光钎通信技术 课件 第二章 光纤传输理论

2011年11月21日星期一 年 月 日星期一 广东海洋大学理学院 光纤通信
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§2-1 概述
此动画为光信号在多模渐变折射率光纤中的传 此动画为光信号在多模渐变折射率光纤中的传 多模渐变折射率光纤 由动画可以直观地看出： 输，由动画可以直观地看出：不同模式的光信号到 达终点所需的时间基本相等。
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§2-1 概述
2. 按光纤的模式 根据传导模式数量的不同， 根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模 光纤和多模光纤两类。 光纤和多模光纤两类。 （1）多模光纤 ）多模光纤(MMF：Multi Mode Fiber) ： 光纤中传输的模式不止一个， 光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在 多个传导模式。多模光纤信号畸变大 色散）， 信号畸变大（ ），适 多个传导模式。多模光纤信号畸变大（色散），适 用于中距离、中容量的光纤通信系统； 用于中距离、中容量的光纤通信系统； （2）单模光纤 ）单模光纤(SMF：Single Mode Fiber) ： 光纤中只传输一种模式，即基模（ 光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模 ）。单模光纤信号畸变很小，折射率分布与SIF相 单模光纤信号畸变很小 式）。单模光纤信号畸变很小，折射率分布与 相 适用于长距离、大容量的光纤通信系统。 似，适用于长距离、大容量的光纤通信系统。
n t t
(a) 阶跃型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； (c) 单模光纤 阶跃型多模光纤； 渐变型多模光纤；
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§2-1 概述
此动画为光信号在多模阶跃折射率光纤中的传 此动画为光信号在多模阶跃折射率光纤中的传 多模阶跃折射率光纤 由动画可以直观地看出： 输，由动画可以直观地看出：不同模式的光信号到 达终点所需的时间不相等。
输入 NA 输入 NA 高数值孔径NA 高数值孔径 低数值孔径NA 低数值孔径 输出 输出
NA表示光纤接收和传输光的能力。 表示光纤接收和传输光的能力。 表示光纤接收和传输光的能力 NA（或θimax）越大，表示光纤接收光的能力越强， 接收光的能力越强， （ ）越大，表示光纤接收光的能力越强 光源与光纤之间的耦合效率越高 耦合效率越高。 光源与光纤之间的耦合效率越高。 NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗 越大， 光能量的束缚越强， 越大 纤芯对入射光能量的束缚越强 光纤抗 弯曲特性越好。 弯曲特性越好。
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§2-2 光纤传输的射线分析 几何光学方法 光纤传输的射线分析(几何光学方法 几何光学方法)
二、光在多模阶跃光纤中的传输 光在光纤中的子午面内的光线图： 光在光纤中的子午面内的光线图：
P n2 2θ θimax θc n1 n2 n0 θr 光线1 光线 光线2 光线 n2 n1 Q r n2 P n1
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§2-2 光纤传输的射线分析 几何光学方法 光纤传输的射线分析(几何光学方法 几何光学方法)
2 NA = n12 − n2
= n1 2∆
*
n1 − n2 ，为相对折射率差 式中∆ = n1
2 2 通信光纤都是 弱导光纤，即n1 ≈ n2
NA = n − n NA = →
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§2-1 概述
此动画为光信号在单模阶跃折射率光纤中的传 此动画为光信号在单模阶跃折射率光纤中的传 单模阶跃折射率光纤 由动画可以直观地看出： 输，由动画可以直观地看出：单模光纤中只有一个 模式的光信号可以传输，不存在模式之间的时间差。 模式的光信号可以传输，不存在模式之间的时间差。
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§2-1 概述
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无 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， 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、 传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特 相同速度无损耗、 任何信号均能以相同速度无损耗 性，任何信号均能以相同速度无损耗、无畸变地 传输。 传输。 但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损 但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损 色散，当信号强度较高时还存在非线性 非线性。 耗和色散，当信号强度较高时还存在非线性。 问题：在实际系统中，光信号到底如何传输？ 问题：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？ 其传输特性、传输能力究竟如何？——本章讨论 本章讨论 的要点。 的要点。
