第二章_光纤传输理论及传输特性(2011)

光纤通信与数字传输南京邮电大学通信与信息工程学院第二章光纤传输理论及传输特性在光纤通信系统中，光纤是光波的传输介质。光纤的材料、构造和传输特性对光纤通信系统的传输质量起着决定性的作用。本章在介绍光纤光缆的结构和类型的基础上，分别用波动理论和射线光学理论对光纤中的模式和传光原理进行分析，并对光纤的衰减和色散等传输特性进行详细的介绍。2第二章光纤传输理论及传输特性2.1光纤、光缆的结构和类型2.2电磁波在光纤中传输的基本方程2.3阶跃折射率光纤模式分析2.4单模传输2.5射线光学理论2.6光纤传输特性32.1光纤、光缆的结构和类型2.1.1光纤结构2.1.2光纤型号2.1.3光缆及其结构42.1.1光纤的结构光纤的基本结构有以下几部分组成：折射率（n1）较高的纤芯部分、折射率（n2）较低的包层部分以及表面涂覆层。结构如图2-1所示。为保护光纤，在涂覆层外有二次涂覆层（又称塑料套管）。56图2-1通信光纤及其基本结构纤芯包层Φ125μm涂覆层Φ250μm无论何种光纤，其包层直径都是一致的涂覆层的主要作用是为光纤提供保护纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体光纤的分类按折射率分布按二次涂覆层结构按材料按传导模式781.按纤芯折射率分布：阶跃折射率分布和渐变折射率分布Ob/2aab/2n1n2n0n1n2rnOb/2aab/2n1n2n0n1n2rn阶跃型（SI）渐变型（GI）2按光纤的二次涂覆层结构紧套结构光纤光纤的二次涂敷（即塑料套管）与一次涂敷是紧密接触的，光纤在套管中不能松动（图2-4）松套结构光纤光纤的二次涂敷与一次涂敷是留有空间的（一般充油膏），光纤在套管中可以松动（图2-5）93.按光纤主要材料SiO2光纤*塑料光纤氟化物光纤*SiO2是目前最主要的光纤材料104.按光纤中的传导模式*单模光纤多模光纤*传导模式的概念将在模式分析部分介绍112.1.2光纤型号目前ITU-T规定的光纤代号有G.651光纤（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（低损耗光纤）G.655光纤（非零色散位移光纤）。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。1213表2-1多模光纤类型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14表2-2单模光纤类型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1540～1565G.652光纤（非色散位移光纤）*G.652光纤是通信网中应用最广泛的一种单模光纤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15G.652x光纤的色散和衰减*16G.657光纤*17G.657光纤（接入网用抗弯损失单模光纤）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。2.1.3光缆及其结构光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。18光缆的分类方法按成缆光纤类型多模光纤光缆和单模光纤光缆按缆芯结构中心束管、层绞、骨架和带状按加强件和护层金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合长途/室外、室内、水下/海底等按敷设方式架空、管道、直埋和水下19光缆的结构（成缆方式）层绞式骨架式中心束管式带状式2021光缆结构示意图层绞式中心束管式带状式松套层绞式铠装光缆22松套层绞式直埋光缆23金属加强自承式光缆24微束管室内室外光缆*25微束管室内室外光缆适合大楼和多层住宅楼的管道引入使用，适合室内和室外两种环境，芯数一般为12～32。微束管松套光纤为半干式结构，便于室内光缆分支和施工。分支型室内布线光缆*26与分支型室内布线光缆类似，还有一种束状室内布线光缆，使用0.9mm紧套光纤，干式结构，纤芯密度高，重量轻。分支型室内布线光缆采用单芯子单元光缆结构，适合在大楼竖井内中长距离上的多处分纤终端，每条光缆子单元均可用现场连接器直接与终端相连接。光缆为全介质结构，具有优良的防火阻燃性能。抗拉强度和防火等级满足室内垂直/水平布线光缆的等级要求。芯数有4/6/8/12/24多种。室内8字布线光缆（普通蝶形光缆）*27室内“8”字布线光缆又称为蝶形入户光缆或皮线光缆，是应用于FTTx的专用光缆，特别适合穿过楼内各种管道，适应楼内复杂的敷设和应用环境。光缆采用小弯曲半径光纤，具有优良的抗弯性能。无需工具即可剥开光缆，施工安全可靠，可如同铜缆施工一样对待，不宜出现施工故障。