第二章 光纤和光缆本科

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即0<V<２.40483，此条件即为阶跃型光纤 ２ ， 的单模传输条件
第四节 光纤传输特性
光纤损耗 光纤色散 光纤标准和应用
一．光纤损耗
光纤损耗的分类 光纤损耗谱 光纤的损耗（或衰减） 光纤的损耗（或衰减） ：光波在光纤 中传输，随着传输距离的增加， 中传输，随着传输距离的增加，而光 功率强度逐渐减弱， 功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生 衰减作用。 衰减作用。
②散射损耗
定义：由于光纤的材料、形状、折射指数 定义：由于光纤的材料、形状、 分布等缺陷或不均匀， 分布等缺陷或不均匀，使光纤中传导的光 散射而产生的损耗 分类： 分类：
瑞利散射（ ）：由于材料的折射率随机性变化 瑞利散射（Rayleigh）：由于材料的折射率随机性变化 ）： 而引起的。（不能消除） 。（不能消除 而引起的。（不能消除） 材料不均匀引起的散射：气泡，未发生反应的原材料， 材料不均匀引起的散射：气泡，未发生反应的原材料， 及纤芯和包层交界面粗糙
第二章
光纤和光缆
了解光纤和光缆的结构和类型 掌握光纤传输原理和传输特性
第二章
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
光纤和光缆
光纤的结构和类型 光学原理 阶跃型光纤 光纤的传输特性 常用的光缆结构和类型
第一节 光纤的结构和类型
光纤结构 光纤的种类
一. 光纤结构
纤芯 包层 n2 n1
纤芯的作用是导光；其折射率为（ 纤芯的作用是导光；其折射率为（一般 导光 是1.463~1.467）。 ）。 包层的作用是将光封闭在纤芯内并保护 光纤，其折射率为（一般是1.45~1.46 光纤，其折射率为（一般是 左右） 左右）
2.光纤损耗谱 光纤损耗谱
多模(MM) 工作于 850 nm 和 1300 nm 多模 单模(SM) 工作于 1310 nm 和 1550 nm 单模
光纤通信的三个损耗窗口： 光纤通信的三个损耗窗口： 0.85µm（短波长窗口） （短波长窗口） 1.31µm（长波长窗口） （长波长窗口） 1.55µm（长波长窗口） （长波长窗口）
二. 光的反射和折射定律
反射定律： 反射定律：θ1 = θ3 折射定律： 折射定律： n1sin θ1 = n2sin θ2
当入射角θ 大到某一值θ 当入射角 1大到某一值 c时，可使折射角 θ2=90°，此时的折射定律变为ｎ1sinθ1=ｎ ° 此时的折射定律变为ｎ ｎ ° 这时的入射角 称为临界角。 称为临界角 2sin90°。这时的入射角θc称为临界角。 sinθc=ｎ2/ｎ1。 ｎ ｎ 显然，如果入射角再增大， 显然，如果入射角再增大，则光线不能再进入 只能全部反射回介质ｎ 介质ｎ 介质ｎ2中，只能全部反射回介质ｎ1，这种现 象称为全反射 光纤就是利用光的这种全反射 全反射。 象称为全反射。光纤就是利用光的这种全反射 特性导光的 特性导光的。
四．阶跃型光纤的单模传输条件
1.截止波长：单模光纤中光信号能以单模 截止波长： 截止波长 方式传播的最小波长。 方式传播的最小波长。
2.归一化截止频率 归一化截止频率
V = 2∆ n1a 2π
λ
a:芯半径 芯半径
对应着归一化截止频率的波长为截止波长， 对应着归一化截止频率的波长为截止波长，用 归一化截止频率的波长为截止波长 表示： λc表示： 表示 2π 2∆ an1 λc =
多模光纤截面图
多模(MM) 多模 芯层 包层
85 µm
表层
规格: 规格 62.5/125um 50/125um 100/140um
头发的尺寸
3.按光纤的材料来分 按光纤的材料来分
石英系光纤：纤芯、包层由 石英系光纤：纤芯、包层由SiO2适当的杂质 制成。 制成。 石英芯、塑料包层光纤：纤芯用石英、 石英芯、塑料包层光纤：纤芯用石英、包层是 硅树脂。 硅树脂。 多成分玻璃纤维：用钠玻璃掺有适当杂质制成。 多成分玻璃纤维：用钠玻璃掺有适当杂质制成。 塑料光纤：纤芯和包层都是塑料制成。 塑料光纤：纤芯和包层都是塑料制成。
当n0 = 1时(空气) NA = n1 1 − sin 2 ψ 1
2 n2 2 = n1 1 − 2 = n12 − n2 = n1 2∆ n1
三．时间延迟
光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程L(oy)， 的光纤中传输，所经历的路程 光线在长度为 的光纤中传输 ， 不大的条件下， 在θ不大的条件下，其传播时间即时间延迟为：式中 不大的条件下 其传播时间即时间延迟为： C=3×108m/S。为真空中的光速。 × 。为真空中的光速。
n1l n1 L n1 L θ12 1 + τ= = ≈ c c cos θ1 c 2
最大入射角（ 和最小入射角（ 最大入射角（ θ= φ ）和最小入射角（ θ=0）的光线之间 ） 时间延迟差近似为
