光通信技术第二章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.1 光纤结构和类型,2.1.1 光纤结构,2.1.2 光纤类型,2.2 光纤传输原理,2.2.1 几何光学方法,2.2.2 光纤传输的波动理论,2.3 光纤传输特性,2.3.1 光纤色散,2.3.2 光纤损耗,2.3.3 光纤标准和应用,2.4 光缆,2.4.1 光缆基本要求,2.4.2 光缆结构和类型,2.4.3 光缆特性,第 2 章 光纤和光缆,返回主目录,2.1 光纤结构和类型,2.1.1 光纤结构,光纤,（Optical Fiber）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，光能量主要在,纤芯,内传输。,使大部分的光被束缚在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。,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n,1,和n,2,，光能量在光纤中传输的必要条件是n,1,n,2,。,图2.1 光纤的外形,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,（SiO,2,）制成的光纤。,实用光纤主要有三种基本类型，,突变型多模光纤,（Step-Index Fiber,SIF）,渐变型多模光纤,（Graded-Index Fiber,GIF）,单模光纤,（Single-Mode Fiber,SMF）,相对于,单模光纤,而言，,突变型光纤,和,渐变型光纤,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,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,主要用途：,突变型多模光纤,只能用于小容量短距离系统。,渐变型多模光纤,适用于中等容量中等距离系统。,单模光纤,用在大容量长距离的系统。,特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平,1.55m色散移位光纤,实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。,色散平坦光纤,适用于波分复用系统，这种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，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。,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。,2.2 光纤传输原理,分析光纤传输原理的常用方法：,几何光学法,麦克斯韦波动方程法,2.2.1 几何光学方法,几何光学法分析问题的两个出发点,数值孔径,时间延迟,通过分析光束在光纤中传播的,空间分布,和,时间分布,几何光学法分析问题的两个角度,突变型多模光纤,渐变型多模光纤,图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理,1.突变型多模光纤,数值孔径,为简便起见，以,突变型多模光纤,的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。,设,纤芯,和,包层,折射率分别为n,1,和n,2,，空气的折射率n,0,=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。,光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n,0,n,2,)。,根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为,数值孔径,(Numerical Aperture,NA)。根据定义和,斯奈尔定律,NA=n,0,sinc=n,1,cosc ，n,1,sinc=n,2,sin90(2.2),n,0,=1，由式（2.2）经简单计算得到,式中=(n,1,-n,2,)/n,1,为,纤芯,与,包层,相对折射率差,。,NA表示光纤接收和传输光的能力,，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的,耦合效率,越高。,对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。,NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而,限制了信息传输容量,。,所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。,(2.3),时间延迟,根据图2.4，入射角为的光线在长度为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,最大入射角,(=c)和,最小入射角,(=0)的光线之间,时间延迟,差近似为,(2.4),(2.5),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。,图 2.5 渐变型多模光纤的光线传播原理,2.渐变型多模光纤,由此可见，,渐变型多模光纤,的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角,0,，其周期=2/A=2a/，取决于光纤的结构参数(a,)，而与入射角,0,无关。,自聚焦效应,为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(,z,=0,r,i,=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到,(2.14a),*=,0,cos(Az),(2.14b),这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，见图2.5和图2.2(b)，这种现象称为,自聚焦(Self-Focusing)效应,。,4.单模光纤的模式特性,单模条件和截止波长,单模传输条件,为,V=2.405 或,c,=,由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n,1,、n,2,和a确定)，存在一个,临界波长c,，当,c时，是单模传输，这个临界波长c称为,截止波长,。由此得到,(2.36),2.3 光纤传输特性,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：,损耗限制系统的传输距离,色散则限制系统的传输容量,2.3.1 光纤色散,1.色散、带宽和脉冲展宽,色散,(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的,时间延迟,不同而产生的一种物理效应。,色散的种类：,模式色散,：由于不同模式的时间延迟不同而产生的,材料色散,：由于光纤的折射率随波长而变化，不同成分的光时延不同而产生的,波导色散,：由于波导结构参数与波长有关二产生的,(2.61a),2.3.2 光纤损耗,损耗,的存在 光信号,幅度,减小 限制系统的,传输距离,。,在最一般的条件下，在光纤内传输的,光功率P,随,距离z,的变化，可以用下式表示,习惯上的单位用dB/km，由式(2.60)得到,损耗系数,P,o,=P,i,exp(-L)(2.60),设长度为L(km)的光纤，输入,光功率为P,i,，根据式(2.59)，,输出光功率,应为,式中，是,损耗系数,。,(2.59),1.损耗的机理,图2.15是,单模光纤,的损耗谱，图中示出各种机理产生的,损耗与波长,的关系，这些机理包括,吸收损耗,和,散射损耗,两部分。,吸收损耗,是由SiO,2,材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。,散射损耗,主要由材料微观密度不均匀引起的,瑞利(Rayleigh)散射,和由光纤,结构缺陷,(如气泡)引起的散射产生的。,瑞利散射损耗,是光纤的,固有损耗,，它决定着光纤损耗的最低理论极限。,图 2.15 单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理,2.3.3 光纤标准和应用,G.651多模渐变型(GIF)光纤,应用于中小容量、中短距离的通信系统。,G.652常规单模光纤,是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。,G.653色散移位光纤,是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。,G.654 1.55 m损耗最小的单模光纤,其特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55 m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。,色散补偿光纤,其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。,G.655非零色散光纤,是一种改进的色散移位光纤。,2.4 光缆,在实际工程应用中，需要把若干根光纤绞合成缆，在外面再加上保护套，以防止外界各种机械压力和施工过程中可能发生的损伤。光缆的结构取决于用途（可根据不同需要进行设计）。有些在光纤外加一层塑料外套，有些是使用钢质加强心之类的增强材料以保证光缆具有足够的机械强度。,2.4.2 光缆结构和类型,光缆一般由,缆芯,和,护套,两部分组成，有时在护套外面加有铠装。,1.,缆芯,缆芯通常包括,被覆光纤,(或称芯线)和,加强件,两部分。,被覆光纤,是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。,加强件,起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。,图 2.20光缆类型的典型实例,(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；,(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；,(c)12芯骨架式光缆(直埋)；,(d)648芯束管式光缆(直埋)；,(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；,(g)浅海光缆；,(h)架空地线复合光缆(OPGW),光缆 的基本型式,层绞式,把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。,骨架式,把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。,中心束管式,把一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。,带状式,把带状光纤单元放入大套管内，形成中心束管式结构，也可以把带状光纤单元放入骨架凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。,光缆的铺设,1.架空式,2.直埋式,3.预埋式,