光纤传输原理及特性

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1、第2章光纤传输原理及传输特性本章内容提要：光纤和光缆的结构与类型光纤的传输原理分析光纤的结构参数(光学和几何特性)光纤传输特性光纤的非线性效应光纤的机械与温度特性2.1光纤和光缆的结构及类型光纤与光缆的结构光纤？光缆？所谓“光纤”就是工作在光频下的一种圆柱体介质波导，它引导光能沿着轴线平行方向传输。所谓“光缆”就是由多根光纤和加强构件以及外护层构成。2.1.1．光纤结构及类型1.光纤结构图2-1光纤结构2.光纤分类按模式来分1)多模光纤（Step-IndexFiber/Graded-IndexFiber）2)单模光纤：①双包层光纤②三角芯光纤图2-3典型特

2、种单模光纤SiO2+GeO2SiO2+FSiO2③椭圆芯光纤：保偏单模光纤。④熊猫光纤：保偏状态；⑤蝴蝶光纤：保偏状态光纤的用途？有：多模光纤G.651（MMF）、单模光纤G.652（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）和G.656光纤。还有其他相关的单模光纤，如色散平坦光纤（DFF）和色散补偿光纤（DCF）。各种光纤的适用范围及特性见表2.1和表2.23)按ITU-T已提出的规范建议，光纤类别光纤类型适用范围G.651光纤工作在850nm的短波长窗口，对于四次群以下的光纤通信系

3、统较为实用。常用于局域网和数据链路G.652光纤在1310nm波长性能最佳，是目前应用最广泛光纤。主要应用在1310nm波长区开通长距离622Mbit/s及其以下系统，在1550nm波长区开通2.5Gbit/s，10Gbit/s和n×2.5Gbit/s波分复用系统G.653光纤在1550nm工作波长衰减系数和色散系数均最小。主要用于长距离、高速率，如10Gbit/s以上系统，其缺点是易受非线性影响，并产生较严重的四波混频效应（FWM），它不支持波分复用系统G.654光纤在1550nm波长衰减系数最小，抗弯曲性能好。主要用于长距离海底系统G.655光纤在15

4、50nm处有低色散保证，有抑制FWM等非线性效应，使得其能用在EDFA和DWDM系统，传输速率在10Gbit/s以上G.656光纤进一步扩大可利用的波长范围以增加波道数，在G.655基础上人们想到了利用S+C+L三个波段光纤。2002年由日本NTT公司和CLPAJ公司提出G.656光纤的基本规范。与G.655不同是在1540~1625nm波段，色散系数为2~14ps/（nm.km）DFF光纤优点是在1310~1550nm波段内为低色散。可与G.652光纤配合使用，降低光纤总色散DCF光纤优点是在1550nm内有很大的负色散，主要用于与G.652光纤配合使用

5、由1310nm扩容升级至1550nm时进行色散补偿表2.1各种光纤适用范围3).以纤芯折射率n1(r):阶跃型光纤;渐变型光纤几种典型的光纤折射率分布图O2O2O2O2O2O2石英光纤的主要原料为：纤芯和包层本体材料：SiCL4纤芯和包层掺杂用剂：GeO2、P2O5、GeCL4、B2O3、POCL3和F等纤芯材料：SiO2或SiO2+GeO2包层材料：SiO2+B2O3或SiO2+F。2.1.2．光缆结构分类按缆芯结构不同光缆可分为以下4种1．层绞式光缆图2-6层绞式光缆2.骨架式光缆图2-7骨架式光缆3.中心束管式光缆图2-8中心束管式光缆图4.带状式

6、光缆图2-9带状结构光缆图2.2光纤传输原理分析光纤属于介质圆波导,分析导光原理很复杂,可用两种理论进行即射线理论和波动理论.首先采用射线理论分析导光原理然后用波动理论讨论导光原理2.2.1用射线理论分析光纤的传输原理1.基本光学定律光在均匀介质(折射率n不变)中是沿直线路径传播的.其传播的速度为：v=c/n(2.1)式中，C=3×108m/s，是光在真空中的传播速度，n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似为1，玻璃的折射率为1.45左右)独立传输定律在线性介质中(光纤为线性介质),来自不同方向的光线即使在空中相交也能互不影响,按各自原有方向

7、继续前进.反射定律和折射定律(1)反射定律θ1=θ’1(2)折射定律θ1θ’1θ2n2=1n1=1.45θ1=θcθ2=900若n1>n2,则入射角θ1<折射角θ2当θ2=90°时对应的入射角θ1=临界角θc只要θ1>θc，入射光出现全反射，光被限制在n1介质里传播。若光从n2向n1入射，光线是否能出现全反射？2.光纤中光的传播当一束光线从光纤端面耦合进光纤时，光纤中有两种运行的光线：一种是光线始终在一个包含光纤中心轴的平面内传播，并且一个传播周期与中心轴相交两次，这种光线常称为子午线，含光纤中心轴的固定平面就称为子午面，如图2-11（a）所示。另一种是光

8、线在传播过程中，其传播时的轨迹不在同一个平面内，并不与光纤中心轴相