光纤通信原理

光纤通信光纤通信 原理与应用原理与应用 第 2 章 光 纤 第第2 2章章 光光 纤纤 2.1 光纤的基本概念 2.2 光纤传光原理 2.3 光纤特性参数 2.4 光纤连接方式 2.5 光纤在通信领域中的应用第第2 2章章 光光 纤纤 2.1 2.1 光纤的基本概念光纤的基本概念 2.1.1 2.1.1 光纤基本结构光纤基本结构 光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构图2-1 光纤结构示意图 纤芯和包层由透明介质材料构成，其折射率分别为n1和n2。为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是n1n2。2.1.2 2.1.2 光纤分类光纤分类1按纤芯和包层材料划分 可分为石英光纤和塑料光纤2按光纤折射率分布特点划分 主要分为阶跃光纤和渐变光纤 3 3按光波模式（即电磁波类型）划分按光波模式（即电磁波类型）划分 可分为多模光纤和单模光纤。多模光纤：多模光纤：纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50 m左右），适用于中容量、中距离通信。单模光纤：单模光纤：纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个微米），适用于大容量、长距离通信。2.1.3 2.1.3 光纤制造简述光纤制造简述 通信用光纤大多数由石英玻璃材料构成。光纤的制造要经历材料提纯、熔炼、拉丝、套塑等具体的工艺步骤。1提纯工艺 提纯的目的是去掉原料中的有害杂质，一般要求有害杂质的含量不得大于106。2熔炼工艺 熔炼的目的是将超纯的原料经过高温化学反应，合成具有一定折射率分布的预制棒。3拉丝工艺 拉丝的目的是将已制作好的预制棒拉成高质量的光纤。4套塑工艺 套塑的目的是将带有涂覆层的光纤再套上一层热塑性材料，进一步增强光纤的强度。2.1.4 光缆结构及类型 1 1光缆结构光缆结构 （1）缆芯 光缆中包含的光纤构成缆芯。缆芯可以放在光缆的中心或非中心部位。（2）加强构件 在光缆中心或外护层内加入钢丝或玻璃纤维增强塑料，用来增强光缆的拉伸强度。（3）光缆护层 光缆从里到外加入一层或多层圆筒状护套，用来防止外界各种自然外力和人为外力的破坏。护套应具有防水防潮、抗弯抗扭、抗拉抗压、耐磨耐腐蚀等特点。光缆护层常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯和聚酰胺。此外，还有铝、钢、铅等密实的金属层用来防潮。（4）填料 在缆芯与护套之间填充防潮油胶，用来阻止外界水分和潮气侵入缆芯内。（5）铠装 用钢丝、钢带等坚硬金属材料做成光缆的外护套，进一步提高光缆强度，用来防鼠、防虫、防火、防外力损坏。（6）其他 有些光缆内放入若干根铜导线，用做中继馈电线、监控信号线等。2 2光缆类型光缆类型（1）按敷设方式分类 可分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水下光缆（海底光缆）、室内光缆等。（2）按缆芯分类 光纤束光缆：光纤与光纤之间不是固定黏结在一起的，每根光纤具有一定的位移自由。光纤带光缆：光纤带是利用黏结材料将多根光纤（带有一次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平面排列。（3）按加强构件材料分类 分为金属加强构件光缆和无金属光缆（4）按加强构件位置分类 集中型加强构件：又分为层绞式光缆、骨架式光缆 分布型加强构件：又称为中心管式光缆。（5）按有无铠装分类 简式光缆：主要用于架空光缆、管道光缆。铠装光缆：主要用于长途干线直埋光缆。2.1.5 光缆（光纤）型号命名方法 光缆（光纤）型号的命名是采用一横列十三项参数来表示的。其中，第一至第五项是光缆类型参数，第六至第十二项是光纤规格参数，第十三项是附加参数。