第2章光纤和光缆

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光纤通信课后习题解答-第2章习题参考答案

光纤通信课后习题解答-第2章习题参考答案

第二章 光纤和光缆1.光纤是由哪几部分组成的?各部分有何作用?答:光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。

纤芯和包层是为满足导光的要求;涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤,同时增加光纤的柔韧性。

2.光纤是如何分类的?阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的?答:(1)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和渐变型光纤;按光纤中传输的模式数量,可以将光纤分为多模光纤和单模光纤;按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤;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;按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。

(2)阶跃型光纤的折射率分布 () 21⎩⎨⎧≥<=ar n ar n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121⎪⎩⎪⎨⎧≥<⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛∆-=ar n a r a r n r n cm α 3.阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA 是如何定义的?两者有何区别?它是用来衡量光纤什么的物理量?答:阶跃型光纤的数值孔径 2sin 10∆==n NA φ渐变型光纤的数值孔径 ()() 20-0s i n220∆===n n n NA c φ两者区别:阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关;而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。

数值孔径是衡量光纤的集光能力,即凡是入射到圆锥角φ0以内的所有光线都可以满足全反射条件,在芯包界面上发生全反射,从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。

4.简述光纤的导光原理。

答:光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点,使落于数值孔径角)内的光线都能收集在光纤中,并在芯包边界以内形成全反射,从而将光线限制在光纤中传播。

光纤通信课后答案

光纤通信课后答案

全书习题参考答案第1章概述1.1 填空题(1)光导纤维(2)掺铒光纤放大器(EDFA) 波分复用(WDM) 非零色散光纤(NIDSF) 光电集成(OEIC)(3)0.85µm 1.31µm 1.55µm 近红外(4)光发送机 光接收机 光纤链路(5)光纤 C=BW×log2(1+SNR) 信道带宽(6)大 大(7)带宽利用系数(8)可重构性可扩展性透明性兼容性完整性生存性1.2 解:利用光导纤维传输光波信号的通信方式称为光纤通信。

即以光波为载频,以光纤为传输介质的通信方式称为光纤通信。

1.3 解:(1)传输频带宽,通信容量大(2)传输距离长(3)抗电磁干扰能力强,无串音(4)抗腐蚀、耐酸碱(5)重量轻,安全,易敷设(6)保密性强(7) 原料资源丰富1.4 解:在光纤通信系统中,最基本的三个组成部分是光发送机、光接收机和光纤链路。

光发送机由电接口、驱动电路和光源组件组成。

其作用是将电信号转换为光信号,并将生成的光信号注入光纤。

光接收机是由光检测器组件、放大电路和电接口组成。

其作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。

光纤链路由光纤光缆、光纤光缆线路(接续)盒、光缆终端盒、光纤连接器和中继器等构成。

光纤光缆用于传输光波信息。

中继器主要用于补偿信号由于长距离传送所损失的能量。

光缆线路盒:将光缆连接起来。

光缆终端盒:将光缆从户外引入到室内,将光缆中的光纤从光缆中分出来。

光纤连接器:连接光纤跳线与光缆中的光纤。

1.5解:“掺铒光纤放大器(EDFA)+波分复用(WDM)+非零色散光纤(NIDSF)+光电集成(OEIC)”正成为国际上光纤通信的主要发展方向。

1.6 解:第一阶段(1966~1976年),实现了短波长(0.85µm)、低速(45或34 Mb/s)多模光纤通信系统,无中继传输距离约10km。

第二阶段(1976~1986年),光纤以多模发展到单模,工作波长以短波(0.85um)发展到长波长,实现了波长为1.31µm、传输速率为140~165Mb/s的单模光纤通信系统,无中继传输距离为50~100km。

