光纤通信第02章

2. 按光纤中传输的模式数量，可以将光
纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
图2.2 光纤的折射率分布
图2.3 光在阶跃折射率多模光纤中的传播 图2.4 光在渐变折射率多模光纤中的传播
在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传 输时，则这种光纤称为多模光纤。
散射损耗包括瑞利散射损耗和结构不完善 散射损耗。
3. 附加损耗
（1）弯曲损耗 （2）接续损耗 （3）耦合损耗
4. 实用光纤的损耗
光纤的总损耗α与波长的关系可以用下式表示：
A
4
B
CW ()
IR()
UV
()
其中：A为瑞利散射损耗系数，B为结构缺陷散射 损耗系数，CW(λ),IR(λ),UV(λ)分别为杂质吸收、 红外吸收和紫外吸收产生的损耗。
图2.1 光纤结构示意图
2.1.2 光纤的类型
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤 截面折射率分布来分类，又可以按照光纤 中传输模式数的多少、光纤使用的材料或 传输的工作波长来分类。
1. 按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分布的不同可以将 光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber， GIF)，其折射率分布如图2.2所示。
材料色散的计算公式为：
m m L
（3）波导色散
波导色散是由光纤的几何结构所引起的色散。其 产生原因是由于光纤的包层和纤芯折射率相差很小， 光线在其交界面上产生全反射时，有可能有一部分 光进入包层中传输。在传输一定距离后，这部分光 又有可能回到纤芯进行传输，这样传输将导致模内 各信号的速度不同，从而引起色散。
4. 按ITU-T建议分类 按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤 分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤 (常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、 G.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散 位移光纤)光纤。
5.按制造材料分 石英光纤、塑料光纤、多成分玻璃光纤等。
对于理想单模光纤，无模式色散，只有材料 色散和波导色散。
光纤总色散等于一般可用公式
2 n
2 m
2 w
计算
从多模阶跃型光纤到多模渐变型光纤到单模 光纤，色散依次减小。
六、光纤的损耗特性
光纤的损耗系数定义为单位长度光纤光功率衰减的 分贝数
10 log pi (dB / km)
L po
光纤的损耗大致可分为光纤本身具有的固有损 耗和由使用条件造成的附加损耗两部分。固有损耗 包括吸收损耗和散射损耗；附加损耗包括耦合损耗、 弯曲损耗和接续损耗等。
光纤的色散通常用时延差来表示，色散越 严重，时延差就越大。其单位一般为ns/km , ps/km。光纤的色散一般包括模式色散、材料 色散和波导色散。
（1）模式色散：
指在光纤中由于各模式的轴向速度不同， 使得到达终点的时间不同而引起的脉冲展 宽。
阶跃型光纤的模式色散
设光纤长度为L，纤芯折射率为n1，空气中的光速为
1. 吸收损耗
吸收损耗是指由于组成光纤的材料及其中的杂 质对光波的吸收，使一部分光能转变为散失的热能， 从而造成光功率的损失。
吸收损耗包括本征吸收损耗、杂质吸收损耗和原 子缺陷吸收损耗。
2. 散射损耗
散射损耗是指由远小于波长的不均匀（如 折射率的不均匀性、掺杂离子浓度不均匀等） 引起光的散射而造成的损耗。
3. 斜射线在光纤中的传播也满足光传播的三
大定律，只不过不能用二维的平面图直观的表 示出来。
2.2.3 光纤传输的波动理论
所谓光纤传输的波动理论就是研究光在光 纤中传播时的电磁场分布情况。
光与无线电波或X射线一样都是电磁波， 同样满足电磁波方程即麦克斯韦方程。当电 磁波在没有电流和电荷的线性均匀介质上传 播时，麦克斯韦方程可以简化为波动方程， 用公式表述为：
c，则纤芯中的光速为
最低次模沿光纤轴线前进，所走长度为L，其传输所用 的时间最短 ，为
最高次模走的路径最长，为L/sin c ，（c 为产生全反 射的临界角）其传输所用的时间最长，为
t2
L
v sinc
Ln1
c sinc
光线2 θc
光线1
图2.7 阶跃型多模光纤中最高模和最低模的传输示意图
最高次模和最低次模之间的传输时间差为：
图2.8 光纤的带宽(f为调制信号频率)
通常把调制信号经过光纤传播后，光功率下降 一半(即3dB)时的频率(fc)的大小，定义为光纤的 带宽(B)。由于它是光功率下降3dB对应的频率， 故也称为3dB光带宽。
带宽是光纤的重要参数，它与色散有着直接的关 系：
f 3dB
441 (MHz)
其中： f3dB 为光脉冲的3dB带宽， Δτ单位为ns/km.
