光纤通信 第二章 光纤和光缆.ppt

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1、第二章光纤2.1光纤结构和类型2.2光纤传输原理2.3光纤传输特性2.4光缆2.5光纤特性测量方法光纤结构光纤是光纤通信的物理传输媒质,它在长距离内具有束缚和传输光的作用。光纤结构纤芯：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包层：提供反射面和光隔离、机械保护等作用，直径约为125微米;防护层：聚酯材料构成。直径为250微米左右。在防护层外，往往加有塑料外套。主要成分纤心：SiO2+GeO2/P2O5包层：SiO2+B2O3/F光纤结构（续）设纤芯折射率n1；包层折射率n2纤芯和包层的相对折射率差△=（n1-n2）/n1单模光纤△为0.3%～0.6%；多模光纤为

2、1%～2%△的物理意义：△越大，纤芯的束光能力越强，但信息传输容量越小。光纤类型突变型多模光纤渐变型多模光纤单模光纤突变光纤渐变光纤单模光纤纤芯包层折射率突变渐变突变/渐变直径（2a）50～80μm50μm8～10μm光传播线路折线曲线直线信号畸变大小很小带宽距离积10～20MHz·km1～2GHz·km_可容纳模式个数数百个数百个一个用途小容量8Mb/s短距离几千米中等容量34～140Mb/s中等距离10～20km大容量622Mb/s～2.5Gb/s长距离30km以上图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）单模光纤渐变光纤的折射率分布(2

3、)：折射率变化参数，2折射率分布为抛物线分布；∞阶跃光纤：纤芯半径：光纤中任意一点到中心距离：渐变折射率光纤的相对折射率差单模光纤双包层光纤可设计得到1.3～1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤DFF（Dispersion-FlattenedFiber）可设计得在1.55μm处零色散的色散移位光纤DSF（Dispersion-ShiftedFiber）三角芯光纤改进的色散移位光纤，在1.55μm处有微量色散。适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统，是一种非零色散光纤。椭圆芯光纤具有双折射特性（两个正交偏振模的传输常数不同），双折射光纤，或偏振保持光纤图2.3典型特种单模光

4、纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯单模光纤2.2光纤传输原理光是一种电磁波，具有波粒二象性几何光学理论是把光看作射线，引用几何光学中反射和折射原理解释光在光纤中传播的物理现象（粒子性的应用，适用于传播空间几何尺寸远大于光波长）波动光学理论则把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁波分布的模式来解释光在光纤中的传播现象（波动特性的应用）几何光学原理简单，具体，直观，多数问题的分析结果也是正确的，但在处理一些复杂的问题时，还需要波动光学理论来分析光在光纤中的几何传输光在均匀介质中沿着直线传播；但在介质的分界面发生反射和折射现象；入射角、反射角和折射角之间的关系(反射、折

5、射定律)：介质界面上的反射和全反射介质界面的反射和折射成为全反射的临界角全反射现象：不同种类光纤中光的传输阶跃型光纤中的光传输渐变型光纤中的光传输子午光线、斜射光线的概念光纤的数值孔径NA数值孔径：从空气中入射到光纤纤芯端面上的光线被光纤捕获成为束缚光线的最大入射角，记为NA。NA越大：光纤捕捉光线的能力越强，光纤与光源之间的耦合效率就越高；信号畸变越大，限制信息传输容量其中为阶跃光纤纤芯和包层的相对折射率差。时间延迟入射角为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

6、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时间延迟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。光的波动性光是电磁波，具有波动性，会产生反射、折射、干涉、衍射、吸收、偏振、损耗等。设波的传播方向为Z方向，若Ez分量为0，而Hz分量不为0，这种波为模电波(TE)；若Hz分量为0，而Ez分量不为0，这种波为模磁波(TM)。实际上，大部分光纤中的模式Ez或Hz分量不为0，因而是一种混合模，分为EH模和HE模。沿Z轴传播的电磁波模式光纤模式是满足边界条件的电磁场波动方

7、程的解，也就是电磁场的稳态分布。这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式。一个模式由它的传播常数唯一决定，k为自由空间的波数模式进入光纤的光分解成称为各种“模式”的离散光束，模式是在光纤内部存在的稳定的电磁场模型每个模式可认为是以特定传播角传播的一个独立光束。完全沿着光纤中心轴线传播的模式成为“基模”；模式的传播角度越大，它的级就越高；只支持一个模式（基模）的光纤称为单模光纤可支持多个模式的光纤成为多模光纤描述光纤模式的参数模