光纤通信复习

光纤通信复习

新型的G.
光纤损耗的计算: Loss= P i / P o 谱线宽 20-50nm
调制是用数字或模拟信号改变载波的幅度、频率或相位的过程。
P i — 为输入功率 即:L(km)= (Pout-Prec-Ac-Pm)/Af
发散角大,与光纤的耦合效率低 (5-10%)
P o —为输出功率
常以分贝dB来表示 Ltot 所有损耗
DWDM技术 DWDM当前水平:
目前1.6Tbit/s WDM系统已经大量商用。
100km 10.9Tbit/s(273x40Gbit/s) 50GHz S、C和L波段
100km 10.2Tbit/s(256x40Gbit/s)交替75和 50GHz ,C和L波段
CWDM技术 技术参数:
波长组合:三种,即4、8和16个 波长通路间隔:20nm 允许波长漂移±6.5nm
LD特点 : 受激辐射、相干光、谱线窄、功率高 发光面小、发散较小,与光纤耦合效率高 寿命和可靠性比LED稍低
Table - Comparison of LEDs and Lasers
Characteristic
LEDs
Lasers
Output Power
Pr=10 μW=10log(10μ W/1mW)
<0.1
光检测器和光接收机
PIN光电二极管是在掺杂浓度很高的P型、N型半导 体之间,加一层轻掺杂的N型材料,称为I(本征 层)。由于是轻掺杂,电子浓度很低,经扩散后形 成一个很宽的耗尽层。这样可以提高其响应速度和 转换效率。
PIN光电二极管的优点
提高了响应速度
提高了长波的量子效率
噪声小
APD光电二极管 雪崩光电二极管,又称APD(Avalanche

第二章_光纤传输理论及传输特性(2011)

第二章_光纤传输理论及传输特性(2011)

按缆芯结构
中心束管、层绞、骨架和带状
按加强件和护层
金属加强件、非金属加强、铠装
按使用场合
长途/室外、室内、水下/海底等
按敷设方式
架空、管道、直埋和水下
19
光缆的结构(成缆方式)
层绞式 骨架式 中心束管式 带状式
20
光缆结构示意图
层绞式
中心束管式
带状式
纤芯直径(um) 包层直径(um) 材料 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅 二氧化硅
A1a
A1b A1c A1d A2a A2b A2c A3a A3b A3c A4a A4b A4c
50
62.5 85 100 100 200 200 200 200 200 980-990 730-740 480-490
21
松套层绞3
金属加强自承式光缆
24
微束管室内室外光缆*
微束管室内室外光缆适合大楼和多层住宅楼的管道引入使用,适合室 内和室外两种环境,芯数一般为12~32。微束管松套光纤为半干式结构, 便于室内光缆分支和施工。
25
分支型室内布线光缆*
分支型室内布线光缆采 用单芯子单元光缆结构,适 合在大楼竖井内中长距离上 的多处分纤终端,每条光缆 子单元均可用现场连接器直 接与终端相连接。光缆为全 介质结构,具有优良的防火 阻燃性能。抗拉强度和防火 等级满足室内垂直/水平布线 光缆的等级要求。芯数有 4/6/8/12/24多种。 与分支型室内布线光缆类似,还有一种束状室内布线光缆,使用 0.9mm紧套光纤,干式结构,纤芯密度高,重量轻。
光纤通信与数字传输
南京邮电大学
通信与信息工程学院
第二章 光纤传输理论及传输特性

第2章 综合布线工程常用材料与设备

第2章 综合布线工程常用材料与设备
撕剥线 外皮下面 导线
芯:4对
双绞线对
外皮
直径A
图2.14双绞系统2 4 AW G非屏蔽4 / 4对电缆
三、 电缆连接件 1.电缆连接器
连接器由插头和插座组成。这两种元件组成的连 接器连接于导线之间,以实现导线的电气连续性。RJ45模块就是连接器中的最重要的一种插座。
(1)RJ-45模块(Modular)
(3)5类4对24AWG非屏蔽软线 (4)5类4对26AWG屏蔽软线 (5)5类25对24AWG非屏蔽电缆
物理结构如图2.13所示。
撕剥线:外皮下面 导线
直径A
芯:25对电线在一起
双绞线对
外皮
直径B 图2.13 5 类2 5对2 4 AW G非屏蔽电缆
(5)双体电缆
双体电缆物理结构如图2.14所示
图2.9 标注签专用打印机
二、线缆 :电缆和光缆 1.电缆:双绞电缆和同轴电缆 (1)按护套分:阻燃型和非阻燃型 (2)按用途分:室外和室内 2.光纤:多模光纤和 单模光纤。 三、连接件 (1)按连接硬件在综合布线系统中的线路段落来划分 ① 终端连接硬件 ②中间连接硬件 (2)按连接硬件在综合布线系统中的使用功能来划分 ① 配线设备 ② 交接设备 ③ 分线设备 (3)按连接硬件的设备结构和安装方式来划分 ① 设备结构:有架式和柜式(箱式、盒式); ② 安装方式:有壁挂式和落地式;
3.光纤的传输特性 (1)光纤的传输衰减 (2)光纤的色散
1)光纤的色散
2)色散对光信号的影响
4.光纤通信系统
光纤通信系统的基本构成如图2.23所示
光纤通信系统主要优点: • ① 传输频带宽、通信容量大,短距离时达几千兆的传 输速率; • ② 线路损耗低、传输距离远; • ③ 抗干扰能力强,应用范围广; • ④ 线径细、质量小; • ⑤ 抗化学腐蚀能力强; • ⑤ 光纤制造资源丰富

