光纤通信第02章

一般来说，入射光的波长越长，进入包层的 光强比例就越大，波导色散就越大。
波导色散和材料色散都和入射光的波长有关， 故又统称为波长色散。
（5）三种色散的比较
模式色散 > 材料色散 > 波导色散
对于阶跃型光纤,模式色散占主要地位,其次是 材料色散和波导色散。
对于渐变型光纤，模式色散和波导色散可以 忽略，主要考虑材料色散。
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。
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wenku.baidu.com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。
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。
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。
1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数 n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并 且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型光纤中的传播 渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤
芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递 减直到等于包层的折射率。
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：
四、 模场直径
模场直径就是单模光纤中基模光斑的大小。一 般用下式估计：
模场直径一般越小越好，有利于增加光纤的抗弯 性能，但减小模场直径必然要增加相对折射率差,从 而会导致光纤色散的增加 。
五、光纤的色散特性
光纤的色散是指由于光纤中传输的 信号是由不同成分的光携带的，它们在 传输过程中速度不同，从而产生时间延 迟引起波形失真的一种物理现象。
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。
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
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.
一、 数值孔径
（1）阶跃型光纤的数值孔径
其中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折 射率差
（2）渐变型光纤的数值孔径(本地数值孔径）
二、归一化频率
归一化频率又称归一化波导宽度，它决 定光纤中传输模式的数量。
归一化频率定义为： 在阶跃型光纤中，传输模式的数量为： 在渐变型光纤中，传输模式的数量为
M V2 4
三、截止波长
在光纤中传播的各个模式都有其自身 的归一化截止频率Vc，当光纤的实际归一 化频率大于某一模式的截止频率时，该模 式可以在光纤中导行，否则该模式截止。 对应于截止频率的波长就叫做截止波长。
当光纤的归一化频率满足
时，光纤中只能传播一种模式，即光 纤的单模传输。
即保证光纤单模传输的条件是： 或
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：
图2.21光缆的典型结构示意图
2.4.2 光缆的种类与型号
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。
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。
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。
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。
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。
2.4 光 缆
2.4.1 光缆的典型结构
1. 光缆的构造 光缆的构造一般分为缆芯和护层两 大部分。
缆芯
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。
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. 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。
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。
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)。
反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决 定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的 两侧，并且反射角等于入射角，即：θ′=θ。 折射定律 ：折射光线位于入射光线和法线所 决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线 的两侧，且满足：
n1sinθ1=n2sinθ2
2.2.2 光纤中光的传播
一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光 纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线 始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播， 并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种 光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定 平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过 程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的 轴线相交，这种光线称为斜射线。
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。
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)。