∆τ = L 2 L (NA)2 ≈ n1 L ∆ φ = 2n1c 2n1c c
纯SiO2波长色散关系图
（2）波导色散 ）
由于波导结构参数与波长有关而产生的， 由于波导结构参数与波长有关而产生的，它 取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率 差。 一定范围内，波导色散与材料色散符号相反。 一定范围内，波导色散与材料色散符号相反。
(3)模式色散 模式色散
由于传输的不同模式的时间延时不同而产生。 由于传输的不同模式的时间延时不同而产生。 传输的不同模式的时间延时不同而产生
二．数值孔径的概念
定义：表示光纤捕捉光射线能力的物理量， 定义：表示光纤捕捉光射线能力的物理量ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ用NA 表示
n0 sin θ c = n1 sin θ1 = n1 cosψ 1 NA = n0 sin θ c = n1 cosψ 1 ∵ n1 sinψ 1 = n2 sin 90° = n2 ∴ sinψ 1 = n2 n1
(2) 渐变型光纤（非均匀光纤） 渐变型光纤（非均匀光纤）
纤芯中心的折射率最大，沿径向向外逐步变小， 纤芯中心的折射率最大，沿径向向外逐步变小， 最后达到包层的折射率。包层折射率n2是均匀 最后达到包层的折射率。包层折射率 是均匀 的。 纤芯直径为50µm，光线以正弦形状传播 纤芯直径为 ， 特点是信号的畸变小。 特点是信号的畸变小。
折射率分布像W型 折射率分布像 型，它 的横截面也分为三个区 域，每个区域内的折射 率也都是均匀的。 率也都是均匀的。 n１〉n２〉n３ １ ２ ３ 可以实现超大容量超长 距离传送。 距离传送。
２b
纤芯：2a＝４~10µm 内包层： 2a’＝10~100µm 外包层： 2b＝125µm
③单模三角型光纤
(1)阶跃型光纤 突变型光纤 阶跃型光纤(突变型光纤 阶跃型光纤 突变型光纤)
纤芯的折射率n1保持不变， 纤芯的折射率 保持不变，到包层突然变为 保持不变 n2，折射率有一不连续的阶跃性突变。 ，折射率有一不连续的阶跃性突变。 纤芯直径为50~80µm，光线以曲折形状传播 纤芯直径为 ， 特点是信号畸变大。 特点是信号畸变大。
1. 光纤损耗的分类
（1）固有损耗 ）
①吸收损耗
光波通过光纤材料时，有一部分光能转成热能，从而 光波通过光纤材料时，有一部分光能转成热能， 造成光功率的损失 本征吸收： 本征吸收：光纤材料固有的 红外吸收： 红外吸收：分子震动引起 紫外吸收： 紫外吸收：材料电子的跃迁引起 杂质吸收：材料的不洁（ 铜等， 离子） 杂质吸收：材料的不洁（铁、铜等，OH-离子） 结构缺陷吸收(主要在设计上 主要在设计上) 结构缺陷吸收 主要在设计上
90 °
Air 空气 2 空气n
θ2
θ1
Glass 玻璃 1 玻璃n
θ3
临界角θc
第三节 阶跃型光纤
相对折射指数差 数值孔径的概念 时间延迟 阶跃型光纤的单模传输条件
一.相对折射指数差△ 相对折射指数差
相对折射指数差 相对折射指数差△=（n12-n22）/2n12 指数 ≈ （n1-n2）/n1
2. 按传输模式的多少来分
单模光纤 多模光纤
(1) 单模光纤
只能传输一个模式。 只能传输一个模式。 纤芯直径较小， 纤芯直径较小，约为 4µm~10 µm。 µ 。 传输带宽宽，适用于大容量、 传输带宽宽，适用于大容量、 长距离通信。 长距离通信。 激光光源（ ）。 激光光源（LD）。 下工作。 在1310和1550nm下工作。 和 下工作
纤芯折射率分布曲 线为三角形， 线为三角形，在 1.55µm有微量色 有微量色 散 用于密集波分复用 和孤子传输
④单模椭圆型光纤
纤芯折射率分布为椭 圆型， 圆型，这种光纤具有 双折射特性 传输距离长。 传输距离长。
（2）多模光纤 ）
可以传输多种模式。 可以传输多种模式。 纤芯直径大，约为50 纤芯直径大，约为50 µm ~80µm 。 带宽窄，短距离。 带宽窄，短距离。 使用发光二极管光源（ 使用发光二极管光源（LED） ） 在850或1300nm下工作 或 下工作
光纤通信中主要使用石英系光纤。 光纤通信中主要使用石英系光纤
4. 按光纤的套塑层分 紧套光纤 松套光纤
(1) 紧套光纤
光纤被套管紧 紧箍住， 紧箍住，不能 在其中松动。 在其中松动。
(2)松套光纤 松套光纤
光纤的护套为松 套管， 套管，即光纤能 在其中松动。 在其中松动。
第二节 光学原理
折射率 光的反射和折射定律
单模光纤截面图
单模(SM) 单模 芯层 包层 表层
规格: 规格 8.3/125 µm 9/125 µm
85 µm
头发的尺寸
①单模环型光纤
折射率分布与突变型光纤相似 光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传 播。 它的折射率最高，其信号畸变小。 它的折射率最高，其信号畸变小。
型光纤（ ②单模w型光纤（也称为双包层光纤） 单模 型光纤 也称为双包层光纤）
(2)附加损耗 附加损耗