光缆知识ppt课件

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第2章 通信光缆的类型与结构
4) 护套代号 Y——聚乙烯护套; V——聚氯乙烯护套; U——聚氨脂护套; A——铝-聚乙烯粘结护套(简称A护套); S——钢-聚乙烯粘结护套(简称S护套); W——夹带平行钢丝的钢-聚乙烯粘结护套(简称W护套); L——铝护套; G——钢护套; Q——铅护套。
第2章 通信光缆的类型与结构
第2章 通信光缆的类型与结构 图2-5 6芯室内分支光缆结构
第2章 通信光缆的类型与结构 图2-6 6芯分支光缆实物图
第2章 通信光缆的类型与结构
3) 互连光缆 互连光缆是为布线系统中的传输设备互连所设计的光缆, 使用的是单纤和双纤结构。这种光缆连接容易,在楼内布线 中它们可用作跳线,如图2-7、图2-8所示。 互连光缆直径小,弯曲半径小,更易敷设在空间受限的 场所,它们可以简单直接,或在工厂进行预先连接作为光缆 组件用在工作场所,或作为交叉连接的临时软线。
第2章 通信光缆的类型与结构
(2) 紧套光纤光缆的特点是光缆中光纤无自由移动的空 间。紧套光纤在光纤预涂覆层外直接挤下一层合适的塑料紧 套层。紧套光纤光缆直径小,重量轻,易剥离、敷设和连接, 但高的拉伸应力会直接影响光纤的衰减等性能,即它的弯曲 性能比松套光纤光缆差。
(3) 半松半紧光纤光缆中的光纤在光缆中的自由移动空 间介于松套光纤光缆和紧套光纤光缆之间。
第2章 通信光缆的类型与结构 图2-12 中心管式光缆结构
第2章 通信光缆的类型与结构 图2-13 中心管式光缆实物图
第2章 通信光缆的类型与结构
中心管式光缆的优点是:光缆结构简单、制造工艺简捷, 光缆截面小、重量轻,很适宜架空敷设,也可用于管道或直 埋敷设。中心管式光缆的缺点是:缆中光纤芯数不宜过多 (如分离光纤为12芯、光纤束为36芯、光纤带为216芯),松 套管挤塑工艺中松套管冷却不够,成品光缆中松套管会出现 后缩,光缆中光纤余长不易控制等。

《光纤的传输特性》PPT课件

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5
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非本征吸收
原材料将在光纤的制造过程中引入杂质,带来较 强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子, 如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和OH-。
OH-吸收峰
6
解决方法: (1)对制造光纤的材料进 行严格的化学提纯,比 如材料达到 99.9999999%的纯度 (2)制造工艺上改进,如 避免使用氢氧焰加热(汽 相轴向沉积法)
0.26
因此可以算出在1320 nm处, 波导色散为:
D w()n c2Vdd 2(V V 2)b1.9
24
精选ppt
标准单模光纤总的模内色散
一般来说材料色散的影响大于波导色散: |Dm| > |Dw|
DDmDw
1320
25
精选ppt
模间色散
多模光纤中不同导模具有不同的传播路径和速度导致了 模间色散。
导致的后果: 造成能量辐射损耗
低阶模功率耦合到高阶模
高阶模功率损耗
减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套
12
精选ppt
宏弯和微弯对损耗的附加影响
基本损耗 宏弯损耗
微弯 损耗
光纤弯曲带来额外损耗
V2 an1 2n2 21/22 aNA
增加,V减少
13
弯曲损耗随模场直径增加显著增加
精选ppt
27
精选ppt
PMD 对传输的影响
28
精选ppt
色散对传输带宽的影响:宽谱光源
比较大的时候,单模光纤带宽:
BSMF1 /T 41D /4L GH z
例:考虑一个工作在1550 nm的系统,光源谱宽为15 nm,使用 标准单模光纤D = 17 ps/km·nm,那么系统带宽和距离乘积:

梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案

梁瑞生《现代光纤通信技术及应用》课后习题及参考答案

第1章概述1-1、什么是光纤通信?参考答案:光纤通信(Fiber-optic communication)是以光作为信息载体,以光纤作为传输媒介的通信方式,其先将电信号转换成光信号,再透过光纤将光信号进行传递,属于有线通信的一种。

光经过调变后便能携带资讯。

光纤通信利用了全反射原理,即当光的注入角满足一定的条件时,光便能在光纤内形成全反射,从而达到长距离传输的目的。

1-2、光纤通信技术有哪些特点?参考答案:(1)无串音干扰,保密性好。

(2)频带极宽,通信容量大。

(3)抗电磁干扰能力强。

(4)损耗低,中继距离长。

(5)光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设。

除以上特点之外,还有光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长等特点。

1-3、光纤通信系统由哪几部分组成?简述各部分作用。

参考答案:光纤通信系统最基本由光发送机、光接收机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。

其中光发送机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号,光纤线路负责传输信号,而光接收机负责接收光信号,并从中提取信息,然后转变成电信号,最后得到对应的话音、图象、数据等信息。

(1)光发送机:由光源、驱动器和调制器组成,实现电/光转换的光端机。

其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制,成为已调光波,然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。

(2)光接收机:由光检测器和光放大器组成,实现光/电转换的光端机。

其功能是将光纤或光缆传输来的光信号,经光检测器转变为电信号,然后,再将这微弱的电信号经放大电路放大到足够的电平,送到接收端的电端机去。

(3)光纤线路:其功能是将发信端发出的已调光信号,经过光纤或光缆的远距离传输后,耦合到收信端的光检测器上去,完成传送信息任务。

(4)中继器:由光检测器、光源和判决再生电路组成。

它的作用有两个:一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。

(5)无源器件:包括光纤连接器、耦合器等,完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。

光纤通信专业知识讲座

光纤通信专业知识讲座
阶跃型光纤(Step-Index Fiber,SIF) 渐变型光纤(Graded-Index Fiber,GIF), 其折射率分布如图2.3所示。
图 2.3 光纤旳折射率分布
②按传播模式旳数量分类,能够将光纤分为: 多模光纤(Multi-Mode Fiber,MMF),
在一定旳工作波上,能够有多种模式在 光纤中传播。
(纵向)方向传播,纵向传播常数为 ,
场相对于时间旳变化是 e jt 。
x
2d
z y
图 2.7光波导旳构造及坐标选用
波导中旳场能够写为:
E
E0
x,
yexp
jt
z
H
H0 x,
yexp jt
z
Ex
j K2
H z y
E z x
Ey
j K2
H z x
E z y
Hx
K
j
2
H z x
E z y
Hy
j K2
J
m
J
m
U
a
U
r
cos m sin m
e
jz
H r1
j
a
2
UH 0
U a
Jm J
' Ur a
m U
j 1 E0 m r
J
m
J
m
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a
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2
0UH a
0
J
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J m U
jE0 m r
J
m
J
m
U
a

第二章 光纤传输理论及特性

第二章 光纤传输理论及特性
*在数据链路、用户接入网中普遍应用
2.1.2 光纤的分类
3.单模光纤的型号
ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655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,具有如下特点:
➢ 1310nm色散(1~3ps.nm-1.km-1),衰减0.34dB/km; ➢ 1550nm色散(17ps.nm-1.km-1),衰减0.20dB/km; ➢ 成本低,大多数已安装的光纤均为G.652,低损耗 ; ➢ 大有效面积,有利于克服非线性效应; ➢ 色散斜率大,大色散系数,色散受限距离短; ➢ 可用G.652+DCF方案升级扩容,但成本高;
光纤通信光纤通信76264264光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应受激散射非线性折射弹性散射非弹性散射参量过程自相位调制spm和色散配合产生光孤子交叉相位调制xpm高速光开关四波混频fwm参量放大器三次谐波拉曼散射光纤放大布里渊散射光纤传感光纤通信光纤通信77264264光纤中的非线性效应光纤中的非线性效应2srs受激拉曼散射当一定强度的光入射到光纤中时会引起光纤材料的分子振动进而调制光强产生间隔恰好为分子振动频率的边带
带状光纤单元放入凹槽内或松套管内,形成骨架式或层绞式结构。
如图2-27、2-28所示。
图2-27 中心束管式带状光缆
图2-28 层绞式带状光缆
2.1.3 光缆的结构
(5)单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆,如图2-29所示。 这种结构的光缆主要用于局内(或站内)或用来制作仪表测试软 线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。
图2-29 单芯软光缆
2.5.1 射线方程

