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1、主讲：成纯富,湖北工业大学理学院光信教研室,光纤通信系统,2,第二章 光纤传输理论及传输特性,2.1 光纤、光缆的结构和类型2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程2.3 阶跃折射率光纤模式分析2.4 单模传输2.5 射线光学理论2.6 光纤传输特性,3,2.1 光纤、光缆的结构和类型,包层直径都是一致的,涂覆层的主要作用是为光纤提供保护,纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体,图2-1 通信光纤及其基本结构,一、 光纤的结构,一次涂覆层: 一般使用丙烯酸醋、有机硅或硅橡胶材料; 二次涂覆层: 一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物,4,2、按照传输模式的多少来划分,单模光纤光纤中只传输一种
2、模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为410m。适用于大容量、长距离的光纤通信 多模光纤在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。多模光纤的纤芯直径约为50m,5,图 2.3 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,6,、石英系光纤（通信用光纤） 、石英芯、塑料包层光纤 、塑料光纤 、氟化物光纤4、特种光纤（按功能分）、军事上用于制导的高强度光纤、传输高功率的传能光纤、掺稀土元素的有源光纤、光子晶体光纤,3、按照光纤的材料来划分,利用全反射导光,利用带隙效应导光,7
3、,8,图 2.3 典型特种单模光纤(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯,1、双包层光纤: 色散平坦光纤; 色散移位光纤2、三角芯光纤 非零色散移位光纤 3、椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤,特种单模光纤的类型,9,4、按ITU-T建议的光纤分类,1、 G.651光纤：渐变多模光纤，具有较大的芯径和数值孔径，在 1310nm处色散值最小（即带宽最大），在1550nm处衰减最低。 主要用于计算机局域网或接入网。2、G.652光纤：常规单模光纤，其零色散波长为1.31m，在1.55m处有最小损耗，是目前应用最广的光纤。3、G.653光纤：色散位移光纤，在1.55m处实现最低损耗与零
4、色散波长一致，现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类。但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰，特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。 4、G.654光纤：衰减最小光纤，在1.55m处具有极低损耗（大约0.18dB/km）且弯曲性能。海底光缆，长距离通信用。5、G.655光纤：非零色散位移单模光纤，将光纤的零色散点移到1.55m 工作区以外的1.60m以后或在1.53m以前，但在1.55m处仍保持很低的色散，用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。,10,1、PCVD工艺（生产预制棒和光纤的四大工
5、艺之一） 工艺录像 一根洁净的石英管作为PCVD沉积的衬管，被固定在真空泵与气流控制器（MFC）之间。该装置可控制四氯化硅（SiCL4)、四氯化锗(GeCL4 ）、氟里昂气体（C2F6）与氧气充分精确地按预先设定的比例混合，并在特定的气压下注入衬管内。 往返移动的谐振腔包围着部分衬管，通过波导将数千瓦的微波能量耦合至气体混合物。微波能在石英管内产生出一个局部非等温、低压的等离子体、等离子体内气体相互作用，发生反应。此时，等离子体电子运动产生能量约6万摄氏度的高温，远远高于周围保温炉的温度。 四氯化硅与氧气发生反应后生产纯二氧化硅，四氯化锗与氧气发生类似反应后，产生可提高折射率的掺杂物质二氧化锗
