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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 光纤传输理论及传输特性1 光纤与光缆的结构和类型n
2、60年代，光纤损耗超过1000dB/kmn1970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
3、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
4、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 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
5、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。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
6、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0.10.20.30.40.50.6衰减衰减 (dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长(nm)(nm)20100-10-20色散色散( (ps/nm.kmps/nm.km) )G.65317ps/nm.kmG.652传输光纤的改进（传输光纤的改进（2 2） ：G.655G.655非零色
7、散位移光纤非零色散位移光纤17ps/nm.kmEDFAEDFA 频带频带0.10.20.30.40.50.6衰减衰减 (dB/km)(dB/km)1600170014001300120015001100波长波长(nm)(nm)20100-10-20色散色散( (ps/nm.kmps/nm.km) )G.653G.652G.655G.6551.3 光缆的制作n用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒 （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
8、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
9、 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。 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
10、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
11、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
12、，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 in n1 1 n n2 2n 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
13、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 。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
14、 path)corecorecladdingcladding1. 阶跃光纤 c c i in n1 1 n n2 2n 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: :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 n1 1=1.5=1.5，n n2 2=1.0(=1.0(空气空气) )， =0.33=0.33很大，很大，BL0。如果w1)由HEm+1n和EHm-1n组成，包含4重
15、简并。 若干低阶模式和相应的u值范围列于表2.2，图2.9示出四个低阶模式的电磁场矢量结构图电磁场矢量结构图。 LP01 HE11LP11 HE21 TM01 TE01LP02 HE12LP12 HE22 TM02 TE02LP03 HE13LP13 HE23 TM03 TE0302.4052.4053.8323.8325.5205.5207.0167.0168.6548.65410.173低阶模式U(Vc)值范围表2.2 低阶（v=0和v=1）模式和相应的u值范围四个低阶模式的电磁场矢量结构图 3. 单模光纤的模式特性单模条件和截止波长单模条件和截止波长 从图2.8和表2.2可以看到，传输模
16、式 数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止模式截止， 模式数目模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当Vc时，是单模传输 ，这个临界波长c称为截止波长截止波长。由此得到(2.62)光纤传输的波动理论的主要 概念和结论小结n模式的概念与线偏振模n归一化频率n模截止频率与导模的传输条件n单模传输的条件1、模式的概念与线偏振模n波动方程的一个“特解”，表示电磁场的一种稳定存在形 式，用电力线或磁力线将此形式描绘出来便是一种特定 图案。这种电磁场分布的特定图案或称“场型”，被称为 “模式”n在均匀介质传播的光波可以认为是平面波，其电场和磁 场的方向与光的传播方向垂直，而且是正交的两个分量 ，即横电磁波(TEM)。当光在由几种媒介组成的非均匀 介质中传播时
