1、第2章 光纖,2.1光纖的概述 2.2光纖的傳輸特性 損耗、色散和非線性效應(yīng) 2.3光纖制造技術(shù)和光纜,主要內(nèi)容,光纖概述,由于光纖具有低損耗、容量大以及其他方面的許多優(yōu)點，現(xiàn)已成為通信系統(tǒng)的重要傳輸介質(zhì)之一。,光纖的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理 光纖特性的分析方法 光纖的重要參數(shù) 折射率徑向分布 相對折射率差 數(shù)值孔徑 多模光纖與單模光纖 光纖的理化特性 光纖的分類 光纖的新進展,光纖概述,光纖（optical fiber ）是高度透明的玻璃絲， 具有三層結(jié)構(gòu):,光纖的結(jié)構(gòu),纖芯,包層,涂覆層,涂覆層：環(huán)氧樹脂、硅橡膠等高分子材料 保護作用,纖芯：SiO2(99.9999%),摻GeO2,包層：純SiO2

2、，摻B(硼)， 折射率低于纖芯,光纖的導(dǎo)光原理,光纖的導(dǎo)光原理全反射（Total Internal Reflection）,纖芯折射率為n1 包層折射率為n2,n1n2,光線將在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播。,光的波粒二象性（光既可以看作電磁波，也可以看成由粒子組成的粒子流）描述光在光纖中的傳輸特性時對應(yīng)的也有兩套方法,兩種分析方法： 幾何光學(xué)方法 從幾何光學(xué)出發(fā)，用射線理論分析光纖中的光傳輸特性。 波動光學(xué)方法 從麥克斯韋（Maxwell）方程出發(fā)，用波動光學(xué)理論精確、嚴密地分析光在光纖中的傳輸特性。,光纖特性的分析方法,幾何光學(xué)方法涉及的基本光學(xué)定律,光在均勻介質(zhì)中是沿直線

3、傳播的，其傳播速度為v=c/n c2.997105km/s，真空中的光速，n是介質(zhì)的折射率 空氣的折射率近似為1，玻璃的折射率為1.45左右 反射定律及折射定律：n1sin1=n2sin2 全反射臨界角：,幾何光學(xué)方法,波動光學(xué)方法,適用條件,l ,d,l ,d,研究對象,光線,模式,基本方程,射線方程,波導(dǎo)場方程,研究方法,折射,/,反射定理,邊界條件,研究內(nèi)容,光線軌跡,模式分布,光纖幾何尺寸遠大于光波長多模光纖,芯包層界面的全反射,光纖特性兩種分析方法的對比,光纖的重要參數(shù),階躍型(step)光纖,漸變型(grading)光纖,2.相對折射率差, 體現(xiàn)光纖對光場的約束能力和光纖端面的受光

4、能力,1.折射率的徑向分布,數(shù)值孔徑的獲得幾何光學(xué)方法,對于能在波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)娜我夤饩€：,光纖的重要參數(shù)NA（ Numerical aperture）,3.數(shù)值孔徑(NA)：更為常用的表示光纖受光能力的參數(shù),階躍型光纖,為芯包界面全反射臨界角,NA,數(shù)值孔徑（NA）表示光纖的受光能力 即凡是入射到圓錐角 以內(nèi)的所有光線都可以滿足全反射條件，在芯包分界面上發(fā)生全反射 NA與光纖幾何尺寸無關(guān)，典型值0.050.2 NA大，受光能力強,光纖的重要參數(shù),數(shù)值孔徑角,模式的概念,模式的概念 光射線角度 光傳輸?shù)囊粋€路徑 波動光學(xué)解釋（電磁場角度） 獨立存在的一種電磁場分布 多模傳輸：多個模式電磁場線性疊加

