光通信技术第二章

2.1光纤结构和类型2.1.1光纤结构2.1.2光纤类型2.2光纤传输原理2.2.1几何光学方法2.2.2光纤传输的波动理论2.3光纤传输特性2.3.1光纤色散2.3.2光纤损耗2.3.3光纤标准和应用2.4光缆2.4.1光缆基本要求2.4.2光缆结构和类型2.4.3光缆特性第2章光纤和光缆返回主目录2.12.1.1光纤结构光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。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。使大部分的光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。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光纤的外形包层n2纤芯n12.1.2光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤图2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤横截面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)主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤用在大容量长距离的系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤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。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。2.2光纤传输原理分析光纤传输原理的常用方法：几何光学法麦克斯韦波动方程法2.2.1几何光学法分析问题的两个出发点•数值孔径•时间延迟通过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•渐变型多模光纤图2.4突变型多模光纤的光线传播原理321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc11.数值孔径为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0n1)，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层(n1n2)。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°(2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到式中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。212221nnnNA(2.3)时间延迟根据图2.4，入射角为θ的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条件下，其传播时间即时间延迟为式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为)21(sec211111cLnclncln(2.4)cLnNAcnLcnLc12121)(22(2.5)这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。图2.5渐变型多模光纤的光线传播原理oidzrirmp纤芯n(r)r*zr0dr2.渐变型多模光纤由此可见，渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，其周期Λ=2π/A=2πa/，取决于光纤的结构参数(a,Δ)，而与入射角θ0无关。2自聚焦效应为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0,ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到)sin()0(0AzAnr(2.14a)θ*=θ0cos(Az)(2.14b)这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，见图2.5和图2.2(b)，这种现象称为自聚焦(Self-Focusing)效应。4.单模条件和截止波长单模传输条件V=2.405或λc=c405.2V由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λλc时，是多模传输，当λλc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。由此得到405.222221nnaV(2.36)2.3产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，损耗和色散是光纤最重要的传输特性：损耗限制系统的传输距离2.3.1光纤色散1.色散、色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散的种类：模式色散：由于不同模式的时间延迟不同而产生的材料色散：由于光纤的折射率随波长而变化，不同成分的光时延不同而产生的波导色散：由于波导结构参数与波长有关二产生的)/(lg100kmdBPPLi(2.61a)2.3.2光纤损耗损耗的存在光信号幅度减小限制系统的传输距离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示习惯上α的单位用dB/km，由式(2.60)得到损耗系数Po=Piexp(-αL)(2.60)设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，根据式(2.59)，输出光功率应为式中，α是损耗系数。PdzdP(2.59)1.图2.15是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。吸收损耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。散射损耗主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh)散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。图2.15单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6实验波导缺陷紫外吸收瑞利散射红外吸收波长/m损耗/(dB·km－1)2.3.3光纤标准和应用G.651多模渐变型(GIF)光纤应用于中小容量、中短距离的通信系统。G.652常规单模光纤是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31μm色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。G.653色散移位光纤是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55μm色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。G.6541.55μm损耗最小的单模光纤其特点是在波长1.31μm色散为零，在1.55μm色散为17~20ps/(nm·km)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20dB/km以下。色散补偿光纤其特点是在波长1.55μm具有大的负色散。G.655非零色散光纤是一种改进的色散移位光纤。2.4在实际工程应用中，需要把若干根光纤绞合成缆，在外面再加上保护套，以防止外界各种机械压力和施工过程中可能发生的损伤。光缆的结构取决于用途（可根据不同需要进行设计）。有些在光纤外加一层塑料外套，有些是使用钢质加强心之类的增强材料以保证光缆具有足够的机械强度。2.4.2光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。1.缆芯缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。图2.20光缆类型的(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)6~48芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架空地线复合光缆(OPGW)填充油膏紧套光纤中心加强件包带铝纵包PE护层(a)填充绳(聚乙烯)第一单元松套管(6芯)第二单元松套管(6芯)包带皱纹钢带PE层尼龙12外护层中心加强件填充油膏(b)PE外护层皱纹钢带塑料骨架中心加强件紧套光纤(c)PE外护层铝纵包钢丝(分散加强)高强度塑料光纤束管6～48芯光纤(d)外护层金属加强件塑料绕包带带状光纤单元带状线(e)单根金属加强件高密度PE护层开索邹纹钢护套防潮层高强度塑料束管4～48芯光纤(f)内金属或高强度塑料线光纤光纤或聚乙烯填充线聚乙烯铜管聚乙烯聚丙烯内层钢丝铠装外层钢丝铠装(g)隔热衬材光纤高强度塑料线铝管铝扇形体铝包钢线(h)光纤塑料光缆的基本型式层绞式把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。骨架式把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。中心束管式把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。带状式把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。光缆的铺设•1.架空式•2.直埋式•3.预埋式