6、。同时，氟里昂气体中的主要成分氟反应生成物降低了折射率。通过这种方法可灵活地改变光纤折射率，且沉积直接在透明的管壁上进行，无任何粉尘产生。 谐振腔的每次往返，气体的混合比例都可以改变直到多达数千层的沉积层，这样可得到极其精确的预制棒芯层以及光纤的折射率剖面曲线。由于所设计的任何折射率剖面均可在PCVD沉积车床上制成，因此一台PCVD沉积车床可以通用，适合生产任何型号的预制棒，不论多模或单模。 PCVD工艺的沉积效率极高，氟与二氧化硅的沉积率几乎可达100。因此，原材料可以得到高效率利用。,补充：光纤的制备,11,熔缩、套管、拉丝,2、熔缩：沉积后的下一步就是把沉积管熔缩成实心棒。由沿管子方向往
7、返移动的石墨电阻炉对不断旋转的管子加热至大约2200摄氏度，在表面张力的作用下，分阶段将沉积好的石英管熔缩成一根实心棒（预制棒）。 熔缩录像3、套管：为获得光纤芯层与包层材料的适当比例，将熔缩后的石英棒套入一根截面积经过精心挑选的管子中，这样装配后即可进行拉丝。4、拉丝：套管被安装在拉丝塔的顶部，下端缓缓置入约2100摄氏度的炉中。此端熔化后被拉成所需包层直径的光纤（通常为125m）。并进行在线双层涂覆和紫外固化。5、光纤测试：拉出后的光纤要经过各种测试，以确定光纤的几何、光学和机械性能。,12,光缆的结构和类型,8字型自承式光缆,室外多模12芯光缆,室外单模光缆,铠装光缆,长飞，烽火，富通，
8、万通光缆等,13,1、光缆：将经过一次涂覆和二次涂覆的光纤和其他元件组合起来构成的组合体。,一、常用的光缆结构,2、结构（缆芯、加强元件、护层）、缆芯：由二次涂覆处理后的光纤组成。、缆芯结构（紧套结构和松套结构）,a、紧套结构：光纤与套管之间有一个缓冲层。b、松套结构：将一次涂覆后的光纤放在一个管子中，管中填充油膏。,14,一、光缆的基本结构,、加强元件、护层（内护层和外护层），其作用是进一步 保护光纤,使光纤能适应各种场地敷设。,护层必须防潮放水的原因： 水进入光缆后，会在光纤中产生OH吸收损耗，使信道总哀 减增大，甚至使通信中断； 水和潮气进入光缆后，使光纤材料的原子结构产生缺陷， 导致光
9、纤的抗拉强度降低；同时会造成光缆中金属构件的 腐蚀现象，导致光缆强度降低； 水和潮气进入光缆后，遇到低温时，水结冰后体积增大， 可能压坏光纤。,15,二、 光缆的种类与结构,2、光缆结构,、层胶式光缆：将若干根光纤芯线以加强元件为中心胶合在一起的一种结构。、骨架式光缆：将单根或多根光纤放入骨架的螺旋槽内的一种结构。、束管式光缆：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。、带状式光缆：将412根光纤芯线排成行，构成带状光纤单元，再将多个带状单元按一定方式排列成缆。,1、种类：长途光缆、海底光缆、用户光缆、局内光缆。,16,2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程,17,射线光
10、学理论,当光波长趋于0而可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为射线光学。,射线光学是忽略波长的光学，亦即射线理论是0时的波动理论。,在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何光学。,光纤芯径远大于入射激光波长时，可以近似认为0，从而将光波近似看成由一根根光线组成。,18,光的反射和折射,第1种媒质（n1）,分界面,第2种媒质（n2）n1n2,法线,反射定律：入射角入反射角反,折射定律：n1sin入n2sin折,入,反,折,入射光线,折射光线,反射光线,斯涅尔（Snell）定律,19,光的全反射现象,第1种媒质（n1）,分界面,第2种媒质（n2）n1n2,法线,折射光线,反射光线