5、 單模傳輸：單一模式的電磁場分布,模式的概念,模式的概念 能夠在光纖中傳導(dǎo)的電磁波 不僅滿足芯/包界面上的全反射條件， 而且滿足傳輸過程中的相干加強條件 波動光學(xué)解釋 光纖中穩(wěn)定存在的不同的電磁場分布形式，對應(yīng)Maxwell方程的離散解 只有一系列特定頻率的電磁波才能在光纖中存在！,多模光纖與單模光纖,模式數(shù)量由光纖的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)決定,歸一化頻率,當V較大時，模式數(shù) V2/2,單模條件：V2.4048，只有一個模式存在，稱為基模,單模光纖 只支持一個模式傳輸?shù)墓饫w 可以簡單的通過減小芯徑來獲得,多模光纖 d=50m,單模光纖d=410m,多模光纖與單模光纖,單模光纖的重要參數(shù)MFD,模場直徑

6、(MFD: Mode Field Diameter) 定義：單模光纖內(nèi)電場強度衰減到其最大值的1/e的寬度 對單模光纖，2a與處于同一量級，由于衍射效應(yīng)，有相當一部分光場處于包層中，不易精確測出2a的精確值，因而芯徑只有結(jié)構(gòu)設(shè)計上的意義，在應(yīng)用中并無實際意義，實際應(yīng)用中常用模場直徑2w,2a,2w,電場強度降到峰值的1/e,在對單模光纖進行耦合、接續(xù)、彎曲損耗、色散等工程計算時，模場直徑比光纖的芯徑具有更重要意義 模場直徑小的光纖，能量在芯子中集中的程度好，光纖彎曲造成的損耗較小 模場直徑大的光纖，能量在芯子中集中的程度較差，包層中存在較多的光能量，光纖彎曲造成的損耗較大,模場直徑的意義,d,

7、三種主要類型光纖的比較,光纖的物理化學(xué)特性,SiO2密度：2.2g/cm3 單模光纖外徑：125m，涂覆后外徑為250m 裸纖重量： 27g/km 不溶于水 受OH-影響，必須防水 抗酸堿性能較差（溶于氟酸和強堿） 絕緣性好 軸向應(yīng)力承受能力強, 徑向作用力承受能力弱 SIO2的軟化溫度在1700度左右，摻雜后的軟化溫度略為降低 石英光纖熱膨脹系數(shù)：3.410-7/oC 涂覆層：510-7/oC,根據(jù)傳輸波長分類: 短波長光纖 工作波長0.70.9um,用于短距離、小容量通信 長波長光纖 工作波長1.11.6um,用于中長距離、大容量通信 ITU-T標準光纖： G.651: 漸變型多模光纖(M

8、MF) G.652：普通單模光纖（SMF） G.653：色散位移單模光纖(DSF) G.654：截止波長位移的單模光纖 G.655：非零色散位移光纖(NZ-DSF)，產(chǎn)品：康寧LEAF；長飛：大保實,光纖的分類,按照光纖傳輸模式的多少分類： 單模光纖 纖芯直徑810um，無模間色散，帶寬傳輸容量大（光傳輸是單一模式） 多模光纖 纖芯直徑50um，模式多存在模間色散，容量?。ǘ嗄Ｊ絺鬏敚?按照光纖折射率徑向分布分類： 階躍型光纖 漸變型光纖,22,光纖的新進展,低損耗光纖：純硅纖芯光纖 聚合物光纖（塑料光纖） 芯徑大，數(shù)值孔徑大，可以使用廉價的激光源 韌性和可撓性均較好，在可見光區(qū)有低損耗的窗口

9、，適用于接入網(wǎng) 目前FTTH工程中最有希望的傳輸介質(zhì) 光子晶體光纖 通常截面上具有復(fù)雜的折射率分布，由排列形式不同的氣孔來形成 氣孔的尺度與光波波長大致在同一量級且貫穿器件的整個長度，光波可以被限制在光纖芯區(qū)傳播 可以形成無盡單模特性 具有特殊的色散和非線性特性,第二章 光纖與光纜,2.1光纖概述 2.2光纖的傳輸特性 損耗、色散和非線性效應(yīng) 2.3光纖制造技術(shù)和光纜,光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無失真地從發(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸媒質(zhì)的光纖應(yīng)具有均勻、透明的理想傳輸特性，任何信號均能以相同速度無損無畸變地傳輸。 但實際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在損耗和色散，當信號強度較

