光纤通信课件第二章

图2-13 模场直径29Leabharlann 2.3.2 光纤的光学特性
4．截止波长
光纤通信
理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最 小波长。 截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以 抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全 可以忽略的地步。 注：几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施工对它们不产
2.3 光纤特性
光纤通信
≤0.5μm的规格。
不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。 ITU-T规定，纤芯/包层同心度误差≤6%（单模为＜1.0μm）， 芯径不圆度≤6%，包层不圆度（包括单模）＜2%。
4．光纤翘曲度
光纤翘曲度指在特定长度光纤上测量到的弯曲度，可用曲率半
径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数值越大，意味着光纤越 直。 注：纤芯/包层同心度对接续损耗的影响最大，其次是翘曲度。
数量级，如芯径d1 在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种 模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光 纤称为单模光纤。如图2-7所示。
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2.1.2 光纤的分类
光纤通信
图2-7 光在单模光纤中的传播轨迹
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2.1.2 光纤的分类
2．按传输波长分类
光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。
光纤通信
G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口 的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。 （4）G.655光纤 由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散
波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位
强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称
为部分偏振光，如图2-11（b）所示。
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2.2 光纤的导光原理
光纤通信
图2-11 光的偏振
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2.2 光纤的导光原理
3．光的色散
光纤通信
如图2-12所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫
顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长 （对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度
n = c/v
其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。
在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n （ 0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。 表2-1 材料 折射率 不同介质的折射率 空气 1.003 水 1.33 玻璃 1.52～1.89 石英 1.43 钻石 2.42
图2-4 光在阶跃折射率光纤中的传播
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2.1.2 光纤的分类
（1）多模光纤
光纤通信
当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约
1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，
这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。 （2）单模光纤
当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1 ）较小，与光波长在同一
光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于 吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗3种损耗。
（1）吸收损耗
光纤吸收损耗是制造光纤的材料本身造成的损耗，包括紫外吸 收、红外吸收和杂质吸收。
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2.3.3 光纤的传输特性
（2）散射损耗
光纤通信
由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的损耗称为 瑞利散射损耗。 光纤制造中，结构上的缺陷会引起与波长无关的散射损耗。 （3）弯曲损耗 光纤的弯曲会引起辐射损耗。实际中，有两种情况的弯曲：一种 是曲率半径比光纤直径大得多的弯曲；一种是微弯曲。 决定光纤衰减常数的损耗主要是吸收损耗和散射损耗，弯曲损 耗对光纤衰减常数的影响不大 。
而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率
（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭 在纤芯中传输。
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2.1 光纤的结构和类型
层和二次涂覆层。
光纤通信
（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏；
光纤通信
第2章 光纤和光缆
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第2章 光纤和光缆
本章内容、重点和难点
本章内容 光纤的结构和类型。 光纤的导光原理。 光纤的特性。 光缆的结构和种类。 本章重点 光纤的结构和类型。 光纤的特性。 光缆的种类。 本章的难点 光纤的导光原理。
光纤通信
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第2章 光纤和光缆
光纤通信
聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光 纤可以在套管中自由活动。
图2-2 套塑光纤结构
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2.1 光纤的结构和类型
2．光纤的折射率分布与光线的传播
图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。
光纤通信
一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如 图2-3 （a）、（b）所示。
二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。
涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加 了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆 后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。
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2.1 光纤的结构和类型
紧套光纤与松套光纤
光纤通信
紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或
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2.3.3 光纤的传输特性
光纤通信
直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模 光纤的纤芯为50μm。 纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，
P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。
（2）包层：包层位于纤芯的周围。 直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。
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短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm）
长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和 1.55μm两个窗口。
3．按套塑结构分类
按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。
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2.1.2 光纤的分类
4．单模光纤的分类
光纤通信
ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。 （1）G.652光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色 散为零的波长）在1 310nm附近的光纤。 它的折射率分布如图2-8所示。图（a）表示的阶跃折射率设计称 为匹配包层型，图（b）表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。
（2）G.653光纤
G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1 550nm 附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色
散位移光纤。
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2.1.2 光纤的分类
光纤通信
图2-8 G.652光纤的折射率
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2.1.2 光纤的分类
4．单模光纤的分类
（3）G.654光纤
的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。
光纤的数值孔径（NA）对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏 感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大，容易耦合，微弯敏感
小，带宽较窄。
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2.3.2 光纤的光学特性
3．模场直径和有效面积
光纤通信
模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。
有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利
不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。
图2-12 自然光的色散
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2.3 光纤特性
2.3.1 光纤的几何特性
光纤通信
光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、
不圆度和光纤翘曲度等。
1．芯直径
芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多模光纤的芯 直径为50±3μm。
2．包层直径
的，但它也可以用于1 310nm窗口的传输。由于G.654光纤和
G.655光纤的截止波长都大于1 310nm，所以G.654光纤和G.655 光纤不能用于1 310nm窗口。
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2.2 光纤的导光原理
1．折射和折射率
光纤通信
光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的
参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：
包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，多模及单模光纤的包层 直径均要求为125±3μm。
目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.0±3μm提高
到125.0±1μm。
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3．纤芯/包层同心度和不圆度
纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。 目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从≤0.8μm的规格提高到
置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的 DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。
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2.1.2 光纤的分类
光纤通信
这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色
散（ PMD）和模场直径 。 另：G.653光纤是为了优化1 550nm窗口的色散性能而设计
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2.3.2 光纤的光学特性
及截至波长等。
光纤通信
光纤的光学特性有折射率分布、最大理论数值孔径、模场直径
1．折射率分布
光纤折射率分布，可用下式表示：
n2 n1 1 2(r / a)