图2-3 光缆型号命名方法 光缆各项参数的具体意义如下：第一项光缆分类代号 第二项加强构件代号 第三项结构特征代号 第四项护套代号 第五项外护层代号图2-4 多模光纤和单模光纤规格参数的具体表示光缆类型举例：（1）GYFGTY4D9/125（205）B型骨架式光纤束光缆（2）GYTS型层绞式光纤束 光缆2.2 2.2 光纤传光原理光纤传光原理 2.2.1 光的射线理论及光纤传光分析 1光的射线理论 （1）直线传播定律 光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为v v=c c/n n c c是真空中光速，n n是均匀介质折射率 。（2）反射定律和折射定律 光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。定律（3）全反射 光线从光密介质n1射向光疏介质n2时，若入射角1满足以下关系：1 c arcsin(n2/n1)则只有反射光，而无折射光。c称为全反射临界角。2光纤的两类入射光 子午光线：若入射光线与光纤轴心线相交，则称为子午光线。斜射光线：若入射光线与光纤轴心线无论在光纤的入射端面上还是在光纤内部都不相交，则称为斜射光线。3子午光线的传播分析图2-13 子午光线在阶跃光纤内的传播示意图 （光纤纵剖面图）（1）在阶跃光纤内 子午光线在阶跃光纤内传播的基本特点：光纤纤芯内传光路线是一系列在纤芯与包层交界面上不 断反射前进的折线，这些折线与光纤轴心线相交，并且与光纤轴心线共面。若选择光纤内的光线恰好满足全反射定律，于是在光纤 入射端面上的折射律公式为n0sin0=n1sin1=n1cosc 在光纤内n1,n2交界面上的全反射公式为n1sinc=n2联立求解得式中 ，称为相对折射率差 结论：结论：当光纤端面入射角in0时，光纤可以传光；当光纤端面入射角in0时，光纤不能传光。0 称为光纤端面临界入射角，它与光纤端面上入射点位置无关。（2）在渐变光纤内图2-14 子午光线在渐变光纤内的传播示意图 （光纤纵剖面图）子午光线在渐变光纤内传播的基本特点：子午光线在渐变光纤内传播的基本特点：光纤纤芯内传光路线是周期性连续曲线，与光纤轴心线相交，并且传光路线与光纤轴心线共面。光纤端面临界入射角为0(r)=，与光纤端面上入射点位置r有关。其中，0(r=0)称为中心临界入射角，0(r 0)称为非中心临界入射角。可见，0(r=0)0(r 0)，表明中心入射光线比非中心入射光线可以有大一些的入射角。光纤端面入射角in越小，则光纤纤芯内光线越靠近轴心线传播。4斜射光线的传播分析（1 1）在阶跃光纤内）在阶跃光纤内 斜射光线在阶跃光纤内传播的基本特点：纤芯内传光路线是一系列折线，这些折线与光纤轴心线不共面，而是围绕光纤轴心线旋转前进的。这些折线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆，内切圆的半径大小与斜射光线的入射角有关。光纤端面临界入射角为 （是入射光线进入纤芯后的第一条折线在光纤横截面上的正投影与半径之间的夹角）。可见斜射光线比子午光线可以有更大的入射角。（2）在渐变光纤内）在渐变光纤内 斜射光线在渐变光纤内传播的基本特点：纤芯内传光路线是一系列曲线，这些曲线与光纤轴心线不共面，而是围绕光纤轴心线旋转前进的。这些曲线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆，内切圆的半径大小与斜射光线的入射角有关。上述这些曲线的起点和终点形成一个外圆，外圆上各点的介质折射率都相等，称为等折射率面。外圆的半径大小与斜射光线的入射角有关，外圆的最大半径等于纤芯半径。光纤端面入射角in越小，则外圆和内切圆半径越小，即纤芯内曲线越靠近轴心线传播。若光纤折射率为抛物线分布，则外圆和内切圆重合，此时光纤内传光路线是围绕光纤轴心线旋转前进的螺 旋线。2.2.2 2.2.2 光纤导波模式的粗糙解光纤导波模式的粗糙解(射线分析方法射线分析方法)1导波形成的两个必要条件导波形成的两个必要条件（1）全反射条件（2）等相面条件ABCD 相位变化量-AD相位变化量=2 (2-4)2等相面条件的化简等相面条件的化简 (2-4)式化简为4akn1cos1+20=2 （=0,1,2,）(2-6)称为导波特征方程。