光纤通信技术教学课件作者李方健第2章节光纤和光缆课件

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1、第2章：光纤和光缆内容目录2.1光纤的结构和分类2.2光纤的导光原理及数值孔径2.3光纤的传输特性2.4光缆2.1光纤的结构和分类2.1.1光纤的结构目前通信用光纤的结构绝大多数为多层同轴圆柱体结构，其自内向外依次为纤芯、包层和涂覆层，核心部分是纤芯和包层。2.1.2光纤的分类1.按照折射率在横截面上的分布一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。2.按照光纤中传输模式的数量可分为单模光纤和多模光纤。3.按光纤的材料来分，有石英系光纤、塑料包层石英芯光纤、多成分玻璃纤维和塑料光纤等类型。4.按工作波长来分，可分为短波长光纤和长波长光纤。5.按照ITU-T建议文号划分可分

2、为有G.652、G.653、G.654、G.655等。2.1.3光纤的折射率分布光纤的折射率分布有两种情况，即阶跃型光纤的折射率分布和渐变型光纤的折射率分布。1.阶跃型光纤所谓阶跃型光纤是指在纤芯与包层区域内，其折射率分别是均匀的，其值分别为与，但在纤芯与包层的分界处，其折射率发生突变。阶跃型光纤中的折射率分布为：＝2.渐变型光纤所谓渐变型光纤指光纤纤芯的折射率沿剖面径向按一定规律逐渐变化，而包层折射率的分布是均匀的一类光纤。阶跃型光纤中的折射率分布为：＝2.2光纤的导光原理及数值孔径等于临界角大于临界角小于临界角2.2.1光纤的导光原理光纤的导光原理就是利用了光信号

3、在纤芯和包层的界面上发生的全反射。2.2.2光纤的数值孔径从光源输出的光，入射在光纤端面上，其中一部分是不能进入光纤的，而能进入光纤端面的光也不一定能在光纤中传输，只有符合某一特定条件的光才能在光纤中发生全反射而传播到远方。入射临界角的正弦与的乘积，称为光纤的数值孔径，用NA表示，因为光在空气的折射率=1，所以有：===≈而即≈≈=其中为纤芯与包层的相对折射率差。数值孔径是光纤接受入射光能力的重要参数，它反映了光纤捕捉光能力的大小，而纤芯与包层的相对折射率差则反映纤芯对光信号的束缚能力。越大，NA越大，光纤聚光能力越强。为了使光信号能更有效地耦合到光纤中，希望数值孔径

4、越大越好；但从光纤带宽的要求来看，增大会使带宽下降；而从光纤损耗考虑，也希望低，使纤芯中掺杂造成的损耗最小。通常用于通信的光纤NA的取值范围为0.1~0.3之间。2.2.3光纤中模的概念光具有波粒二相性，既可以把光看成是电磁波，也可以把光看成是由光子组成的粒子流。光纤中的模是指光信号的电磁场在光纤中的存在方式或传播方式。通常在光纤中传输的模式的数目很多，它与光的波长、光纤的结构（如纤芯的直径）、光纤的纤芯和包层的折射率分布有关。为了表示光纤中存在模式的数目，引入一个参数（归一化频率），其定义为：==其中，为光纤的结构系数，λ为光信号波长。当＜2.405时，阶跃光纤可实

5、现单模传输。在多模阶跃光纤中，传导模数为：=/2在多模渐变光纤中，当=2时，传导模数为：=/4即仅为阶跃光纤的一半，这对于减小模间色散是有利的。单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯内，而是有相当部分在包层中传播。所以不用纤芯直径来作为衡量单模光纤中功率分布的参数，而是用所谓的模场直径作为描述单模光纤传输光能集中程度的参数。有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。因此，对于传输光纤而言，模

6、场直径（或有效面积）越大越好。若不考虑光纤的折射率分布情况和纤芯半径影响，可以用下列公式作为计算模场直径的近似计算式：（μm）其中：λ为光波波长（μm），NA为单模光纤的最大理论数值孔径。2.3光纤的传输特性光信号经光纤传输后要产生损耗和畸变（失真），因此输出信号和输入信号不同。对于脉冲信号，不仅幅度要减小，而且波形要展宽。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，损耗限制光纤传输系统的中继距离，色散则限制系统的最高信息传输速率。2.3.1光纤的损耗光信号在光纤中传输时，其强度或功率会受到衰减的现象，称为光纤的损耗，用分贝（dB）表示；

7、而单位长度上的光纤损耗称为损耗系数，单位为dB/km，用表示，表达式为：=上式中，Pin为光纤的输入端光功率，Pout为光纤的输出端光功率，其单位均为mW，L为光纤的长度，其单位为km。损耗系数与波长的关系曲线称为损耗谱，如下图所示：光纤的损耗限制了光纤通信系统的传输距离。00.51.01.52.02.53.080010001200140016001800第一传输窗口瑞利散射第二传输窗口OH吸收峰第三传输窗口红外吸收紫外吸收波长（nm）损耗（dB/km）光纤损耗谱特性在损耗谱特性图中，损耗系数出现的高峰，称为吸收峰。损耗系数较低所对应的波长，称为窗口