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1、第二章 光纤和光缆,本章内容： 2.1 光纤结构和类型 2.2 光纤的几何光学分析 2.3 光纤的波动光学分析 2.4 光纤的传输特性 2.5 光纤中的非线性光学效应 2.6 光缆及连接技术,2.1 光纤结构和类型,2.1.1 光纤结构,2.1.2光纤类型,图2-2 阶跃光纤和渐变光纤折射率分布,1. 按光纤横截面上折射率分布的情况来分类 : 阶跃折射率型光纤(简称阶跃光纤) 渐变折射率(也称梯度折射率)型光纤(简称渐变光纤或梯度光纤) 见下图,光纤中的传输模式数量分类多模光纤、单模光纤,图2-3 三种基本类型的光纤,式（2-1）：,2.2 光纤的几何光学分析,入射角=反射角 1 1,折射定律
2、,2.2.1 射线理论要点,SNELL 定律（反射定律+折射定律）,2.2.2 光在多模阶跃光纤中的传输,子午线 偏射线,2.2.2 光在多模阶跃光纤中的传输,NA表示了光纤接收光的能力,定义数字孔径NA,(2-3)式中设n0=1，真空折射率,因为n1和n2 相差很小，NA可近似表示,实际上越大， 也越大，模式色散增加,NA越大，光纤接收光的能力越强，即 应该越大。 实际上 很小，因为最短光线的耗时与最长光线的耗时差 ：,2.2.3光在多模渐变光纤中的传输,去2.4,可大大地降低模式色散,光在介质中的传播速度: v=c/n 子午线传播情况如图2-7所示。,2.3 光纤的波动光学分析,由麦克斯韦
3、方程组 +物质方程得出：,2.3.1波动方程,得出波动方程,简谐振荡场波动方程（Helmholtz）为： 2E+k2E=0 2H+k2H=0 （ 矢量Helmholtz ） 其中:k=nk0 k0=2/,在直角坐标系中，E、H的三个分量均满足： 2+k2 =0 或 +k2 =0 (标量Helmholtz ),几个近似条件： 线性响应，均匀各向同性：、为标量: =0、 =0（弱导） 无源、不导电：J=0 , =0 , = 0 简谐振荡场，/t= j 2/t2 =-2,2.3.2 光纤中的模式,上式代入Helmholtz方程，得（2-18）式：,其中Ez为：Ez=E0expj(t-z)，得（2-2
4、6）式：,上下两式分别表示纤芯和包层的电场分布，其中振幅分别由Jm和Km表示，见图2-8,将Helmholtz方程放到圆柱坐标系中求解：,其中上式中：,2.3.2 光纤中的模式（C1）,一个或b就是一个传输模式，从左图可以读出单模传输的条件,2.3.3 单模光纤的模式特性,该式取等号对应的= c为截止波长,c为单模传输,c为多模传输,单模时，只支持单一的基模HE11,双折射,光纤圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此，HE11（LP01）模的x-偏振模HE x11（Ey=0）和y-偏振模HE y 11（Ex=0）具有相同的传输常数（x=y），两个偏振模完全简并。 实际光纤难以避免的形
5、状不完善或应力不均匀，必然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）双折射。,双折射（C1）,存在双折射，会产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。为解决这个问题，将(2-32)式按高斯函数近似：,A为常数，w为模场半径，也叫做光斑尺寸，它可由下式得到： w/a0.65+1.1619V3/2+2.879V6 （2-36） 2w为高斯场分布的1/e宽度，也称为单模光纤的模场直径。,采用w可以表示光纤纤芯内所携带的功率与总功率之比，它可通过式（2-35）求得 ：,（2-35）,结合（2-35）式，求得 ： 当光纤的V=2时，有75%的光功率局限在纤芯内部传输； 当V1时，只有20
6、%， 故大多数光纤的V值都设计在22.4之间,2.4 光纤的传输特性,光纤的损耗谱线,损耗产生的主要原因,1. 吸收损耗包括： 纯石英材料引起的本征吸收损耗 由杂质引起的非本征吸收损耗 2. 掺杂剂导致附加的吸收损耗 3. 散射损耗：由瑞利散射形成OTDR 4. 米氏散射 ：芯径产生随机漂移 5. 光纤弯曲损耗a Movie 6. 微弯损耗：光纤的轴向扰动,2.4.1 光纤的损耗特性,2.4.2 光纤的色散特性,2. 多模光纤的色散特性,3. 单模光纤的色散,没有模式色散 只有材料色散和波导色散,“色散位移光纤” 可得DW在01.6m范围内都为负值 ， 而材料色散DM 为正值 D=DM+DW
7、可能为0，存在零色散波长 ZD 。 将ZD 移动到损耗也最小的1.55m波长附近 ，,模式色散、材料色散和波导色散均存在 模式色散占主要地位,去2.6,2.5 光纤中的非线性光学效应,2.5.1 受激光散射,光场很强 光子（hin）能量很大光纤介质“激发”产生所谓的喇曼散射（SRS-Stimulated Raman Scattering ）和布里渊散射（SBS-Stimulated Brillouin Scattering ） 散射光频率（s）降低形成一种损耗机制,在入射光功率较大时，由SRS和SBS产生的光损耗呈指数增长，定义在长度为L的光纤输出端有一半功率损失于受激喇曼散射的入射光功率为阈
8、值功率Pth,式中，gR为喇曼增益系数；Aeff为有效横截面积；Aeff=w2（w为模场半径） Leff为有效长度，其定义为 ：,为光纤的衰减系数，当光纤的长度L有足够长的情况下，Leff=1/，有效面积可表示为Aeff=w2（w为模场半径），则,按此公式计算，工作在1.55m波长的单模光纤的Pth大约为570mW， 而在光纤通信系统中发射光功率通常小于10mW，所以受激喇曼散射对光纤损耗一般没有贡献。,2.5 光纤中的非线性光学效应（C1）,2.5.2 非线性折射,2.5 光纤中的非线性光学效应（C2）,对于（2-65）式，当当 =1/（W km）、=0.2dB/km时，得到输入功率被限制在
9、Pin45mW 由于相移 NL是由光场自身引起的，所以这种非线性机理叫做自相位调制（SPM）。SPM会导致光脉冲的光谱大大地展宽。 SPMSelf-Phase Modulation 在光孤子通信中可以用于得到光孤子。,2.6 光缆及连接技术,2.6.1 光缆及其结构,2.6.2 光纤及光缆的连接,3M光纤接续子,目前机械连接法的连接损耗典型值为0.1dB、一般在0.1dB0.2dB，不少工程可以达到0.05dB的水平。,1. 固定连接 机械连接法 旋转连接法：粘接剂固定 模块连接法：V型槽固定连接，加固化剂固定 套管式连接法：连接点采用陶瓷芯管，再在外面加外套管。 熔接法 图2.6-2 全自动控制焊接机,熔接机,熔接作业,2.活动连接,插入损耗大一些： 多模：插入损耗（包括互换性、重复性）1dB 单模：插入损耗分0.5dB和1.0dB两个规格。,也称活接头，一般由插座、插头组成。有螺口连接。将两个接头连在一起。,3. 光缆的连接,图2-20 光缆的连接为示意图,3M2178L/S系列光缆接头盒,4. 跳线,多芯扇出跳线 4芯、6芯、12芯 插入损耗0.25dB(平均0.1dB),光纤连接好后放入光缆接头盒中加以保护,作为总结,Lets see a movie.,End of CH2,