(2-6)式是纤芯内能够形成导波的入射角1所应满足的条件，可见1不能连续取值。若将k1x=kn1cos1代入特征方程，可得 4ak1x+20=2 （=0,1,2,）(2-7)称为横向谐振条件。3导波模式的初步结论导波模式的初步结论（1）特征方程中的 称为导波模式的阶次，最低阶次=0称为基模。（2）越高，则纤芯内入射角1越小，或光纤端面入射角 in越大。（3）越高，则k1x越大，即1越短，故横向电场波节数越 密。2.2.3 2.2.3 光纤导波模式的精确解光纤导波模式的精确解(电磁场分析方电磁场分析方 法法)1理论计算的三大步骤理论计算的三大步骤（1）利用圆柱坐标系（r,z）中的赫姆霍兹方程求出z方向的电场分量和磁场分量EZ,HZ。解得：（ra）（ra）（2-8）（ra）（ra）（2-9）综合分析，可以得到 导波存在的条件为 kn2 kn1 导波截止的临界条件为=kn2 令 ，称为归一化频率。临界状态时 ，则 ，Vc称为归一化截 止频率。可将上述导波条件改写成导波存在的条件为 VVc 导波截止的临界条件为 V=Vc（2）由EZ和HZ利用麦克斯韦方程组求出r方向和方向的电场和磁场分量Er,E,Hr,H。（3）利用E,H在纤芯和包层交界处连续的特点，即在 r=a处 E1=E2,H1=H2，可以求出导波 特征方程为2四类导波模式四类导波模式 （1）TE0n（n=1,2,3,）模式，称为横电波。特点：纵向无电场，仅有磁场，即Ez=0，Hz0。（2）TM0n（n=1,2,3,）模式，称为横磁波。特点：纵向无磁场，仅有电场，即Hz=0，Ez0。（3）EHmn（m=1,2,3,；n=1,2,3,）模式，称 为混合波。特点：纵向既有电场，又有磁场，即Ez和Hz0。（4）HEmn（m=1,2,3,；n=1,2,3,）模式，称为混合波。特点：纵向既有电场，又有磁场，即Ez和Hz0。3导波模式的存在条件导波模式的存在条件 表2-2 导波模式与归一化截止频率Vc的对应关系导波模式（矢量模）VcHE11 0 TE01,TM01,HE21 2.4048 EH11,HE12,HE31 3.8317 EH21,HE41 5.1356 TE02,TM02,HE22 5.5201 理论指出，实际光纤中能够传输的导波模式必须满 足 V Vc (2-16)对于实际光纤，可以先由(2-17)式算出V的数值大小，然后利用(2-16)式就可确定该光纤传输的导波模式(2-17)结论：结论：结论：结论：（1）HE11模式（Vc=0）在任何光纤中都存在（因为单模和多模光纤总有V0）。HE11 模式称为基模。（2）满足0V2.4048条件的光纤，仅含基模，称为单模光纤；反之，满足V2.4048条件的光纤，则含有基模和其他模式，称为多模光纤。于是得到光纤的单模工作条件为 0V2.4048 多模工作条件为 V2.4048（3）纤芯越细，高阶模数量越少；纤芯越粗，高阶模数量越多。（4）工作波长越长，高阶模数量越少；工作波长越短，高阶模数量越多。（5）光纤端面临界入射角0越小，高阶模数量越少；0越大，高阶模数量越多。（6）理论算得光纤传导模的总数N 为阶跃多模光纤 N V 2/2渐变多模光纤 N V 2/4 标量模又称为线性偏振模 由于通常光纤 (n1n2)/n10.01，故可将光纤内传播的光线近似看成是与光纤轴心线平行的。因而，所传光线的电磁场横向分量很大，而纵向分量则很小，并且近似认为，在入射光线的传播过程中，场的横向偏振方向保持不变，即视传播光线为线性偏振，因而可以用一个标量来描述。标量模的存在条件为 V Vc (2-20)表2-3 标量模LPmn的归一化截止频率VcVcm0123 n10(LP01)2.4048(LP11)3.8317(LP21)5.1356(LP31)23.8317(LP02)5.5201(LP12)7.0156(LP22)8.4172(LP32)37.0156(LP03)8.6537(LP13)10.1735(LP23)11.6198(LP33)2.3 2.3 光纤特性参数光纤特性参数2.3.1 数值孔径 1定义：数值孔径等于光纤端面临界入射角的正弦值（1）阶跃光纤数值孔径 阶跃光纤的斜射光线比子午光线可以有较大的入射角（2）渐变光纤数值孔径渐变光纤的斜射光线比子午光线也可以有较大的入射角（3）最大理论数值孔径 （4）远场强度有效数值孔径 NAeff和NAt之间的关系：NAeff=式中 是纤芯折射率分布指数。