2 1
( n1 − n2 )( n1 + n2 )
2 1
n1 − n2 = 2n ⋅ n1 = n1 2∆
对于多模光纤，相对折射率差 约 对于多模光纤，相对折射率差∆约1%~2%，而单模 ， 光纤约0.3%~0.6%。 光纤约 。
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定义式： 定义式：NA = n0 sin θi max
n0 sin θi max = n1 sin θ r = n1 sin ( 900 − θ r ) = n1 1 − sin θ c2
2 = n12 − n2 = NA *
Q sin θ c = n2 / n1
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Q
ϕ
0
O
引入如下参数： 引入如下参数： 1. 数值孔径 （Numeric Aperture） 数值孔径NA（ ） NA=n0sinθimax （θimax：光纤的接收角）--定义式 光纤的接收角）
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O′
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§2-2 光纤传输的射线分析 几何光学方法 光纤传输的射线分析(几何光学方法 几何光学方法)
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§2-1 概述
一、光纤的结构
其保护作用的塑料 涂敷层， 涂敷层，250um 玻璃包层， 玻璃包层， 125um
n1>n2
纤芯
纤芯尺寸：单模光纤 纤芯尺寸：单模光纤4~12µm；多模光纤 ；多模光纤50/62.5µm。 。 护套颜色（ 光缆）：黄色是单模光纤 护套颜色（3mm光缆）：黄色是单模光纤； 光缆）：黄色是单模光纤； 塑套保护层尺寸： 塑套保护层尺寸：900µm。 。 橙色是多模光纤 是多模光纤。 橙色是多模光纤。 涂层 纤芯 包层
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§2-2 光纤传输的射线分析 几何光学方法 光纤传输的射线分析(几何光学方法 几何光学方法)
射线分析法只能适用于多模光纤： 射线分析法只能适用于多模光纤：纤芯直径 欧洲/美国标准 为50/62.5µm(欧洲 美国标准 ，而纤芯中传播的 欧洲 美国标准)， 光信号波长~1µm，相比较而言，纤芯直径 光 光信号波长 ，相比较而言，纤芯直径>>光 信号波长，可以采用几何光学方法近似分析， 信号波长，可以采用几何光学方法近似分析，而 单模光纤纤芯直径为4~12µm，同光信号波长为 单模光纤纤芯直径为 ， 同一个数量级，不能采用射线分析法。 同一个数量级，不能采用射线分析法。 一、几何光学分析法的基本点 1. 光为射线，在均匀介质中直线传播； 光为射线，在均匀介质中直线传播； 2. 不同介质的分界面，遵循折反射定律。 不同介质的分界面，遵循折反射定律。
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二、光纤的分类 1. 按纤芯折射率分布 （1）阶跃型光纤 ）阶跃型光纤(SIF ：Step Index Fiber) 信号畸变大（色散）； 信号畸变大（色散）； （2）渐变型光纤 ）渐变型光纤(GIF：Graded Index Fiber) 信号畸变小。 信号畸变小。
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§2-1 概述
3. 按光纤构成的原材料分类 石英系光纤 光子晶体光纤 塑料包层光纤 全塑光纤 目前光纤通信中主要使用石英系列光纤。 目前光纤通信中主要使用石英系列光纤。 4. 按光纤的套塑层分类 紧套光纤， µm； 紧套光纤，900µm； µm 松套光纤， 松套光纤，3mm。 。
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§2-1 概述
4. 其他结构的单模光纤
实际上，根据应用的需要，可以在常规单模光纤的基 实际上，根据应用的需要， 础上设计许多结构复杂的特种单模光纤。 础上设计许多结构复杂的特种单模光纤。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如下： 型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布如下：
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§2-2 光纤传输的射线分析 几何光学方法 光纤传输的射线分析(几何光学方法 几何光学方法)
2. 群时延差 群时延差Δ 实际上就是光脉冲经光纤传输以后 群时延差Δτ实际上就是光脉冲经光纤传输以后 信号畸变，可以用光线的时间差来推导得到。 的信号畸变，可以用光线的时间差来推导得到。
n1 n2 n3 n3 n1 n2 n2 n1
2a 2a’
2a 2a’
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§2-2 光纤传输的射线分析 几何光学方法 光纤传输的射线分析(几何光学方法 几何光学方法)
几何光学方法 适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 主要特点 λ << a 光线 射线方程 折射/反射定理 约束光线 波动光学方法 λ∼a 模式 波导场方程 边值问题 模式