光通信技术高效应用第二章

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1、光通信技术高效应用第二章光通信技术高效应用第二章2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构光纤结构 光光纤纤（Optical Fiber）是是由由中中心心的的纤纤芯芯和和外外围围的的包包层层同同轴轴组成的圆柱形细丝。组成的圆柱形细丝。 纤纤芯芯的的折折射射率率比比稍稍高高，损损耗耗比比更更低低，光光能能量量主主要要在在纤纤芯芯内内传传输输。使大部分的光被束缚在纤芯中传输， 实现光信号的长距离传输。 为为光光的的传传输输提提供供反反射射面面和和光光隔隔离离，并并起起一一定定的的机机械械保保护护作用。作用。 设设纤纤芯芯和和的的折折射射率率分分别别为为n1和和n2，光光能能量量在在

2、光光纤纤中中传传输输的必要条件是的必要条件是n1n2。图图2.1 光纤的外形光纤的外形 2.1.2 光纤类型光纤类型 光光纤纤种种类类很很多多，这这里里只只讨讨论论作作为为信信息息传传输输波波导导用用的的由由高高纯纯度石英（度石英（SiO2）制成的光纤。）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，实用光纤主要有三种基本类型， 突变型多模光纤（突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤（渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤（单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相相对对于于单单模模光光纤纤而而言言，突突变变

3、型型光光纤纤和和渐渐变变型型光光纤纤的的纤纤芯芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤 图图 2.2三种基本类型的光纤三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤；突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；渐变型多模光纤； （c） 单模光纤单模光纤 主要用途：主要用途： 突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。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。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。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

4、特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55m色色散散移移位位光光纤纤实实现现了了10 Gb/s容容量量的的100 km的的超超大大容容量超长距离系统。量超长距离系统。 色色散散平平坦坦光光纤纤适适用用于于波波分分复复用用系系统统，这这种种系系统统可可以以把把传传输输容量提高几倍到几十倍。容量提高几倍到几十倍。 三三角角芯芯光光纤纤有有效效面面积积较较大大，有有利利于于提提高高输输入入光光纤纤的的光光功功率率，增加传输距离。增加传输距离。 偏偏振振保保持持光光纤纤用用在在外外差差接接收收方方式式的的相相干干光光系系统统， 这这种种系系统统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。最大优点是

5、提高接收灵敏度，增加传输距离。 2.2 光纤传输原理光纤传输原理分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法： 几何光学法几何光学法 麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法 2.2.1 几何光学方法几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径数值孔径 时间延迟时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布时间分布 几何光学法分析问题的两个角度几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤突变型多模光纤 渐变型多模光纤渐变型多模光纤 图图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理突变型多模光纤的光线传播原理1.

6、突变型多模光纤突变型多模光纤 数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径 为为简简便便起起见见，以以突突突突变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤的的交交轴轴(子子午午)光光线线为为例例，进进一步讨论光纤的传输条件。一步讨论光纤的传输条件。 设设纤纤纤纤芯芯芯芯和和包包包包层层层层折折射射率率分分别别为为n1和和n2，空空气气的的折折射射率率n0=1， 纤纤芯中心轴线与芯中心轴线与z轴一致，轴一致， 如图如图2.4。 光光线线在在光光纤纤端端面面以以小小角角度度从从空空气气入入射射到到纤纤芯芯(n0n2)。 根根据据这这个个传传播播条条件件，定定义义临临界界角角c的的正正弦弦为为数数数数值值值

7、值孔孔孔孔径径径径(Numerical Aperture, NA)。根据定义和。根据定义和斯奈尔定律斯奈尔定律斯奈尔定律斯奈尔定律 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2)n0=1，由式（，由式（2.2）经简单计算得到）经简单计算得到 式中式中=(n1-n2)/n1为为纤芯纤芯纤芯纤芯与包层相对折射率差包层相对折射率差包层相对折射率差包层相对折射率差。 NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力，NA(或或c)越越大大，光光纤纤接接收光的能力越强，从光源到光纤的收光的能力越强，从光源到