第二章 光纤与光缆

第二章    光纤与光缆

38
波动方程的求解
运用分离变量法求解波动方程经过一系列数学处 理,可得
d 2Ez dr2

1 r
dEz dr
(n2k2 0

2

m2 r2
)Ez

0
d 2Hz dr 2

1 r
dH z dr
(n2k 2 0
2

m2 r2 )Hz
0
上式是贝塞尔方程,式中m是贝塞尔函数的阶数,称为方 位角模数,它表示纤芯沿方位角 绕一圈场变化的周期数。
23
光缆结构示意图
层绞式
中心束管式
带状式
24
2.2 光纤传输原理
2.2.1 射线光学分析方法 2.2.2 波动光学分析方法
25
★光的传输理论
光纤的三个基本性能指标
(1)定义临界角θc的正弦为数值孔径 (Numerical
Aperture, NA)
物理意义:数值孔径反映了光纤的集光能力,值越 大,集光能力越强。
2.1.3 光纤制造工艺
改进的化学汽相沉积法(MCVD) 轴向汽相沉积法(VAD) 棒外化学汽相沉积法(OVD) 等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)
19
光纤接续方法
□ 永久接续法 □ 连接器接续法
20
2.1.4 光缆及其结构
光缆是以光纤为主要通信元件,通过加强件 和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤 来完成传送信息的任务,因此光缆的结构设计必 须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。
单模光纤 多模光纤
14
单模光纤---色散最小
r n2 n1
2a =8.3m 2 b =125m
n(r) 2a

光纤通信(朱宗玖)第二章

光纤通信(朱宗玖)第二章

2. 按光纤截面上折射率分布分类
按照折射率分布来分,一般可以分为阶跃 型光纤和渐变型光纤两种。其折射率分析图如 图2.2所示。
图2.2 阶跃型和渐变型光纤折射率分布图
(1) 阶跃型光纤 如果纤芯折射率(指数)沿半径方向保持一 定,包层折射率沿半径方向也保持一定,而 且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变化 的光纤,称为阶跃型光纤,又可称为均匀光 纤。这种光纤一般纤芯直径为 50—80μm,特 点是信号畸变大。它的结构如图2.2(a)所示。
V 2πa

n n
2 1
2 2
(2-24)
对于光纤传输模式,有两种情况非常重 要,一种是模式截止,另一种是模式远离截止。
(1) 模式截止 当(wr/a)→∞, Kv(wr/a)→exp(-wr/a),要求 在包层电磁场为零即exp(-wr/a)→0,必要条件 是 w>0 。若 w<0 ,电磁场将在包层振荡,传输 模式将转换为辐射模式,使能量从包层辐射出 去。w=0(β=n2k)介于传输模式和辐射模式的临 界状态,这个状态称为模式截止。
根据 式
NA n0 sin 0 sin 0
sin 0 n n
2 1 2 2
可知,
对于弱导光纤,有n1≈n2,此时:
(n1 n2 ) / n1
sin 1 n1 2
式中Δ为相对折射率指数差。
光纤的数值孔径 NA 仅决定于光纤的折
射率n1和n2,与光纤的直径无关。
电磁场强度的切向分量在纤芯包层交界 面连续,在r=a处应该有 Ez1=Ez2 Hz1=Hz2 (2-20) Ef1=Ef2 Hf1=Hf2 由Ef和Hf的边界条件导出β满足的特征方 程为
2 (u ) J v (u ) Kv KV n12 J V n 1 1 1 2 1 1 [ ][ 2 ] v ( 2 2 )( 2 2 2 ) uJ v (u ) wK (W ) n2 uJ v ( w) wk v ( w) u w n2 u w

