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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