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1、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 返回主目录 预备知识 1、均匀平面波在两理想介质交界面的反射和折射 介质n2光疏 介质n1光密 n法线方向 折射率n1n2 13 2 （1）反射定律 1 = 3 入射角等于反射角 （2）折射定律 （3）全反射 当 时 如果再增大入射角，便只有反射光线 ，没有折射光线，称为全反射现象。 2、dB与dBm的定义 （1）dB（分贝）描述功率的相对值 在设计和铺设光纤线路时，为了把信号功率与某个功率绝 对值或某个噪声进行比较，定义了dB。 功率比值10N10210.50.
2、110-N dB10N1030-3-10-10N （2）dBm描述功率的绝对值 光纤通信中描述功率绝对值的最常用单位是dBm,以1 mv 为基准，定义为： 功率(mw)10010210.50.10.01 dBm201030-3-10-20 第 2 章 光 纤 和 光 缆 2.1光纤结构和类型 2.1.1光纤结构 光纤（Optical Fiber）： 纤芯：光能量传输的通道。 包层：为光的传输提供反射面和光隔离以及机械保护作用 。 设折射率，纤芯为n1；包层为n2,则光能量在光纤中传输 的必要条件是n1n2。 图2.1 光纤的外型 n1n2 2.1.2光纤类型 按折射率分布可以分为以下三种： （
3、1）突变型多模光纤（StepIndex Fiber, SIF） 纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤 一般纤芯直径2a=5080 m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线 方向传播，特点是信号畸变大。带宽只有1020 MHzkm，一 般用于小容量（8 Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。 横截面 2a 2b r n 折射率分布 纤芯包层 Ai t Ao t 输入脉冲光线传播路径输出脉冲 （2） 渐变型多模光纤（GradedIndex Fiber, GIF） 在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变 小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50m ，光线以正弦形状沿
4、纤芯中心轴线方向传播，特点是信 号畸变小。渐变型多模光纤的带宽可达12 GHzkm， 适用于中等容量（34140 Mb/s）中等距离（1020 km ）系统。 横截面折射率分布输入脉冲光线传播路径输出脉冲 50 mm 125mm r n Ai t Ao t （3）单模光纤（SingleMode Fiber, SMF） 折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有810 m，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这 种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为 单模光纤，其信号畸变很小。大容量（565 Mb/s2.5 Gb/s）长距离(30 km以上)系统要用单模光纤。 横截面折射率分布输
5、入脉冲光线传播路径输出脉冲 10 mm125mm r n Ai t Ao t 根据常规单模光纤设计的特种单模光纤： （1）W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a与 纤芯直径2a的比值a/a2。适当选取纤芯、外包层和内包 层的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.31.6m之 间色散变化很小的色散光纤（DispersionFlattened Fiber, DFF），或把零色散波长移到1.55 m的色散移位光 纤（DispersionShifted Fiber, DSF）。色散平坦光纤适 用于波分复用系统。 2a 2a n1 n2 n3 （2）三角芯光纤 纤芯折射率分布呈三角形，
6、这是一种改进的色 散移位光纤。这种光纤在1.55 m有微量色散，有 效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长 距离系统使用，是一种非零色散光纤。 n2 n3 n(r) （3）椭圆芯光纤 纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折 射特性，即两个正交偏振模的传输常数不同。 强 双折射特性能使传输光保持其偏振状态，因而又称 为双折射光纤或偏振保持光纤。适用于外差接收方 式的相干光系统 n1 n2 按光纤的材料分： （1）石英系光纤 （2）石英芯，塑料包层光纤 （3）多成分玻璃纤维 （4）塑料光纤 公司名称1998 年 1999 年 2000 年 2001 年 1998年2001年中国光纤生产企业
7、生产 概况（单位为万公里） 武汉长飞 90180200410 制棒能力于2001年底达到千万 公里，是国内仅有这一家可以 生产G.655光纤的厂家，具有大 规模生产多模和单模光纤的能 力。 上海朗讯 120170200240进口预制棒生产单模光纤 华新藤仓 104580120进口预制棒生产单模光纤 特发信息 6253540进口预制棒生产单模光纤 富通昭和 0155080进口预制棒生产单模光纤 成都中住 4103070进口预制棒生产单模光纤 南京特恩驰53020进口预制棒生产单模光纤 西古 3435少量制棒生产单模光纤 其他2020- 合计2334536031005自行研制预制棒拉丝能力约为46
8、% 2.2 光纤传输原理 描述光纤传输原理有两种方法： （1）几何光学射线法 几何光学的方法比较直观， 容易理解， 但不十分严格 。 （2）解波动方程法 比较抽象，数学推导和演算复杂。 2.2.1几何光学方法 分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此 得到数值孔径和时间延迟的概念。 1. 突变型多模光纤 (1)相对折射率指数差（纤芯和包层折射率分别为n1和n2） 定义： 所以有 ： 弱导波光纤中n1和n2相差很少，则 n1+n2 2 n1 （2）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n1和n2，空气的折射率n
