第2章光纤和光缆 光纤通信 optical communication 教学课件.ppt

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1、2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺本章主要内容：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光纤特性测量方法第2章光纤和光缆2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺2.1光纤结构和类型2.1.1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，光能量主要集中在纤芯内传输。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n1>n2。2021/8/21现代通信技术

2、研究所殷洪玺图2.1光纤结构示意图纤芯和包层的相对折射率差典型值Δ=(n1－n2)/n1，一般单模光纤为0.3%～0.6%，多模光纤为1%～2%。Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。涂敷层的作用：保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺2.1.2光纤类型光纤种类很多，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(阶跃)型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤（

3、Single-ModeFiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型和渐变型多模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。2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺图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50~80mn1n2n1n2n2n1(r)2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺refractiveindexSMSingle-ModeMM-SIMulti-ModeStepIndexMM-GIMulti-ModeGradedIndex2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺图2

4、.3典型特种单模光纤双包层光纤色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF）色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）三角芯光纤椭圆芯光纤双折射光纤或偏振保持光纤。(a)双包层(W型)(b)三角芯(NZDSF)(c)椭圆芯(保偏光纤)特种单模光纤a/a2n1(r)n3n2n1n22b2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距离的传输系统。渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离的传输系统。单模光纤用在大容量、长距离的光纤通信系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通

5、信系统的水平1.55m色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的大容量、长距离传输系统。色散平坦光纤适用于WDM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，适用于DWDM和孤子系统，可以把传输容量提高几倍到几十倍，实现超大容量和超长距离传输。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。2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺2.2光纤传输原理分析光纤传输原理的常用理论：射线光学(几何光学)理论波动光学理论法条件是:光波长要远小于光波导的横向尺寸。近似认为0，于是，光的衍射

6、现象可以忽略，光的发散角可近似为0，从而，可将光看成一条射线。优点：直观、简单；缺点：不严格，无法解释模式的概念。认为光波是一种波长很短的电磁波。故可以根据电磁场理论(麦克斯韦方程组)，对光波导的基本问题进行求解。优点：严格、全面，很好地解释模式的概念；缺点：分析方法复杂。2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺2.2.1几何光学方法几何光学法分析光在光纤中的传输原理，关注光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，建立两个概念：•数值孔径NA(NumericalAperture)•时间延迟(TimeDelay)下面讨论两类光纤：•突变型多模光纤SI

7、F•渐变型多模光纤GIF1.突变型多模光纤(SIF)数值孔径2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺空气11纤芯n1包层n2330z2211cLxlc1以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例。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。光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0n2)。2021/8/21现代通信技术研究所殷洪玺改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全

8、反射原理，存在一个临界角c。•当<c时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传