10、高時還存在非線性。,光纖的傳輸特性,光纖的傳輸特性,損耗 色散 非線性,衰減,損耗,輸入信號,輸出信號,時間,時間,色散,脈沖展寬,頻率,非線性,新頻率,損耗 體現(xiàn)了光纖對光波的衰減作用，限制了光信號的傳播距離 損耗系數(shù)（定義前提是光纖是均勻的） 光在單位長度光纖中傳輸時的衰耗量（單位：dB/km） 光功率隨著傳輸距離的增加成指數(shù)式衰減,光纖的傳輸特性損耗,分貝的定義,分貝(decibel)是量度兩個相同單位之數(shù)量比例的單位，主要用于量度聲音強度，常用dB表示。 用相當簡單的方式表示很大比值 在光通信中有三種用法： 表示功率單位(dBm) P(dBm)=10log10(P) 1mW0dBm 表

11、示信噪比（SNR）：SNR=Ps/Pn SNR(dB)=10log10(Ps/Pn) 表示損耗及損耗系數(shù)： 損耗(dB)=PR(dBm)-PT(dBm)=10log10(PR/PT) 損耗系數(shù)(dB/km)=損耗(dB)/光纖長度(km),分貝的計算舉例,損耗系數(shù)的計算舉例 假設(shè)某一低損耗光纖在1550nm波長處的損耗系數(shù)為0.15dB/km 信號在該光纖中傳輸20km后信號光功率將變?yōu)樵β实亩嗌伲?答案是50 40km以后呢？ 25(損失了6dB),例如：功率增加一倍，表明增益是3dB；功率減小到一半，表明損耗是3dB。,損耗的主要來源-吸收損耗,吸收損耗是光波通過光纖時，有一部分光能被光

12、纖吸收變成熱能引起的光功率的損失 本征吸收 光纖基質(zhì)材料固有，與瑞利散射共同決定損耗下限 （一）紫外吸收 處于低能級的電子吸收光波能量躍遷到高能級而產(chǎn)生的光功率損失 隨著波長增大，其吸收作用逐漸減小，但影響區(qū)域很寬，直到1m以上的波長,損耗的主要來源-吸收損耗,本征吸收 （二）紅外吸收 光波的一部分能量傳遞給分子使其振動加劇導(dǎo)致的光功率損失 非本征吸收雜質(zhì)離子吸收 光纖材料的不純凈導(dǎo)致的附加損耗 影響最為嚴重的是過度金屬離子以及水的OH-,晶格,損耗的主要來源-散射損耗,散射損耗是指光纖材料或波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不完善（如材料和折射率分布不均勻、尺寸、形狀不規(guī)則等等）引起光的散射，進而導(dǎo)致的光功率損失。

13、Rayleigh散射損耗本征散射 光纖中不可避免的微小缺陷(如折射率或材料密度的微小波動)使其中傳輸?shù)墓獍l(fā)生散射，散射效應(yīng)將破壞光在芯包分界面上的全反射條件，使部分光傳出纖芯導(dǎo)致?lián)p耗 -4 在1.55 m波段，瑞利散射引起的損耗仍達0.120.16 dB/km ，是該段損耗的主要原因。 光纖結(jié)構(gòu)不規(guī)則引起的散射損耗,損耗的主要來源-彎曲損耗,宏彎損耗 光纖發(fā)生彎曲半徑比光纖直徑大得多的彎曲時造成的損耗 微彎損耗 由光纖軸向上隨機性的微小彎曲造成的損耗,彎曲曲率半徑減小 宏彎損耗指數(shù)增加,損耗來源,分子振動態(tài)的改變對光子的吸收(紅外吸收) 電子躍遷對光子的吸收 (紫外吸收),雜質(zhì)離子吸收,過渡金

14、屬離子 OH-（2.73um, 1.38um）,散射損耗,Rayleigh散射 光纖結(jié)構(gòu)不規(guī)則引起,彎曲損耗,材料對光的本征吸收,瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值，是1550nm波段光纖損耗的主因！,損耗的主要來源,（材料固有的吸收）,宏彎損耗 微彎損耗,接續(xù)損耗,附加損耗，光纖使用時人為造成,680,920,1380,0.2,0.33,(dB/km),(nm),OH- 吸收,紅外吸收,紫外吸收,Rayleigh散射,總損耗,損耗與波長密切相關(guān)！,損耗譜的劃分,1300,1550,850,紫外吸收,紅外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,損 耗 (dB/k