8、光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。越高。 对于无损耗光纤，在对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。内的入射光都能在光纤中传输。 NA越越大大， 纤纤芯芯对对光光能能量量的的束束缚缚越越强强，光光纤纤抗抗弯弯曲曲性性能能越越好好; 但但NA越越大大，经经光光纤纤传传输输后后产产生生的的信信号号畸畸变变越越大大，因因而而限限限限制制制制了了了了信信信信息传输容量息传输容量息传输容量息传输容量。 所以要根据实际使用场合，选择适当的所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 (2.3)时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟 根根据据图图2.4，入入射射角角为为的的光光线线在在长长度度为为L

9、(ox)的的光光纤纤中中传传输输，所所经经历历的的路路程程为为l(oy)， 在在不不大大的的条条件件下下，其其传播时间即传播时间即时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟为为 式式中中c为为真真空空中中的的光光速速。由由式式(2.4)得得到到最最大大入入射射角角(=c)和和最小入射角最小入射角(=0)的光线之间的光线之间时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟差近似为差近似为 (2.4)(2.5) 这种时间延迟差在时域产生这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽，或称为，或称为信号畸变信号畸变信号畸变信号畸变。 由此可见，由此可见，突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤的信号

10、畸变是由于不同入射角的的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其光线经光纤传输后，其时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的。不同而产生的。 图 2.5 渐变型多模光纤的光线传播原理 2. 渐变型多模光纤渐变型多模光纤 由此可见，渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤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/ ， 取决于光纤的结构参数(a, )， 而与入射角0无关。 自自自自聚聚聚聚焦焦焦焦效效效效应应应应 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(2

11、.14a) *=0cos(Az) (2.14b) 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，见图2.5和图2.2(b)， 这种现象称为自聚焦自聚焦自聚焦自聚焦(Self-Focusing)(Self-Focusing)效应效应效应效应。 4. 单模光纤的模式特性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单模条件和截止波长单模条件和截止波长 单模传输条件单模传输条件单模传输条件单模传输条件为 V=2.405 或c= 由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临临临临界界界界波波波波长长长长cc，当c时，是单模传输，这个临

12、界波长c称为截止波长截止波长截止波长截止波长。由此得到(2.36)2.3 光纤传输特性光纤传输特性 产产生生信信信信号号号号畸畸畸畸变变变变的的主主要要原原因因是是光光纤纤中中存存在在色色色色散散散散，损损损损耗和色散耗和色散耗和色散耗和色散是光纤最重要的传输特性：是光纤最重要的传输特性： 损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量色散则限制系统的传输容量色散则限制系统的传输容量色散则限制系统的传输容量 2.3.1 光纤色散光纤色散 1. 色散、色散、 带宽和脉冲展宽带宽和脉冲展宽 色色色色散散散散(Dispersion)

13、是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的一种物理效应。 色散的种类：色散的种类： 模式色散：由于不同模式的时间延迟不同而产生的模式色散：由于不同模式的时间延迟不同而产生的模式色散：由于不同模式的时间延迟不同而产生的模式色散：由于不同模式的时间延迟不同而产生的 材材材材料料料料色色色色散散散散：由由由由于于于于光光光光纤纤纤纤的的的的折折折折射射射射率率率率随随随随波波波波长长长长而而而而变变变变化化化化，不不不不同同同同成成成成分分分分的的的的光光光光时延不同而产生的时延不同而产生的时延不同而产生的时延不同而产生的 波导色散：由于波导结构参数与波长

14、有关二产生的波导色散：由于波导结构参数与波长有关二产生的波导色散：由于波导结构参数与波长有关二产生的波导色散：由于波导结构参数与波长有关二产生的(2.61a) 2.3.2 光纤损耗光纤损耗 损损损损耗耗耗耗的存在 光信号幅幅幅幅度度度度减小 限制系统的传传传传输输输输距距距距离离离离 。 在最一般的条件下，在光纤内传输的光光光光功功功功率率率率P P随距距距距离离离离z z的变化，可以用下式表示习惯上的单位用dB/km， 由式(2.60)得到损耗系数损耗系数损耗系数损耗系数Po=Pi exp(-L) (2.60) 设长度为L(km)的光纤，输入光光光光功功功功率率率率为为为为P Pi i，根据

15、式(2.59)，输出光功率输出光功率输出光功率输出光功率应为 式中，是损耗系数损耗系数损耗系数损耗系数。(2.59) 1. 损耗的机理损耗的机理 图2.15是单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损损损损耗耗耗耗与波长与波长与波长与波长的关系，这些机理包括吸收损耗吸收损耗吸收损耗吸收损耗和散射损耗散射损耗散射损耗散射损耗两部分。 吸吸吸吸收收收收损损损损耗耗耗耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 散散散散 射射射射 损损损损 耗耗耗耗 主要由材料微观密度不均匀引起的 瑞瑞瑞瑞 利利利利( (Rayleigh )Rayleigh )散射散射散射散

