波长光纤(0.8~0.9m)：0.85μm长波长光纤(1.0~1.7m)：1.31μm、1.55μm超长波长(2m)光纤20通信与信息工程学院4.按光纤截面上折射率分布分类图2.2光纤的折射率分布光纤折射率变化可用折射率沿半径的分布函数n(r)表示　）（1.221arnarnrn(2-1)(2-2)1/21/22(0)12(/)(0)12()gnrarannranr21通信与信息工程学院阶跃型光纤：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯与包层交界面上不断产生全反射而前进。纤芯到包层的折射率是突变的，只有一个台阶，所以称阶跃光纤。特点：模间色散少，光纤带宽宽，传输距离长。单模光纤大都采用阶跃型光纤。渐变型光纤：纤芯到包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播。特点：模间色散高，传输频带不宽，传输速率低。多模光纤多为渐变型光纤。22通信与信息工程学院5、按用途分类掺铒光纤（EDF）：增益大，平坦特性好。同时，铒纤涂层有特种碳保护，光纤的长期稳定性得到保障。色散补偿光纤（DCF）：可以补偿不同光纤在不同波段的色散，同时可以提供正或负色散值。保偏光纤：保偏光纤的工作波长包括了从480nm到1550nm波段，采用了双层的涂层覆盖，可以选用不同涂层原料，涂层外径有250um,400um以及900um等。23通信与信息工程学院6、按ITU-T建议分类按照ITU-T关于光纤类型的建议，可将光纤分成：G.651光纤：多模渐变型光纤，中小容量、中短距离。G.652光纤：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。G.653光纤(DSF:DispersionShiftFiber)：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。G.654光纤(CSF：Cut-offShiftFiber)：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。G.655光纤(NZ-DSF)：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）。24通信与信息工程学院7、按光纤的套塑形式分类按套塑方式(二次涂覆层)可以将光纤分为：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。紧套光纤：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。25通信与信息工程学院目前，实用的石英光纤主要有三种基本类型：阶跃型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）：只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）：适用于中等容量中等距离系统。单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）：用在大容量长距离的系统。26通信与信息工程学院横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50m125mrnAitAot(b)～10m125mrnAitAot(c)图2.2(a)阶跃型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤27通信与信息工程学院2.2光纤传输理论28通信与信息工程学院2.2光纤传输理论29通信与信息工程学院2.2.1光纤传输的几何光学解释几何光学法分析问题的两个出发点•数值孔径•时间延迟分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布几何光学法分析问题的两个角度•突变型多模光纤•渐变型多模光纤30通信与信息工程学院光线分类•子午平面：通过光纤中心轴的任何平面都称为子午平面。31通信与信息工程学院均匀平面波波阵面：空间相位相同的点构成的曲面，即等相位面平面波：等相位面为无限大平面的电磁波均匀平面波：等相位面上电场和磁场的方向、振幅都保持不变的平面波均匀平面波是电磁波的一种理想情况，其分析方法简单，但又表征了电磁波的重要特性均匀平面波在均匀理想介质中的传播特性可通以下3个参量（传播速度v，波阻抗Z和相位常数k）32通信与信息工程学院均匀平面波的传播特性传播速度v：平面波的传播速度是指在平面波的传播方向上等相位面的传播速度，故又称为相速。其表达式为：（2.5）式中为介质的介电系数，为介质的导磁率。1vk波阻抗Z：电场强度仅有x分量，而磁场强度仅有y分