《光纤通信原理》PPT课件

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31
3-1-2 散射损耗
光线通过均匀透明介质时,从侧面是难 以看到光线的,如果介质不均匀,如空 气中漂浮的大量灰尘,我们便可以从侧 面清晰地看到光束的轨迹。这是由于介 质中的不均匀性使光线四面八方散开的 结果,这种现象称之为散射。散射损耗 是以光能的形式把能量辐射出光纤之外 的一种损耗。散射损耗可分为线性散射 损耗和非线性散射损耗。
红外吸收损耗对于波长大于2微米的光 波表现得特别强烈,形成红外吸收带。
29
杂质吸收损耗
杂质吸收损耗可以随杂质浓度的降低 而减小,直至清除。因此得到一个很宽 的低损耗波长窗口,有利于波分复用 (WDM)。
30
原子缺陷吸收损耗
原子缺陷吸收损耗可以通过选用合适的 制造工艺,不同的掺杂材料及含量使之 减小到可以忽略不记的程度。
2
1-1 光纤通信的发展与现状
1-1-1 早期的光通信 几千年前,中国就有火光通信:烽火
台,它是世界上最早的光通信,因为它 具有光通信的基本要素:光源、接受器、 信息加在光波上和光通道。
1880年,贝尔发明了光电话,它是现 代光通信的开端,但由于找不到实用的 传输手段而夭折。
3
1-1-2 光纤通信
3、弯曲特性 弯曲特性主要取决于纤芯与包层的相对折
射率差△ 以及光缆的材料和结构。实用光纤的 最小弯曲半径一般为50~70毫米,光缆的最小 弯曲半径一般为500~700毫米,等于或大于光 纤最小弯曲半径的10倍。在以上条件下,光辐 射引起的光纤附加损耗可以忽略,若小于最小 弯曲半径,附加损耗则急剧增加。
1950年曾出现过导光用的玻璃纤维, 但损耗高达1000db/Km,这天文数字的 损耗量,使有人认为光纤传输无实际意 义。
1960年,英籍华人高锟指出:如能将 光纤中过渡金属离子减少到最低限度, 有可能使光纤的损耗减少到1 db/Km,信 息容量可能超过100MHz。
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多模光纤传输光的原理
消逝波
kt
ki
i c
kr
( c ) 全 反 射 i c
• i < c 的光线将有部分光能进入包层泄漏出去, 如图2.2.2 (a)所示。
• 当 i = c 时,光线在波导内以 c 入射到纤芯与包层交界面,并沿交界面 向前传播 ( 折射角为 t ),如图2.2.2 (b)所示。
• 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高 的同轴圆柱形电介质波导;
• 根据光纤横截面上折射率的径向分布情 况,光纤分为阶跃型和渐变型两种;
• 作为信息传输波导,实用光纤有两种基 本类型,它们是多模光纤和单模光纤。
阶跃多模光纤结构
光纤是一种 纤芯折射率 比包层折射 率高的同轴 圆柱形电介 质波导
阶跃(SI,
Internal Reflection),这就 是光纤波导传输 光的原理。
多模光纤传输光的原理
消逝波
kt
ki
i c
kr
(c)全反射 i c
2.2.2 传输条件
• 全反射条件
我们已经知道, 光波从折射率较大的介质入射进入折射率 较小的介质时,在边界将发生反射和折射, 当入射角超过 临界角时,将发生全反射。
光强
3 21
0
1.0
t
0.5
传 输 路 径 光 线 3>2>1
t
SI
• 代表各模的光线以不同的路经在纤芯内传输,在传输速 度相同的情况下(均为c/n1, c是自由空间光速),到达终点 所需的时间也不同。
• 光线经接收机内的光电探测器变成各自的光电流,这些 光电流在时域内叠加后,从而使输出脉冲相对于输入脉 冲展宽了。
(2.2.3)
全 反 射 时 由 式 (2.2.2) 可 知 ,
sinc n2 n1 ,将此式 代入式(2.2.3), 得