能与多种现场连接器匹配，可现场成端。采用G.657光纤的高强度特种光纤跳线*28第二章光纤传输理论及传输特性2.1光纤、光缆的结构和类型2.2电磁波在光纤中传输的基本方程2.3阶跃折射率光纤模式分析2.4单模传输2.5射线光学理论2.6光纤传输特性292.5射线光学理论分析光波在光纤中传输可应用两种理论：波动理论和射线理论。用波动理论分析了光波在阶跃折射率光纤中传播的模式特性，分析的方法比较复杂。射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光的传播现象很有效，而且对光纤半径远大于光波长的多模光纤能提供很好的近似。30两个重要概念：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。31两个重要概念：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。321.射线方程从射线方程导出的射线光学最重要的理论之一是斯涅尔（Snell）定律，它应用于恒定折射率n1和n2区域时可写成：反射定律：（2-118）折射定律：（2-119）式中n1、n2为介质的折射率，、、分别是光线的入射角、反射角和折射角。33入反12sinsinnn入折入反折34光射线的反射和折射第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＜n2法线反射定律：入射角φ入＝反射角φ反折射定律：n1·sinφ入＝n2·sinφ折φ入φ反φ折入射光线折射光线反射光线光的全反射现象（光密介质－光疏介质）35第1种媒质（n1）分界面第2种媒质（n2）n1＞n2法线折射光线反射光线入射光线全反射定律：当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最大值90°，此时可认为无折射光存在，所有的入射光都被反射，称为全反射现象，满足全反射现象的最小角度称为全反射的临界角φC。φC2.5.2光纤的传光原理利用上述的射线分析方法，可以直观地对光纤的传光原理进行解释，但是必须要指出的是，射线分析方法虽然具有易于理解的优点，但其本质上是一种近似分析方法，只能定性地解释光纤的传光原理，并不能作为定量的分析依据。36阶跃折射率光纤中的全反射传输37光纤轴线方向纤芯（n1）包层（n2）n1＞n2思考：如果光纤发生弯曲或形变会有什么结果？此处亦有折射现象，如何由光纤内部的全反射条件推导处此处的入射条件？（入射角/接收角）空气（n0）38子午光线和偏射光线39子午光线是平面曲线偏射光线是空间曲线最大入射角、最大可接收角和数值孔径最大入射角最大可接收角：数值孔径为式中，n1,n2分别为光纤芯和包层的折射率，Δ为相对折射率差。402212112211210sinsinsin2annnnnn220121sin2aNAnnnn2a补充例题例1：一阶跃折射率分布光纤的参数为n1=1.52，n2=1.49。（1）光纤放在空气中，光从空气中入射到光纤端面轴线处的最大可接收角是多少？（2）光纤浸在水中（水的折射率为1.33），光从水中入射到光纤端面轴线处的最大可接收角是多少？解：最大可接收角（1）空气n0=1，（2）水n0=1.33，412222012sin1.521.490.30annn00234.922arcsin(0.30)ann234.92a226.26a2.2电磁波在光纤中传输的基本方程为全面精确的分析光波导，可采用波动理论。本节从麦克斯韦方程组出发，推导出波动方程，然后对光纤进行分析。需要指出的是，这里重点是理解分析和推导的思路和方法，而不是具体的过程。42温习：二个算子（直角坐标系中）1.哈密顿（Hamilton）算子：2.拉普拉斯（Laplace）算子43xyzaaaxyz2222222xyz温习：三个重要的恒等式1.（u为标量函数）；2.；3.440u0A2AAA2.2.1麦克斯韦方程组和波动方程微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场矢量。对于无源的，均匀的，各向同性的介质，麦克斯韦方程组可表示如下：（2-2）（2-3）（2-4）（2-5）式中为电场强度矢量，为磁场强度矢量，为电位移矢量，为磁感应强度矢量，为哈密顿算符，“”代表取旋度，“”代表取散度。450B0DDHtBEtEHDB麦克斯韦方程组和波动方程（续）对于无源的、各向同性的介质，有，式中为介质的介电常数，为介质的导磁率。在研究介质的光学特性时，通常不使用，而是使用介质的折射率n，两者的关系是：46DEBHrnr由麦克斯韦方程推出波动方程470()EHt202EEt2202()EEEt利用矢量恒等式2()EEE()0DEEE由2-4式得EE2202()EEEt2