光纤传输原理及传输特性光纤通信技术第二章

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1、光纤传输原理及传输特性 光纤通信技术第二章 光源 调制器调制器 驱动电路驱动电路 放大器 光电二 极管 判决器 光纤光纤 光纤光纤 中继器中继器 光光 纤纤 n光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。 n但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗 和色散，当信号强度较高时还存在非线性。 n？在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输 特性、传输能力究竟如何？本章讨论的要点 。 引言 1 光纤与光缆的结构和类型 2 光纤的传输原理 3 光纤传输特性 第二章 光纤传输理论

2、及传输特性 1 光纤与光缆的结构和类型 n60年代，光纤损耗超过1000dB/km n1970年出现突破，光纤损耗降低到约 20dB/km (1m附近波长区) n1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km (在 1.55 m处) 低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的 革命，开创了光纤通信的时代。 1.1 光纤的结构 n光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。 n光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层 Clad)涂覆层 n特点：ncorenclad 光在芯和包层之间的界面上反复 进行全反射，并在光纤中传递下去。 芯芯 包层包层 树脂被覆层树脂被覆层 近四十年的努力近四

3、十年的努力 寻找合适的光纤，实用化的光损耗为寻找合适的光纤，实用化的光损耗为20dB/km20dB/km (99.5%/m)(99.5%/m)；6060年代研究，年代研究，7070年代突破，年代突破，20002000年年 0.2dB/km (99.995%/m)0.2dB/km (99.995%/m); ;新的实用化光纤不断涌现新的实用化光纤不断涌现 1.2 光纤型号 nITU-T规定的光纤型号： nG.651 多模光纤 nG.652 常规单模光纤 nG.653 色散位移光纤 nG.654 波长1550nm处损耗最低光纤 nG.655 非零色散位移光纤 1.2 光纤类型 光纤种类很多，这里只讨

4、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） 相对于单模光纤单模光纤而言，突变型光纤突变型光纤和渐变型光纤渐变型光纤的纤芯 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 图 2.3典型特种单模光纤 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 特种单模光纤

5、最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构 和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。 双包层光纤双包层光纤 色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF） 色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF） 三角芯光纤三角芯光纤 椭圆芯光纤椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。 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。

6、 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。 突破色散限制突破色散限制 传输光纤的改进（传输光纤的改进（1 1） ：G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤 EDFAEDFA 频带频带 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 衰减衰减 (dB/km)(dB/km) 1600170014001300120015001100 波长波长(nm)(nm) 20 10 0 -10 -20 色散色散

7、( (ps/nm.kmps/nm.km) ) G.653 17ps/nm.km G.652 传输光纤的改进（传输光纤的改进（2 2） ： G.655G.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤 17ps/nm.km EDFAEDFA 频带频带 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 衰减衰减 (dB/km)(dB/km) 1600170014001300120015001100 波长波长(nm)(nm) 20 10 0 -10 -20 色散色散( (ps/nm.kmps/nm.km) ) G.653 G.652 G.655G.655 1.3 光缆的制作 n用气相沉积法制作具有所需折射率分

8、布的预制棒 （典型预制棒长1m,直径2cm） n使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉 中加热 n成缆-光缆 n预制棒制作技术 改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气 相沉积法（PCVD）、棒外气相沉积法（OVD）和轴向气 相沉积法（VAD） 制造光纤预制棒制造光纤预制棒 的的MCVDMCVD流程示意图流程示意图 光纤拉丝装置示意图光纤拉丝装置示意图 1 光缆基本要求 保护光纤固有机械强度的方法，通常是采用塑料被覆塑料被覆和应力应力 筛选筛选。 光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料进行一次被覆软塑料进行一次被覆和应应 力筛选力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆硬

9、塑料进行二次被覆。 二次被覆光纤有紧套紧套、松套松套、大套管大套管和带状线带状线光纤四种，见 图 应力筛选应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。 二次被覆光纤(芯线)简图 (a) 紧套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 带状线 光缆结构和类型 光缆一般由缆芯缆芯和护套护套两部分组成，有时在护套外面加有 铠装。 1. 缆芯缆芯 缆芯通常包括被覆光纤被覆光纤(或称芯线)和加强件加强件两部分。 被覆光纤被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。 加强件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。 光缆 的基本型式 层绞式层绞式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成