9、0=1， 纤芯中心轴线与 z轴一致， 如图2.4。 o z 图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理 纤芯n1 包层n2 3 3y l L x 1 q1 q y1 2 2 yc 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 设=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2。 NA表示光纤接收和传输光的能力。 1）NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。 2）NA越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大 （3）时间延迟 现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。根据图2.4， 入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，
10、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. 渐变型多模光纤 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点 。 渐变型光纤折射率分布的普遍公式为 式中，n1和n2分别为纤芯中心和包层的折射率，r和a分别 为径向坐标和纤芯半径，=(n1-n2)/n1为相对折射率差，g为折 射率分布指数。 在g，(r/a)0的极限条件下，上式表示 突变型多模光纤的折射率分布。g=2，n(r)按平方律(抛物线)变 化，表示常规渐变型多模光纤折射率分布。具有这种分布的光 纤，不
11、同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展 宽减小。 n11-=n2 ra 0ra n(r)= （2.6 ） （1）局部数值孔径 由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各 点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值 孔径NAmax （2）射线方程的解 用几何光学方法分析渐变型多模光纤要求解射线方程， 射线方程一般形式为： 式中，为特定光线的位置矢量， s为从某一固定参考点起的 光线长度。选用圆柱坐标(r, ，z)，把渐变型多模光纤的子 午面(r - z)示于图2.5。 图 2.5 渐变型多模光纤的光线传播原理 如式(2.6)所示，一般光纤相对折射率差都很小，
12、光线和 中心轴线z的夹角也很小，即sin。由于折射率分布具 有圆对称性和沿轴线的均匀性，n与和z无关。在这些条件 下， 式(2.7)可简化为 解这个二阶微分方程， 得到光线的轨迹为： 把式(2.6)和g=2代入式(2.8)得到： r * = cos(Az) -An(0) sin(Az) cos(Az) r1 （2.13） （3）自聚焦效应 为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0, ri=0)，由式 (2.12)和式(2.13)得到 *=0cos(Az) 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
13、决于光纤的结构参数(a, )， 而与入射角0无关。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，这种现 象称为自聚焦(SelfFocusing)效应。 渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应 的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相 等。 这是因为 (1)光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速)，入射角大的光线经 历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传 播速度较快，补偿了较长的路程。 (2)入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢。 所以这些光线的时间延迟近似相等。 （4）时间延迟 如图2.5， 设在光线传播轨迹
14、上任意点(z, r)的速度为v(r)， 其径向分量： 那么光线从O点到P点的时间延迟为 突变型多模光纤的处理相似，取0=c(rm=a)和 0=0(rm=0)的时间延迟差为，由式(2.16)得到 设a=25m，n(0)=1.5, =0.01，由(2.17)计算 得到的0.03ps。 由图2.5可以得到n(0) cos0=n(r)cos=n(rm) cos0 ，又v(r)=c/n(r)，利用这些条件，再把式(2.6)代入， 式(2.15)就变成 2.2.2光纤传输的波动理论 虽然几何光学的方法对光线在光纤中的传播可以提供直观 的图像，但对光纤的传输特性只能提供近似的结果。光波是电 磁波，只有通过求
15、解由麦克斯韦方程组导出的波动方程分析电 磁场的分布(传输模式)的性质，才能更准确地获得光纤的传输 特性。 参考书：光纤通信原理 顾畹仪 李国瑞 北邮出版社 光纤通信 Gerd keiser 电子工业出版社 用波动理论研究光纤传输特性的方法和步骤： （1）由麦克斯韦方程组推出波动方程（亥姆霍兹方程） 。 （2）把波动方程在圆柱坐标系中展开，并用分离变量 法求 解波动方程。 （3）结合边界条件和波动方程的解，通过特征方程最 终求出传输常数，定出光纤中光波的传输模式。 式中，E和H分别为电场和磁场在直角坐标中的任一分量 ， c为光速。选用圆柱坐标(r, ，z)，使z轴与光纤中心轴 线一致， 如图2.6所示。将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得 到电场的z分量Ez的波动方程为 （1）波动方程和电磁场表达式 设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的 是角频率为的单色光，电磁场与时间t的关系为 exp(jt)，则标量波动方程为