16、射和由光纤结构缺陷结构缺陷结构缺陷结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。 瑞瑞瑞瑞利利利利散散散散射射射射损损损损耗耗耗耗是光纤的固固固固有有有有损损损损耗耗耗耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。 图 2.15 单模光纤损耗谱， 示出各种损耗机理 2.3.3 光纤标准和应用光纤标准和应用 G.651G.651多多多多模模模模渐渐渐渐变变变变型型型型(GIF)(GIF)光光光光纤纤纤纤 应用于中小容量、中短距离的通信系统。 G.652G.652常常常常规规规规单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤 是第一代单模光纤，其特点是在波长1.31 m色散为零，系统的传输距离只受损耗的限制。 G.653G.653

17、色色色色散散散散移移移移位位位位光光光光纤纤纤纤 是第二代单模光纤，其特点是在波长1.55 m色散为零，损耗又最小。这种光纤适用于大容量长距离通信系统。 G.654 G.654 1.55 1.55 mm损损损损耗耗耗耗最最最最小小小小的的的的单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤 其特点是在波长1.31 m色散为零，在1.55 m色散为1720 ps/(nmkm)，和常规单模光纤相同，但损耗更低，可达0.20 dB/km以下。 色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤色散补偿光纤 其特点是在波长1.55 m具有大的负色散。 G.655G.655非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤非零色散光纤 是一种改进

18、的色散移位光纤。2.4 光缆光缆 在在实实际际工工程程应应用用中中，需需要要把把若若干干根根光光纤纤绞绞合合成成缆缆，在在外外面面再再加加上上保保护护套套，以以防防止止外外界界各各种种机机械械压压力力和和施施工工过过程程中中可可能能发发生生的的损损伤伤。光光缆缆的的结结构构取取决决于于用用途途（可可根根据据不不同同需需要要进进行行设设计计）。有有些些在在光光纤纤外外加加一一层层塑塑料料外外套套，有有些些是是使使用用钢钢质质加加强强心心之之类类的的增增强强材材料料以以保证光缆具有足够的机械强度。保证光缆具有足够的机械强度。 2.4.2 光缆结构和类型光缆结构和类型 光光缆缆一一般般由由缆缆缆缆芯

19、芯芯芯和和护护护护套套套套两两部部分分组组成成，有有时时在在护护套套外外面面加加有有铠装。铠装。 1. 缆芯缆芯缆芯缆芯 缆芯通常包括缆芯通常包括被覆光纤被覆光纤被覆光纤被覆光纤(或称芯线或称芯线)和和加强件加强件加强件加强件两部分。两部分。 被覆光纤被覆光纤被覆光纤被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。 加加加加强强强强件件件件起起着着承承受受光光缆缆拉拉力力的的作作用用，通通常常处处在在缆缆芯芯中中心心，有有时配置在护套中。时配置在护套中。 图 2.20光缆类型的典型实例 (a) 6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b) 12芯松套层绞式光缆(直埋

20、防蚁)；(c) 12芯骨架式光缆(直埋)；(d) 648芯束管式光缆(直埋)；(e) 108芯带状光缆；(f) LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g) 浅海光缆；(h) 架空地线复合光缆(OPGW)光缆光缆 的基本型式的基本型式层绞式层绞式层绞式层绞式 把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。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。旋形塑料骨架凹槽内而构成。 中中中中心心心心束束束束管管管管式式式式 把把一一次次被被覆覆光光纤纤或或光光纤纤束束放放入入大大套套管管中中， 加加强强件配置在套管周围而构成。件配置在套管周围而构成。带带带带状状状状式式式式 把把带带状状光光纤纤单单元元放放入入大大套套管管内内， 形形成成中中心心束束管管式式结结构构，也也可可以以把把带带状状光光纤纤单单元元放放入入骨骨架架凹凹槽槽内内或或松松套套管管内内， 形形成骨架式或层绞式结构。成骨架式或层绞式结构。光缆的铺设1.架空式2.直埋式3.预埋式