单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光 纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延 差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高 码速传输是非常重要的。
几种典型的特种单模光纤如图2.5所示

图 2.5 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯
3. 按光纤的工作波长分类 按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤 (850nm) 、 长 波 长 光 纤 (1310nm) 和 超 长 波 长光纤(1550nm)。
缆芯通常包括芯线和加强件两部分。在光缆 的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光 纤的安全运行关系很大。
一般来说，缆芯结构应使光纤在缆芯内处于 最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光 缆受到一定的外力时，光纤不应承受外力影响； 多芯光缆还要对光纤进行着色以便于识别；为防 止气体和水分子浸入，缆芯中应具有各种防潮层 并填充油膏；另外缆芯截面应尽可能小，以降低 成本和敷设空间。
渐变型光纤的模式色散
渐变型光纤的子午线轨迹近似为正弦波，由于
折射率的分布 使得各光线到达终点的时间几乎相同， 因此渐变型光纤的模式色散很小几乎为零。
渐变型光纤模式色散的计算公式为：
G
n(0) 2 , c
n(0)
g g
2 2c
,
g2
g2
（2）材料色散
材料色散是指由于构成光纤的材料的折 射率随传输光波的频率而变化，导致模内 不同频率信号的传输速度不同而引起的色 散。
2.1.3 光纤的制造工艺
光纤是由圆柱形预制棒拉制而成的，因而光 纤的生产工艺包括预制棒的制造和拉丝工艺。
化 学 汽 相 沉 积 法 （ MCVD) 是 目 前 使 用 最 广
泛的预制棒生产工艺。
2.2 光纤传输原理
2.2.1 基本光学定义和定律
光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速 度为
v=c/n 式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中 的传播速度；n是介质的折射率(空气的折射 率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45 左右)。
从多模阶跃光纤到多模渐变型光纤到单模光纤， 损耗依次减小。
七、传输带宽
光纤的色散和带宽描述的是光纤的同一特性。 其中色散特性是在时域中的表现形式，即光脉冲经 过光纤传输后脉冲在时间坐标轴上展宽了多少；而 带宽特性是在频域中的表现形式，在频域中对于调 制信号而言，光纤可以看作是一个低通滤波器，当 调制信号的高频分量通过光纤时，就会受到严重衰 减，如图2.8所示。
电场E和磁场H都有三个分量，它们的解都 具有下列形式（以Ez为例）：
其中A是场的幅度，ω是角频率， β为传播常数。
所谓光在光纤中的传输模式就是波 动方程的一个个稳态解。只要求解出 麦克斯韦方程的稳态解就可以知道光 在光纤中传输时的电磁场分布，也就 得到了光线的传输模。
2.3 光纤的特性参数
光纤的主要特性参数包括：数值孔径、 归一化频率、截止波长、模场直径、色 散特性、损耗特性及传输带宽。
护层
光缆护层同电缆护层的情况一样，是 由护套和外护层构成的多层组合体。其作用 是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场 地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、 跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构， 护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等 机械特性方面的能力。
2. 光缆的典型结构
光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般 可以分为层绞式、骨架式、中心束管式 和带状式四种，如图2.21所示。我国及 欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞 式和骨架式两种。
由于
n
t2
t1
Ln1 c
(1
sin c
1)
sin c
n2 n1
所以
n
Ln1 c
( n1 n2
1)
Ln1 c
n1 n2 n2
Ln1 LNA2
c
2n1c
最高次模和最低次模的单位长度时延差称为
最大时延差，即模式色散Δ n 为最大值
nmax
n1 c
NA2
2n1c
由此可见，光纤的模式色散时延差与相对折射 率差成正比，相对折射率差越大时延差越大，故 希望相对折射率差越小越好。
图2.21光缆的典型结构示意图
2.4.2 光缆的种类与型号
第二章 光纤和光缆
2.1 光纤的结构与类型 2.2 光纤传输原理 2.3 光纤的特性参数 2.4 光 缆
2.1 光纤的结构与类型
2.1.1 光纤的结构
光纤(Optical Fiber) ，即光导纤维，是用 来导光的透明介质纤维。一根实用化的光纤一 般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射 率较低的包层和外面的涂覆层，如图2.1所示。
光纤的总带宽可由经验公式：
f
f 3dB Lr
441
Lr
(MHz)
给出。
其中：L为光纤长度，单位为km，r为带宽距离 指数，对于多模光纤取值在0.5-0.9之间，一般 取0.7，对于单模光纤取1。