阶跃光纤：抛物渐变光纤：2 2数值孔径与光源波长的关系数值孔径与光源波长的关系 3数值孔径的物理意义数值孔径的物理意义 数值孔径表示光纤采光能力的大小。数值孔径越大，则光纤与光源或和其他光纤的耦合就越容易。但数值孔径过大，则大，这会增加光纤传输损耗，故数值孔径应适当取值。ITU-T规定：多模渐变光纤的NAt=(0.180.24)0.02，单模光纤NAt0.11。（dB/km）(2-29a)2.3.2 衰减特性衰减特性 1定义定义 （1）衰减常数 光在光纤中传播时光功率的衰减，称为光纤损耗。常用衰减常数来表示，其定义为 物理意义：表示光纤单位长度上光功率的变化，它影响光纤传光距离的远近。（2）单模光纤半经验公式 =(0.53+66max+0.21c)/4 （dB/km）(2-30)2衰减产生的主要原因衰减产生的主要原因（1）本征损耗（光纤材料所固有）（2）工艺损耗（在提纯、熔炼、拉丝等过程中产生）（3）布线施工损耗 强弯曲损耗；微弯曲损耗；接头损耗。3 3光纤通信使用的波段光纤通信使用的波段（1）短波长窗口（近红外窗口）短波长窗口（近红外窗口）波长范围是0.800.90 m，通常使用0.85 m。（2）长波长窗口（近红外窗口）长波长窗口（近红外窗口）波长范围是1.251.35 m及1.501.60 m，通常使 用1.31 m及1.55 m。目前的光纤通信系统多采用长波长窗口。2.3.3 2.3.3 截止波长截止波长截止波长截止波长1定义定义 截止波长是光纤中只能传导基模的最低工作波长。若工作波长高于截止波长，则高次模截止，仅仅传导基模，此时光纤称为单模光纤；若工作波长低于截止波长，则高次模传导，此时光纤称为多模光纤。（1）理论截止波长ct其中Vc 2.4048 (2-31)光纤的单模工作条件为光纤的单模工作条件为 ct 光纤的多模工作条件为光纤的多模工作条件为 ct（2）2 m长涂覆光纤实测截止波长c（3）22 m长光缆实测截止波长cc（4）一个中继段光缆的有效截止波长ce 以上四种截止波长的关系是 ctcccce (2-32)3确定截止波长的目的确定截止波长的目的 是为了确实保证光纤中的单模传输。光纤越长，衰减越大，并且高阶模比低阶模衰减得更快，因此，若两光纤的a,n1,n2,in都分别相同，则短光纤比长光纤的高阶模多。若两光纤的a,n1,n2,in及高阶模类型均相同，则短光纤比长光纤的大。所以，只要保证了最短光纤中是单模传输，就更可以保证任何较长光纤中也是单模传输。总之，单模工作条件是 ctcccce (2-33)2.3.4 带宽与色散带宽与色散 1光纤带宽的概念 光纤的频带特性与光纤的长度有关系，常用“带宽距离”积来表示光纤的频带特性，其单位常使用MHzkm或GHzkm。2影响带宽的原因（1）模间色散）模间色散 定义定义 同一波长光信号的不同模式成分之间的色散，称为模间色散或模式色散。模间色散只在多模光纤中存在。产生原因产生原因 多模光纤中各个模式的光传播的路径和速度不同，使得在光纤出射端各模式的到达时间不一致，产生时延差，引起光脉冲展宽。图2-20 模间色散时延差导致光脉冲展宽的示意图证明：抛物渐变光纤（证明：抛物渐变光纤（=2）具有最小模间色散。）具有最小模间色散。第一步：证明光纤端面轴心处入射角in不同的入射子午光线在纤芯内都通过轴心线上的O点。图2-21 抛物渐变光纤子午光线模间色散时延差计算图 可以证得：可以证得：可以证得：可以证得：可见 长度与in无关，这表明in 不同的入射子午光线在纤芯内都能汇聚于O点。第二步：证明in不同的入射光线自OO的传播时间T都为 这表明T与in 无关，不同的光线在纤芯内走完OO路径所用的时间相同，即不存在时延差。