光通信原理与技术第2章

光通信原理与技术光纤传输原理电子信息科学与技术教研室光纤的结构和分类光纤的结构1.光纤结构光纤由纤芯、包层和护套层（涂覆层）3部分组成。图光纤的结构光纤的结构和分类（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。（3）护套层：光纤的最外层。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。光纤的结构和分类光纤的分类1.按光纤的材料分类（1）石英光纤；（2）塑料包层光纤；(2）全塑光纤；2.按光纤截面上折射率分布分类（1）阶跃型光纤；（2）渐变型光纤；图光纤的折射率分布光纤的结构和分类均匀光纤非均匀光纤212121,ar,0)(nnnnarnnrn为常数，且和其中，为常数其中，2221g1,ar,0(r/a)2-1)(narnnrn光纤的结构和分类3、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。如图中所示,这些不同的光束称为模式。图光在阶跃折射率光纤中的传播光纤的结构和分类（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。（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。图光在单模光纤中的传播轨迹光纤的结构和分类4、按照ITU-T关于光纤的建议标准分类（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。图G.652光纤的折射率光纤的结构和分类零色散波长λ0=1310nm的石英光纤是一种常规单模光纤，国际电信联盟电信标准化机构ITU–T将其命名为G.652光纤。这种光纤既可用于1.31μm波长区，也可用于1.55μm波长区，是一种可供双窗口应用的单模光纤。G.652光纤性能特点是：a在1.31μm波长处的色散为零，衰减系数约为0.35dB/km，。b在波长为1.55μm附近衰减系数最小，约为0.22dB/km，但在1.55μm附近其具有最大色散系数，为17ps/(nm·km)。c它的最佳工作波长在1.31μm区域。光纤的结构和分类G.652A光纤，支持10Gbit/s系统传输距离超过400km，支持40Gbit/s系统传输距离达2kmG.652B光纤，支持10Gbit/s系统传输距离3000km以上，支持40Gbit/s系统传输距离80km以上G.652C光纤，基本属性同G.652A，但在1550nm处衰减系数更低，且消除了1380nm附近的水吸收峰，即系统可以工作在1360nm～1530nm波段G.652D光纤，属性与G.652B基本相同，衰减系数与G.652C相同，即系统可以工作在1360nm～1530nm波段光纤的结构和分类（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。光纤的结构和分类通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状，力求加大波导色散，从而将零色散波长λ0从1.310μm位移到1.550μm，实现1.550μm处最低衰减和零色散波长一致。这种光纤称为色散位移单模光纤,ITU–T将其命名为G.653光纤。G.653光纤性能特点是：G.653光纤工作波长在1.550μm区域，它非常适合于长距离单信道光纤通信系统。由于G.653光纤在1.550μm处色散为零，所以在掺铒光纤放大器（大光功率影响）通道进行波分复用信号传输时，存在的严重问题是：在1.550μm波长区的零色散产生了四波混频非线性效应。因此，G.653光纤不能应用于密集波分复用传输系统。（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。光纤的结构和分类（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，而在1.525μm或1.585μm的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。G.655光纤性能特点是：G.655光纤在1.55μm有适中的微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到10Gb/s以上。非零色散光纤具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点，是最新一代的单模光纤。这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用，实现了超大容量超长距离的通信。光纤的结构和分类G.652、G.653、G.655的色散参数（5）G.656光纤G．656光纤是一种宽带非零色散平坦光纤，其特点在工作波长范围内色散应该大于所要求的非零值，有效面积合适，色散斜率基本为零。G.656光纤既可以显著降低系统的色散补偿成本，又可以发掘光纤潜在的巨大带宽，可以保证通道间隔100GHz、40Gbit/s系统至少传输400km。（6）G.657光纤G.657弯曲不敏感单模光纤同时具有极好的弯曲能力和低水峰。G.657光的抗弯曲性能在1800nm工作窗口范围内抑制了附加损耗。