11、,入射光线,全反射定律： 当入射角度增大到某一角度时，折射角可以获得最大值90，此时可认为无折射光存在，所有的入射光都被反射，称为全反射现象，满足全反射现象的最小角度称为全反射的临界角全。,全,20,第四节 阶跃型光纤,1、射线种类、子午光线：经过光纤轴线的光线， 且在一个平面内（子午面）。、斜光线：不经过光纤轴线的光 线，且不在一个平面内。,子午光线,. 光纤的传光原理,21,子午射线的分析,1.子午光线（交轴光线）在阶跃型光纤中的传播,光线：,折射角,在纤芯和包层的分界面：,部分光线折射进包层而损耗掉，部分光线反射回纤芯，很快消失。,光线：芯包交界面处折射光线沿界面向前传播，发生全反射。
12、光线：在芯包界面发生全反射而返回纤芯， 并以折线的形状向前传播。,光线在阶跃型光纤中的传播示意图,22,数值孔径,1、导波条件：,2、入射角条件：,3、数值孔径：,物理意义：表示光纤捕捉光线的能力。数值孔径越大，就表示光纤捕捉光线的能力就越强。,4、相对折射指数差：,弱导光纤,23,色散 时延差,时 延,时延差,色散导致脉冲展宽，从而使信号产生畸变，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际应用，选择合适的NA.,带 宽,24,渐变型光纤中的子午光线,. 渐变折射率光纤,1、渐变型光纤中的子午光线,、子午光线为曲线。、不同入射角的子午光线将 有不同的轨迹。,2、子午线的轨迹方程,子午光线的行进轨迹
13、,、将纤芯分成若干层折射率不同的介质,、折射定律：,、,、轨迹方程,25,模式色散,1、色散：信号光的不同频率成分（或不同模式）的群速度不同所造成的延迟现象，称为色散。 色散将引起信号畸变。,2、模式色散：不同的模式由于群速度不同导致在输出端产生时延，这种色散称为模式色散。 展宽现象,3、选择合适的折射率分布，可以减少模式色散。 渐变型光纤,4、光纤的自聚焦：渐 变型光纤中的不同 射线，具有相同的 轴向速度的现象。 在相同的时间内走 过相同的轴向距离。,26,、阶跃型：,1、自聚焦的前提条件：、输入纤芯的光功率，对各个模式 是均匀激励的。、光的中心波长不变。、各个模式在 光纤中的传输损耗是相同
14、的。,、平方律型：,渐变型光纤的最佳折射指数分布,2、研究表明：使光纤产生自聚焦时的折射率分布为最佳折射率分布,3、光纤折射率分布表达式, 、渐变型：,、双曲正割型：,结论：、严格来讲，只有折射率按双曲正割型分布的光纤，才可使光纤 中的子午光线产生自聚焦。即双曲正割型为最佳折射率分布。、平方率型接近最佳折射率分布，所以也认为平方率型也可以产生自聚焦,27,多模渐变型光纤中的模式数（WKBJ法）,平方律型光纤中的总模数量为：,阶跃型光纤中的总模数量为：,归一化频率：,导模总数：,结论：光纤的芯径a越大，相对折射率越大，工作频率越 高，光纤中传输的模式就越多。 渐变型光纤可以减少模式色散。,28,
15、渐变型光纤的本地数值孔径,1、阶跃光纤的数值孔径：,2、渐变型光纤的本地数值孔径：,结论：、渐变型光纤的本地数值孔径，与该点的折射指数n(r)有关。 、当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。 轴线处捕捉光线的能力最强。,1.已知阶跃折射率光纤中n1=1.52，n2=1.49。a.光纤浸没在水中(n0=1.33)，求光从水中入射到光纤输入端面的光纤最大接收角；b.光纤放置在空气中，求数值孔径。,13.06即光从水中入射到光纤输入端面的光纤最大接收角为13.06。b.光纤放置在空气中，则n0=1 NA=,习题选讲,29,一阶跃折射率光纤，纤芯折射率n1=1.5，相对折射率差1%，工作波长为1310nm，试计算：若取芯径5 m，求其数值孔径及其模式数。,30,. 麦克斯韦方程组和波动方程,麦克斯韦方程方程组,式中 E电场强度矢量，单位是v/m。 H磁场强度矢量，单位是A/m。 B磁感应强度矢量，单位是wb/m2。 D电位移矢量；单位是c/m2。 J电流密度矢量，单位是A/m2。 电荷密度，单位是c/m；。 对于光纤而言，J=0, 即为无源情况,