10、。 骨架式骨架式 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。 2. 护套 护套护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良 好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。 护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构 成。 根据使用条件光缆光缆可以分为： 室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆室内光缆、架空光缆、埋地光

11、缆和管道光缆等。 特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆架空地线复合光缆 (OPGW)， 跨越海洋的海底光缆海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光阻燃光 缆缆以及各种不同条件下使用的军用光缆军用光缆等。 光缆特性 拉力特性拉力特性 压力特性压力特性 弯曲特性弯曲特性 温度特性温度特性 1.4 其他光纤 n聚合物(塑料)光纤(POF)：用于用户接入 。 n尽管塑料光纤与玻璃光纤相比有更大的信 号衰减，但 n韧性好，更为耐用 n直径大1020倍，连接时允许一定的差错， 而不致牺牲耦合效率 n廉价的塑料注入成形技术，可用于制造光连接 器、光分路器和收发设备。 n2.光纤传输原理 2.1 光纤的射

12、线光学传输理论 n光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的 工艺拉制而成。 n光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层 Clad)涂覆层 n特点：ncorenclad 光在芯和包层之间的界面上反复 进行全反射，并在光纤中传递下去。 芯芯 包层包层 树脂被覆层树脂被覆层 根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为： 不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同 - -数值孔径数值孔径(NA)(NA) 相对折射率差相对折射率差 n0n0、n1n1、n2-n2-分别是空气、纤芯、包层折射率，分别是空气、纤芯、包层折射率， c-c-芯包

13、界面全反射临界角芯包界面全反射临界角 代表光纤接收光的本领代表光纤接收光的本领 （示意图，比例不符）（示意图，比例不符） c c i i n n1 1 n n2 2 n n0 0 (n1略大于n2) 1.阶跃光纤 1. 以以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途 径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传 播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了 时间上的分散，导致脉冲严重展宽。时间上的分散，导致脉冲严重展宽。 模间色散模间色散 所有大于 临界角C的 光线都被限 制在纤芯内 。

14、1. 阶跃光纤 High-order Mode (Longer path)High-order Mode (Longer path) Low-order Mode (shorter path)Low-order Mode (shorter path) Axial Mode (shortest path)Axial Mode (shortest path) corecore claddingcladding 1. 阶跃光纤 c c i i n n1 1 n n2 2 n n0 0 经历最短和最长路径的两束光线间的时差经历最短和最长路径的两束光线间的时差: : - -传输容量限制传输容量限制: :

15、 B-B-信号比特率信号比特率 （最大时延要小于比特脉冲间隔） 1. 阶跃光纤 - -传输容量限制传输容量限制: : 下降，下降，BLBL上升。上升。 对于无包层的特殊光纤，对于无包层的特殊光纤，n n 1 1 =1.5=1.5，n n 2 2 =1.0(=1.0(空气空气) )， =0.33=0.33很大，很大，BL Vc ，V大于某一模式的归一 化频率Vc，则该模式便在光纤中导行； 截止条件：V D D 反常色散区 反常色散区 2 2 00兰快红慢兰快红慢 光脉冲的较高的频率分量光脉冲的较高的频率分量 （兰移）比较低的频率分（兰移）比较低的频率分 量（红移）传输得快量（红移）传输得快 零色

16、散零色散 波长波长 DD n波导色散DW对D(2)的影响依赖于光纤设计参数，如纤芯 半径和芯包层折射率差。根据光纤的这种特性，可改 变光纤的色散情况，进行色散位移。 色散位移色散位移 G.655G.655非零色散位移光纤非零色散位移光纤 17ps/nm.km EDFAEDFA 频带频带 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 衰减衰减 (dB/km)(dB/km) 1600170014001300120015001100 波长波长(nm)(nm) 20 10 0 -10 -20 色散色散( (ps/nm.kmps/nm.km) ) G.653 G.652 G.655G.655 G.653G.653色散位移光纤色散位移光纤 EDFAEDFA 频带频带 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 衰减