结论：结论：从光纤端面轴心处同时入射的子午光线，不论其从光纤端面轴心处同时入射的子午光线，不论其从光纤端面轴心处同时入射的子午光线，不论其从光纤端面轴心处同时入射的子午光线，不论其入射角入射角入射角入射角 inininin是否相等，它们都能在抛物渐变光纤内同时汇是否相等，它们都能在抛物渐变光纤内同时汇是否相等，它们都能在抛物渐变光纤内同时汇是否相等，它们都能在抛物渐变光纤内同时汇聚于轴心线上的同一点。聚于轴心线上的同一点。聚于轴心线上的同一点。聚于轴心线上的同一点。模间最大时延差模间最大时延差 M的粗略估算的粗略估算 阶跃光纤阶跃光纤渐变光纤渐变光纤 rm=0和rm=a的光线时延差为 模间色散带宽计算公式模间色散带宽计算公式 M 3dB （ns）(2-46a)B BM 441/441/M（MHz）(2-46b)（2）模内色散）模内色散 定义定义 同一个导波模式的不同光波长之间的色散，称为模内色散或色度色散。产生原因产生原因 光源光谱不纯;光纤石英材料的折射率不是一个常数，而是随光波长的增大而减小;波导结构与折射率分布等参量有关，使得不同路径光线之间的速度差是一个随传输路径变化的复杂函数。这三方面原因导致同一个导波模式的不同波长光线之间产生时延差，引起光脉冲展宽。(a)材料色散材料色散 光源光谱不纯以及光纤石英材料的折射率随波长而变化这两个原因，所产生的模内色散称为材料色散。材料色散可以在单模和多模光纤中存在。材料色散时延差为 n(L)=Dn()L103 （ns）(2-47a)材料色散带宽则为(2-48)(b)波导色散波导色散 光源光谱不纯以及波导结构的影响，所产生的模内色散称为波导色散。波导色散在单模光纤和多模光纤中都能够存在，但在多模光纤中其影响很小，通常可以略去。波导色散时延差可写为 w(L)=Dw()L103 （ns）(2-49a)波导色散带宽则为(2-50)模内总的色散模内总的色散 模内总色散时延差为 I(L)=n(L)+w(L)=DI()L103（ns）(2-51)DI()=Dn()+Dw()(2-52)模内总色散带宽则为(2-53)（3 3）光纤总的色散公式）光纤总的色散公式 光纤总的色散时延差为 光纤总的色散带宽为(2-54)(2-55)3带宽与光纤长度的关系带宽与光纤长度的关系（1 1）模内色散）模内色散 L km长光纤的模内色散带宽与光纤长度L的关系为 BI(L)=BI(1)/L (2-57a)式中，BI(1)=441/I(1)（MHzkm）(2-57b)（2）模间色散）模间色散 M(L)=M(1)L （1）(2-58)BM(L)=BM(1)/L （1）(2-59a)4光纤总带宽的实测公式光纤总带宽的实测公式 总的色散时间展宽测量公式为 总的色散时间展宽测量公式为（2-61）(2-62)2.3.5 2.3.5 模场直径模场直径1基本概念基本概念 表示基模光斑光强的集中程度。基模光斑的特点是中间亮、四周渐暗，没有明显的边界，其近场光强近似为高斯分布。模场直径dm的最基本定义为 dm=2r0 (2-70b)dm的物理意义：表示单模光纤近场光强P(r)从最大值P(0)下降到P(0)/e时所对应的光斑直径大小。模场直径dm与纤芯直径2a的近似关系是 dm/(2a)0.65+1.619V 1.5+2.879V 6(2-71)dm/(2a)称为归一化模场直径。2模场直径与接头损耗的关系模场直径与接头损耗的关系（1）两根光纤对准连接（2）两根光纤未对准连接2.4 2.4 光纤连接方式光纤连接方式1基本概念 光纤连接有两种方式，一种是永久性连接，另一种是非永久性连接。2光纤连接器2.5 2.5 光纤在通信领域中的应用光纤在通信领域中的应用2.5.1 目前通信中常用的光纤目前通信中常用的光纤 1ITU-T G.651光纤（国标A1型多模光纤）2G.652光纤（国标B1型常规单模光纤）3G.653光纤（国标B3型单模光纤）4G.654光纤（国标B2型单模光纤）5G.655光纤（国标B4型单模光纤）2.5.2 光纤（光缆）应用概况光纤（光缆）应用概况 1核心网光缆 2接入网光缆 3室内光缆 4电力线路中的通信光缆 5汽车用光缆第2章完