光纤通信课件第二章

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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。
光纤通信
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。
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