光技术与光纤通信

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1、光技术与光纤通信第二章 光纤与光缆光纤 通信光纤 通信光技术与光纤通信 第一章 概述第二章 光纤与光缆第三章 通信用光器件第四章 光纤通信系统第五章 光纤通信中的高新技术光纤 通信第二章 光纤与光缆 2.1 光纤的构造与分类 2.2 光纤传光原理 2.3 光纤的特性（性能） 2.4 光缆 2.5 光纤特性的测量方法光纤 通信2.1 光纤的构造与分类一、光纤的构造二、光纤的分类三、常用光纤四、光纤型号的命名方法五、光纤制作方法简介六、光纤的选用原则和推荐方案光纤 通信一、光纤的构造1、纤芯，光信号的传输 2、包层，限制光信号溢出 3、一次涂敷层（预涂层），保护光纤增加韧性 4、缓冲层，减少对光纤

2、的压 力 5、二次涂敷层（套塑层），加强光纤的机械强度光纤 通信1、纤芯：位于光纤中心部位，主要成分是高纯 度的SiO2,纯度可达99.99999%，其余成份为掺 入极少量掺杂剂，如P2O5和GeO2，掺杂剂的作 用是提高纤芯的折射率。纤芯直径一般为2a3 100m2、包层层：含有少量掺杂剂掺杂剂 的高纯纯度SiO2,掺杂 剂有氟或硼，其作用是降低包层折射率，包层 直径2b125140m3、一次涂层层：厚度540m，材料一般为环为环 氧树树脂或硅橡胶，可承受7kg拉力4、缓缓冲层层：厚度100m5、二次涂敷层层：原料大都采用尼龙龙或聚乙烯烯1层层2层层光纤纤 345层层护层护层 5层层大约约0

3、.9mm左右光纤 通信光纤 通信二、光纤的分类11、从原材料分：石英系光纤多组份玻璃光纤氟化物光纤塑料光纤液芯光纤掺杂光纤，如掺铒光纤由于石英系光纤具有传输衰减小， 通信频带宽，机械强度较高等特点， 在通信系统中得到广泛应用。光纤 通信材料对性能的影响按原材料 划分所用原材料举 例可制成光纤按 其它方法归类特点衰 减强 度可靠 性价 格 石英光纤 SiO2和掺杂 剂阶跃单 模(SM) 阶跃多模(SI) 梯度多模(GI)低 高 高高多成份玻 璃光纤纳钙玻璃 硼硅酸盐玻璃阶跃多模(SI) 梯度多模(GI)较 低较 低存在 问题较 低塑包石英 光纤纤芯： SiO2 包层：塑料阶跃多模(SI)较 低较

4、 高存在 问题较 低全塑光纤 纤芯：聚甲基丙烯酸甲 酯 包层：氟代丙烯酸树酯SI高 低 有问 题低光纤 通信光纤分类22、按照光纤横截面上折射率分布特征 n(r) 分：阶跃型光纤，也称突变型光纤（常用SI 表示Step Index fibber）纤芯与包层的折射率均为一常数，其界 面处呈阶跃式变化。渐变型光纤，也称梯度光纤或自聚焦光 纤（常用GI表示Graded Index fibber ）纤芯折射率连续变化，包层的折射率 则为一常数。W型光纤 等光纤 通信ba0abba0abn(r)n(r)n1n1n2n2阶跃型光纤渐变型光纤n1 r a n1 1 - 2 ( r/a ) g 1/2 r a

5、 n2 a 2m短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超 长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧 化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等光纤 通信三、常用光纤1、阶跃多模光纤（SIF）2、梯度多模光纤（GIF）3、单模光纤（SMF）目前常用单模光纤有：G.652 、 G.653、 G.654、 G.655光纤 通信按照零色散波长将单模光纤分为6种非色散位移光纤：G.652色散位移光纤：G.653截止波长位移光纤： G.654非零色散位移光纤：G.655色散平坦光纤色散补偿光纤光纤 通信G.651，多模渐变型（GIF）光纤（或称梯 度光纤），它在光纤通信发展的初期广泛 应用于中小容量，中短距离的通信系统；G