d 1/ 2

其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开
纤芯中心的径向距离，Δ为相对折射率差，Δ=(n1 − n2 )/ n1 。
多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤 的折射率分布，决定工作波长的选择。
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2.3.2 光纤的光学特性
2．最大理论数值孔径（NAmax）
最大理论数值孔径的定义为：
2 2 NAmax (n1 n2 )1 / 2
光纤通信
其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心
用圆面积公式计算出有效面积。 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光
纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系
统的光信噪比降低，影响系统性能。 因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。
图2-13所示为模场直径示意图。
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2.3.2 光纤的光学特性
光纤通信
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2.2 光纤的导光原理
成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。
光纤通信
当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分
图2-9 光的折射
图2-10 光的反射
斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1 = 3
n1sin 1 = n2sin 2
全反射是光信号在光纤中传播的必要条件 。
生变化，而传输特性则相反，它不影响施工，但施工对传输特性将
产生直接的影响。
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2.3.3 光纤的传输特性
械特性和温度特性。
光纤通信
光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性，另有机
1．光纤的损耗特性
光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐
减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）。
图2-3 光纤的折射率分布
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2.1 光纤的结构和类型
如图2-5和图2-6所示。
光纤通信
光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别
图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播
图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播
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2.1.2 光纤的分类
光纤通信
若按传输模的数量分类可分为多模光纤和单模光纤
若按传输波长分类可分为短波长光纤和长波长光纤
若按套塑结构分类可分为紧套光纤和松套光纤
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2.1.2 光纤的分类
1．按传输模数分类
光纤通信
按传输模的数量不同，光纤分为多模光纤和单模光纤。 传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何 尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播 模式进行传播。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式。
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2.2 光纤的导光原理
2．光的偏振
光纤通信
光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果
光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的 光称为线偏振光，如图2-11（c）和图2-11（d）所示。
从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如图2-11（a）
所示。 自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光
学习本章目的和要求
掌握光纤的结构和类型。
了解光纤的导光原理。
掌握光纤的特性。 掌握光缆的结构和种类。
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2.1 光纤的结构和类型
2.1.1 光纤的结构
光纤通信
1. 光纤结构
光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。
图2-1 光纤的结构
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2.1 光纤的结构和类型
（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。