15、m),波 長 (nm),OH離子吸收峰,損耗譜-三個傳輸窗口,損耗譜,全波光纖,關(guān)于損耗的幾點說明,由于光纖損耗的存在，光纖中傳輸?shù)墓夤β蕦㈦S著傳輸距離的增加按指數(shù)式衰減 光纖的損耗與波長密切相關(guān)，1.31m和1.55m波段是兩個主要的低損耗窗口 摻Er光纖放大器的放大窗口為1.53-1.56m，因此1.55m波段是目前長距離、大容量光纖通信的主要窗口 全波光纖：不存在由于OH-的存在而引起的損耗峰 Rayleigh散射和本征吸收損耗決定光纖的損耗極限！,光損耗對通信質(zhì)量的影響,單信道光纖通信系統(tǒng) 當發(fā)射功率和最小接收功率確定時，光纖總損耗就受到限制，光纖損耗系數(shù)越大，長度就會減少。 即光纖損

16、耗的存在會限制光纖通信系統(tǒng)的光接收機和光發(fā)送機間的光纖長度。 多信道（波長）光纖通信系統(tǒng) 光纖損耗的存在會限制光纖通信系統(tǒng)的光接收機和光發(fā)送機間的光纖長度。 若在不同信道上，光纖損耗不同，則不同信道對光接收機和光發(fā)送機間的光纖長度要求不同，在光纖通信系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意這個問題以確保各信道的光功率損耗均在限制范圍之內(nèi)。,光纖損耗的降低,提純材料，減小過渡金屬離子與OH-的影響。 將光纖預(yù)制棒制作時的粉塵顆粒減小，使得瑞利散射更小。 光纖線路損耗的降低： 減小光纖自身損耗 減小光纖接續(xù)損耗 使用光放大器,光纖預(yù)制棒是制造石英系列光纖的核心原材料。簡單地說，用于拉光纖（絲）的玻璃特種預(yù)制大棒。 人們在

17、制造光纖時先要制做出光纖預(yù)制棒，預(yù)制棒一般直徑為幾毫米至幾十毫米（俗稱光棒）。,光纖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是在預(yù)制棒中形成的，因而預(yù)制棒的制作是光纖工藝中最重要的部分。光棒具備了光纖的基本結(jié)構(gòu)，通過拉絲機拉出來的裸纖就包括了纖芯和包層。,42,光纖的接續(xù)問題,對光纖制作和接續(xù)都提出很高要求！,不理想的光纖接續(xù)帶來額外損耗,制作不理想的光纖在接續(xù)時也會帶來額外損耗,光纖,現(xiàn)有的光纖接續(xù)方法,永久接續(xù) 采用電弧放電方式實現(xiàn)光纖熔接光纖熔接機 損耗可小于0.01dB 可反復(fù)插拔的接續(xù) 利用精密連接頭實現(xiàn)光纖跳線+法蘭盤 光纖跳線是用來連通從設(shè)備到光纖鏈路或連通設(shè)備之間光路的跳接線 法蘭盤(轉(zhuǎn)換器)是將光纖跳線連接在一起的器件 損耗可小于0.1dB,光纖永久性接續(xù)方法光纖熔接機,電弧放電由兩個電極完成，多采用高頻電源，放電電壓為2000-4000V,實現(xiàn)光纖熔接的兩個關(guān)鍵技術(shù)： 光纖精密對準；光纖的加熱熔接常用電弧熔接,光纖的精密對準方法：纖芯直視,光纖永久性接續(xù)方法光纖熔接機,普通光纖熔接機,帶狀光纖熔接機,跳線：光纖兩端加上連接器 光纖連接器的核心部件： 插針：陶瓷圓柱， 內(nèi)有光纖 套筒,可反復(fù)插拔的接續(xù)光纖跳線,47,光纖連接器類型,回波損耗 14 dB (Fresnel),Common multimode fiber connector,Air