6、.652 常规单模光纤，或称非色散位移光 纤，是第一代单模光纤，其特点是在波长 1310nm色散为零，系统的传输距离只受损 耗的限制，但1310nm处损耗不是最小值（ 0.4dB/km）。光纤工作在1550nm窗口衰减 小，且具有EDFA供选用，但其在1550nm 窗口色散大，不利于高速系统的长距离传 输。光纤 通信G.653 色散移位光纤，是第二代单模光纤 ，其特点是在波长1550nm色散为零，损耗 又最小。适用于大容量长距离通信系统。 但其在波分复用时会出现四波混频效应， 故其被限用于单信道高速传输。G.654 截止波长位移光纤，1550nm损耗最 小单模光纤，其特点是在波长1310nm处

7、色 散为零，在1550nm处色散为17 20ps/(nm.km)，和常规单模光纤相同，但 损耗更低，可达0.2dB/km以下。它主要是 一种用于1550nm改进的常规单模光纤。目 的是增加传输距离光纤 通信G.655 非零色散位移光纤，是一种改进的 色散移位光纤，在密集波分复用（WDM ）系统中，当使用波长1550nm色散为零的 色散移位光纤时，由于复用信道多，信道 间隔小，出现了一种称为四波混频的非线 性效应。这种效应是由两个或三个波长的 传输光混合而产生的有害分量，它使信道 间相互干扰。如果色散为零，四波混频的干扰十分严重 ，如果有微量色散，四波混频反而减小。 为此，科学家研究了非零色散光

8、纤。光纤 通信G.655光纤的特点是有效面积大，零色散波长不 在1550nm，而在1525nm或1585nm。在1550nm 有微量色散，其值大到足以抑制密集波分复用系 统的四波混频效应，小到允许信道传输速率达到 10Gb/s以上。它具有常规单模光纤和色散移位光 纤的优点，是最新一代的单模光纤。光纤工作在 1550nm窗口衰减小、色散低，大大减小四波混 频效应，故其可用于远距离、波分复用、孤子传 输高速系统中，实现超大容量超长距离的通信。康宁(Corning)公司开发的这种新型光纤称为长 距离系统光纤(Long Haul System Fiber)； AT对抛物型光纤，g2，Vc=3.533;

9、对三角型光纤，g1，Vc=4.739;光纤 通信例:若想在目前的多模光纤中实现单模 传输，应选用怎样的光波长？也就是说，如果有波长为14m或更长 的实用光源，且光纤在此波长下损耗 低，则目前通用的多模光纤就可以作 为单模光纤使用。光纤 通信5、单模光纤的模场直径(MFD)由于多模光纤传输的光能并不是 完全集中于纤芯之中，而是有相 当部分在包层中传输，所以很难 用纤芯的几何参数进行描述。为 了便于研究，在单模光纤中引入 了模场直径这一参数来表征导光 区域的大小。它是取代光纤芯径 的参数。光纤 通信模场直径(MFD)定义定义:若单模光纤中的光强呈高斯分布，则 将光波场强幅度下降到1/e 时的各点所

10、连成 的圆周直径定义为MFD（常用20表示）若光强不呈高斯分布，则按下式定义：式中F2(q)为主模的远场强度分布，q=Sin/， 为 远场角， 为波长，具体应用可参看ITU-T的相关 建议。(远场：距离光纤端面20mm以上的区域)光纤 通信ITUT规定，在1.31 m波段上，模 场直径的标称值应当在910 m范围 内，容差为1 m。模场直径表征着光场在纤芯的分布情 况，并且与纤芯半径和归一化频率V 值有关，见右图。模场半径与纤芯半径的关系为(见后图) /a2 3 4 5 V1 0.8 0.6 0.4 光纤 通信光纤 通信当两根光纤连接时，由模场直径 计算接续附加损耗公式为：1、当两纤芯轴对得很

11、准，但两光 纤模场直径分别为1和 2，则2、当两根光纤模场直径相当，但两纤 芯未对准，有横向偏移d，则：光纤 通信双折射和偏振保持光纤偏振是单模光纤所特有且很重要的问题。多模光纤传输 几百甚至上千个模式。各模的偏振尽管沿途变化和旋转 ，但除了在终端可能产生模式噪声外，对其他性能没有 影响，故不必专门考虑偏振问题。但对单模光纤，偏振 却极为重要。这不仅因为当单模光纤的模内色散为零时 ，偏振色散将成为色散的极限，而且还因为偏振对相干 光通信的实现，对集成光路和单模传感器的制作等都有 重要影响和应用。1、偏振现象（光纤的双折射特性）前面讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想的 圆对称折射率分布，