不仅适合L波段使用，而且易于安装，尤其是在光纤到户的网络中，光纤的弯曲半径能满足沿最小的墙角甫设。不仅如此，G.657光纤的模场直径与标准的G.652单模光纤一致，这使其与G.652光纤有低的连接损耗，包括熔接损耗和插损等。适用于FTTH(光纤入户)。光纤的结构和分类G.657A光纤：“弯曲提高”光纤，要求必须与G.652D规范的标准兼容，最小弯曲半径10mm。已在国内的FTTH工程中得到比较好的推广应用。G.657B光纤：“弯曲冗余”光纤，不要求与G.652D规范的标准兼容，最小弯曲半径可降低到7.5mm。G.657B的技术要求和制造工艺要求更高，也已开始应用。符合G.657标准的光纤可以以接近铜缆敷设方式在室内进行安装，降低了对施工人员的技术要求，同时有助于提高光纤的抗老化性能。G.657光纤被认为是FTTH室内光缆应用上的优选。光纤的结构和分类根据我国国家标准规定，光纤类别的代号应如下规定：光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类光纤。见表2-1及表2-2。类型名称材料标称工作波长(nm)B1.1非色散位移二氧化硅1310，1550B1.2截止波长位移二氧化硅1550B2色散位移二氧化硅1550B3色散平坦二氧化硅1310，1550B4非零色散位移二氧化硅1540～1565光纤的结构和分类类型折射率分布纤芯直径(um)包层直径(um)材料A1a渐变折射率50125二氧化硅A1b渐变折射率62.5125二氧化硅A1c渐变折射率85125二氧化硅A1d渐变折射率100140二氧化硅A2a阶跃折射率100140二氧化硅A2b阶跃折射率200240二氧化硅A2c阶跃折射率200280二氧化硅A3a阶跃折射率200300二氧化硅芯塑料包层A3b阶跃折射率200380二氧化硅芯塑料包层A3c阶跃折射率200430二氧化硅芯塑料包层A4a阶跃折射率980-9901000塑料A4b阶跃折射率730-740750塑料A4c阶跃折射率480-490500塑料光纤的结构和分类5、特种单模光纤（1）双包层光纤又称W型光纤，适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率可以得到G.653光纤和G.654光纤。（2）三角芯光纤改进型的色散位移光纤，在1550nm有微量色散，有效面积大，适合DWDM和光孤子传输。（3）椭圆芯光纤又称双折射光纤或偏振保持光纤。光纤的结构和分类光纤的导光原理研究方法—利用光学理论分析定性分析定量分析几何光学波动光学适用条件研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题研究内容光线轨迹模式分布dd几何光学从人们的直观感受来看，光是直线传播的。在物体尺度较大的条件下，撇开光的波动本质而用几何学方法研究光在透明介质中传播规律的理论体系，称为几何光学。几何光学是以光现象的基本实验定律为基础，用几何学的方法研究光的传播规律。光的直线传播定律、反射定律和折射定律是几何光学的基本实验定律。假定：光纤为无源的、各向均匀的介质。光纤的导光原理两个重要概念：光射线（简称射线）设有一个极小的光源，它的光通过一块不透明板上的一个极小的孔，板后面的一条光的边界并不明显锐利，而有连续但又快速变化的亮和暗，这就是所谓的衍射条纹。如果光波长极短（趋于0）而可以忽略，并使小孔小到无穷小，则通过的光就形成一条尖锐的线，这就是光射线。也可以说一条很细很细的光束，它的轴线就是光射线。两个重要概念：射线光学（即几何光学）当光波长趋于0而可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何光学。射线光学是忽略波长的光学，亦即射线理论是λ→0时的波动理论。光纤的导光原理均匀平面波的主要特性1、电场强度E和磁场强度H都在与传播方向垂直的平面上，是TEM波，也就是横向电磁波。2、波阻抗为实数，电场与磁场同相位。场强的瞬时分布为：)cos(2),()cos(2),(yxxyyykzwtHetzHkzwtEetzE光纤的导光原理3、自由空间中波的传播速度为光速smCv/103)(821000在折射率为n的介质中光波速度变小1)(/)(212100rrrrnnCv光纤的导光原理Cwwk/)(210004、相位常数k=k0/n平面波在真空中的相位常数平面波在某一介质中的相位常数Cwnwkrr/)(2100*n5、理想无损光纤的导光原理光波在两个介质交界面的反射和折射光波是一种电磁波，在均匀介质中传播时，光波轨迹是一条直线，称为光射线。n2n111`2光的反射、折射光纤的导光原理反射：1=1，折射：n1sin1=n2sin21、斯涅尔定律建立反射波、折射波和入射波方向之间的关系2、菲涅尔公式建立反射波、折射波和入射波能量之间的关系121'1EETEER折射系数反射系数其中，E1为入射光能量，E1’为反射光能量，E2为折射光能量光纤的导光原理光波的全反射n2n111`2)/arcsin(2sinsin:12122211nnnnc临界角：临界状态：根据折射定律光纤的导光原理均匀多模光纤的光线传播利用全反射原理，光波在均匀光纤的纤芯中传播32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