0310第二章 光纤和光缆

入射角较大的光（高次模）处于靠近包层的区域， 虽然路程较长，但这里折射率n较低，光速较大。 入射角较小的光线（低次模或基模）靠近光轴， 路程较短，但这里折射率n较大，光速较小。。
光纤的传输模式


光线以某一角度射入光纤端面、并能在光纤 经纤芯—包层界面上形成全反射的传播光线 就可称为一个光的传输模式（mode）。 沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、 二次模等 。

当光纤的芯径很小时，光纤只允许与 光纤轴一致的光线通过，即只允许通 过一个基模，这种只允许传输一个模 式（基模）的光纤为单模光纤。 纤芯直径很小，约为4～10μ m，包层 直径为125μ m。连接时较困难。 传输频带宽，传输容量大。单模光纤 的带宽一般都在几十GHz以上，比渐 变型多模光纤的带宽高1～2个数量级。 适用于大容量、长距离的光纤通信。

一.是光源发出的并不是单色光； 光源发出的光有一定的波长范围，称光源的线宽 或谱宽。 二.是已调光脉冲信号有一定的带宽。 可以认为已调信号的带宽近似等于光源的谱宽。 可见， 光纤中的传输的光脉冲信号是由不同的
频率成分构成的。

结论：脉冲展宽会致使前后脉冲相互 重叠，引起数字信号的码间串扰。显然 色散现象大大地限制了单位时间内传输 的脉冲数，即限制了传输脉冲的速度或 信息容量。
光通道参数：衰减、色散 光信号在光纤中传输的距离要受到色散和衰 减的双重影响。 衰减 使在光纤中传输的光信号随着传输距离的增 加而功率下降。 1310nm窗口每公里衰减：0.4dB/km 1550nm窗口每公里衰减：0.25dB/km 色散会使在光纤中传输的数字脉冲展宽，引 起码间干扰，降低信号质量。
杂剂，主要是降低包层的光折射率n2；
涂层采用丙烯酸酯、硅橡胶、尼龙，增加机
械强度和可弯曲性。光缆是多根光纤放在放 在一个松套管内，内冲石油膏和钢丝形成的。 海底光缆内还有电源线，主要为中继站的放 大器等提供电源。
光纤横截面上的折射率分布 阶跃型光纤（Step-Index Fiber）
光纤纤芯的折射率n1和包 层的折射率n2都为一常数， 且n1>n2，在纤芯和包层的 交界面处折射率呈阶梯型变 化，这种光纤称为阶跃型光 纤。带宽较窄，适用于小容 量短距离通信。
缆芯:由单根或多根光纤组
成，其好坏和多少决定了光缆 传输光信号的质量和容量。 加强元件:材料可为钢丝或 非金属的纤维、增强塑料等。
护层:可分为内护层和外护 层。
2．光缆的种类

层绞式光缆
将若干根光纤芯线 以强度元件为中心排 列成一层,隔适当距离 进行一次绞合的结构。

（ａ）层绞式

层绞式光缆


G.654光纤：1550nm损耗最小光纤， 主要用于长再生中继距离的海底光缆。 G.655光纤：克服了G.652光纤在 1550nm处色散受限和G.653光纤在 1550nm处出现四波混频效应的缺陷， 适用于WDM系统。
2.2光缆
在实际通信线路中，将光纤制成不同结构形式的
光缆，使其具备一定的机械强度和防护能力，可以 承受敷设时施加的张力等，并能在各种使用环境下 保证传输性能的稳定、可靠。 1．光缆的基本结构



单模光纤的类型 G.652光纤：在1310nm波长窗口色 散性能最佳，是目前应用最广泛的光 纤。 在1310nm处，色散小，衰耗大； 在1550nm处，色散大，衰耗小； G.653光纤：在1550nm波长，衰耗 和色散皆为最小值，可实现大容量长 距离传输。因出现四波混频效应 (FWM),限制了它在WDM（波分复用） 方面的应用。
第二章
光纤和光缆
2.1光纤的结构和类型 光纤(optical fiber)：光导纤维的简称，是一种 圆柱介质光波导，它能够约束并引导光波在其 内部或表面附近沿其轴线方向向前传播。 1.光纤的结构
纤芯:是由高透明的材料制成,
(n2 )
是光波的传播媒体。
(n1 )
包层：是折射率稍低于芯的介
质材料。