12、而且沿光纤轴向不发生变化。因此 HE11(LP01)模的x-偏振模HEx11(Ey=0)和y-偏振模 HEy11(Ex=0)具有相同的传输常数(x=y)，两个偏振模 完全简并。光纤 通信但实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀 ，必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模 具有不同的传输常数(xy)，形成相位差 ，简 并被破坏。这种现象称为单模光纤中的双折射现 象。2、单模光纤中双折射的种类极化：随着时间的变化，电场或磁场的空间方位 如何变化？一般把电场的空间方位作为波的极化 方向，在研究光波传输时，常用偏振来表示。 光矢量的空间方位称为光的偏振。一般分为三种 类型的偏振光： 线偏振光：光矢量

13、的端点描绘出的图形是一条直线； 圆偏振光：如果电场的水平分量与垂直分量振幅相等 ，相位相差/2，则光矢量的大小不变，而方向绕传 输方向旋转，矢量端点的轨迹是一个圆；光纤 通信椭圆偏振光：如果电场强度的两个分量，空间方位互 相垂直，振幅和相位都不等时，随着时间t的变化合成 矢量的轨迹是一个椭圆；对应以上三种偏振光，单模光纤中的双折射也有 三种：线双折射：线偏振光在两个正交的方向上，如果有不 同的折射率，因而有不同的相位常数的双折射；圆双折射：在传输媒质中，当左旋偏振波与右旋偏振 波有不同的折射率时，从而使其有不同的相位常数椭圆双折射：当线双折射与圆双折射同时存在时光纤 通信光纤 通信光纤 通信光

14、纤 通信光纤 通信光纤 通信3、单模光纤偏振态的几个物理量(3)拍长：在纵向均匀的单模光纤中，当两个正 交偏振模的相位差达到2时时，光在光纤纤中所传传 输输的距离L就称为为一个拍长长Lb。(1)模式双折射或偏振双折射 我们把两个偏振模传输常数的差(xy)定义为 双折射，通常用归归一化双折射B来表示其中光在自由空间中的波长； nx、ny_两正交偏振模HE11x、HE11y的有效折射率 (2)归一化双折射B光纤 通信光纤 通信光纤 通信各种由 内应力 产生线 双折射 的结构光纤 通信4、稳定偏振态的途径和方法存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容 量。许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小

15、或消除双 折射。一般单模光纤B值虽然不大，但是通过光纤制造技 术来消除它却十分困难。方法：合理的解决方法是通过光纤设计，人为引入强双 折射，把B值增加到足以使偏振态保持不变，或只保存一 个偏振模式，实现单模单偏振传输。强双折射光纤和单模单偏振光纤为偏振保持光纤。获得偏振保持光纤的方法很多，例如引入形状各向异性 的椭圆芯光纤。制作低双折射率的光纤；制作高双折射率的光纤；制作单偏振光纤；波片法，保持或恢复光纤输入、输出端偏振方向一 致光纤 通信2.3 光纤的特性（性能）光学性能：几何尺寸、 NA、 LAN、20、剖面折射率分布传输性能损耗（衰减）色散串扰机械性能稳定性能光纤 通信传输性能 一、损耗（衰减）性能光纤是一种传输媒质，光波在其中 传播单位距离就有相当一部份能量 被吸收或散射。传播波的振幅衰减 主要是由于过渡金属离子和以氢氧 根形式出现的水吸收引起的。光纤衰减以衰减系数来衡量，它是度 量光能在光纤中传输损失的参数。光纤 通信光在光纤中传播时，平均光功率沿光 纤长度按照指数规律减少。即 P(L)=P(0) e (-L/10)P(0)L=0处注入光纤的光功率P(L) 传输到轴向距离L处的光功率定义：单位长度光纤引起的光功率 衰减。当长度为L时，P Pinin输入