骨架式光缆

带状式光缆

2.4.2 光缆的种类
2.4.3 光缆的规格和型号

和纤芯一起构成光波导。
（n1 > n2）

涂敷层：一般由高损耗的柔软材料(如塑料)制成。
保护纤壁不受损坏。
增强机械性能，保护光纤的作用。 阻止纤芯光功率串入邻近光纤线路，抑制串扰。
纤芯主要采用高纯度的SiO2二氧化硅，并
掺有少量的掺杂剂，提高纤芯的光折射率n1；
包层也是高纯度的二氧化硅，也掺杂一些掺

光纤的工作波长（工作窗口） 光线路信号在光纤上传送的波长： 850nm、1310nm、1550nm。 850nm窗口只用于多模传输 1310nm和1550nm窗口 用于单模 传输。
光纤的分类（按照传输模式数量）
多模光纤：MM（Multi-mode fiber） 允许光波以多个特定的角度射入光纤端

全反射原理 光线在均匀介质中是以直线传播的，但 在两种不同介质的分界面会产生反射和 折射现象，如图所示：
3 1 2
包层 n2 ห้องสมุดไป่ตู้芯 n1 入射光
折射光 反射光
光的反射与折射

全反射原理 当n2/n1的比值增大到一定程度，则 会使折射角≥90度，此时的折射光线 不再进入包层，而会在纤芯与包层的 分界面上掠过，或者重返回到纤芯中 进行传播，这种现象叫做光的全反射 现象。

当光纤的芯直径较大时，可允许光波以多 个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中 传播。就称这种光纤为多模光纤。 当光纤芯直径很小时，光纤只允许与光纤 轴方向一致的光线通过，即只允许通过一 个基模。就称这种光纤为单模光纤。


光实质是电磁波，所以光场的“模式”实 质上是电磁场的一种分布形式。模式不同， 其电磁场的分布不同。

渐变型光纤（Graded-Index Fiber）
光纤纤芯折射率n1随着半 径的增加而按一定规律减小， 到纤芯与包层交界处为包层 的折射率n2，即纤芯中折射 率的变化呈近似抛物线型。 这种光纤称为渐变型光纤。 频带较宽，适用于中容量， 中距离通信使用。


2.2 光纤的导光原理 光是一种频率很高的电磁波，而光纤 本身是一种介质波导。 我们从几何光学的角度来简单讨论光 纤的导光原理。 全反射原理 光线在均匀介质中是以直线传播的， 但在两种不同介质的分界面会产生反 射和折射现象，如图所示：

全反射现象
n2
3
1
折射光
n1
入射光
光的全反射现象
不难理解，当光在光纤中发生全反射现 象时，由于光线基本上全部在纤芯区进 行传播，没有光跑到包层中去，所以可 以大大降低光纤的衰耗。

光在光纤中的传播 光在光纤中以“Z”形轨迹传播及沿纤芯 与包层的分界面掠过
n2
n1

渐变光纤的导光机理
光在纤芯中的不断折射原理



光纤的传输特性

限制光纤通信发展的两个重要因素： 光信号经光纤传输后要产生减小和失真，因而 与输入信号不同，主要原因是光纤中存在 损耗 （Loss）和色散（Dispersion） 。
光纤的损耗 光波在光纤中传输，随着传输距离的增减 而光功率逐渐下降的现象，称为光纤的传 输损耗。 缩短了通信距离。从某种程度上讲，光 纤的损耗不可能降为0。
面，并在光纤中传播，称光纤中有多个传 输模式。这种能传输多个模式（基模、高 次模、低次模）的光纤称为多模光纤。
芯径大，其纤芯直径／包层直径约为：
50～75μ m／125～200μ m，易对接。
较近（几公里 ）。
带宽较窄，传输容量较小，传输的距离

适用于低速度、短距离的光纤通信。
单模光纤：SM（Singel Mode）
光纤的色散
光纤中的不同频率成分或不同的模式， 在光纤中传输时，由于速度不同而使得传播时 间不同，因此造成光信号中的不同频率成分或 不同模式到达光纤终端有先有后，从而产生波 形畸变的一种现象。
减少了通信容量 光纤中的色散 的分类

模式色散、材料色散、波导色散

送进光纤的光具有两方面的特征：