sinmax
n12 n22 1 2 n0
当光从空气进入光纤时,n0 1 ,所以
sin max n12 n22 1 2 (2.2.4)
n1 n2 > n0
< max
渐变多模光纤---色散较小
r n2
2b
n1
n(r) 2a
光强 2b
2a =62.5 m 2 b =125 m
3 21
0
0'
t
0''
1.0
0.5
传 输 路 径 : 光 线 3>2>1
折 射 率 :n3 < n2 < n1
t
GI
• 渐变(GI, Graded Index)多模光纤折射率 n1不像阶跃多模光纤是个常数, 而是在纤芯中心最大,沿径向往外按抛物线形状逐渐变小,直到包层 变为 n2。
i r A''
t t B' ir B
i r
波前
Ai k i 入 射 光 Bi
k r Br
Ar 反 射 光
光纤波导传输光的原理---临界角
因 n1 n2 时 , 折 射
角要比入射角大,当折射
角t 达到 90o 时,入射光沿
交界面向前传播,此时的
入射 角 称 为 临界 角c , 并
由下式给出
sin c sin t
A''
t
t B'
i r B
透射光 (折射光)
kt
Bt
n1 n2
i r
波前
Ai k i 入 射 光 Bi
k r Br
Ar 反射光
从折射光构成的三角形
AAB 和 ABB 中 ,
BB 1t ct n1

AA 2t ct n2 。 从 几 何 光 学
我们可以得到,
AB 1t 2t sin i sin t
第二章 光纤和光缆
2.1 光纤结构和类型 2.2 光纤传输原理 2.3 光纤传输特性 2.4 单模光纤的进展和应用 2.5 光纤的选择 2.6 光缆
• 光纤是一种玻璃丝,其材料是石英(SiO2),是 通信网络的优良传输介质,得到广泛的应用。
• 和电缆相比,光纤具有信息传输容量大,中继距 离长,不受电磁场干扰,保密性能好和使用轻便 等优点。
• 光线沿轴线直线传播, 色散使输出脉冲信号展 宽最小。
单模光纤结构
r n2 n1
n(r) 2a
2b
2a =8.3m 2 b =125m
表2.1.1 阶跃多模光纤、渐变多模 光纤和阶跃单模光纤的特性比较
(n1 n2 ) n1
芯径 2a( m) 包层直径( m)
NA 带宽距离 或色散
衰减( dB/ km )
• 相干加强条件
对于特定的光纤结构,只有满足一定条件的电磁波可以 在光纤中进行有效的传输。这些特定的电磁波称为光纤
模式。
• 光纤中可传导的模式数量取决于光纤的具体结构和折射
率的径向分布。如果光纤中只支持一个传导模式, 则称该光纤为单模光纤
• 相反,支持多个传导模式的光纤称为多模光纤
图2.2.3 不同入射角的光线
t
SM

预制棒


加热炉

线径测量

预涂覆

牵引辊
在 鼓 上 的 光 纤
光纤结构
• 纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2,含量达 99.999%,其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等, 以提高纤芯的折射率。
• 纤芯直径约为 8 m ~100 m。 • 包层材料一般也为SiO2,外径为125 m,作用是
n1 n2 > n0
n0
<max
A B
>max
B
>c
< c 900_ c
损失
n2
消逝波
A 全反射
n1 n2
• 光线在光纤端面以不同角度 从空气入射到纤芯,不是所有的光线能够在光纤内传输,只有一定 角度范围内的光线,在射入光纤时,产生的折射光线才能在光纤中传输。
• 假如在光纤端面的入射角是 ,在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是 。此时, > c(临界 角)的光线将发生全反射,而 < c的光线将进入包层泄漏出去。
• 于是,为了光能够在光纤中传输,入射角 必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生全发射而 返回纤芯,并以曲折形状向前传播。
全反射条件
最 大 的 角 应 该 是 使 c 。 在 n0 / n1 界面,根据斯奈尔(Snell)定律,即
式(2.2.1)得到
sin max
sin 90o c
n1 n0
渐变多模光纤(GI) 性能介于SI光纤和单模光纤之间
• 阶跃(SI)多模光纤的主要缺点是存在大的模 间色散,光纤带宽很窄;
• 而单模光纤没有模间色散,只有模内色散,所 以带宽很宽。
• 但是随之出现的问题是,因单模光纤芯径很小, 所以把光耦合进光纤很困难。
• 那么能否制造一种光纤,既没有模间色散,带 宽较宽,芯径较大,又使光耦合容易,这就是 渐变折射率多模光纤,简称渐变多模光纤。
2.1.2 单模光纤---色散最小
r n2 n1
2a =8.3m 2 b =125m
n(r) 2a
光强 2b
0
1.0
0.5
t
脉 冲 展 宽SI > GI > SM
t
SM
• 只能传播一个模式的光纤称为单模光纤
• 标准单模(SM, Single Mode)光纤折射率分布和 阶跃型光纤相似,只是纤芯直径比多模光纤小 得多,模场直径只有(9~10)m
应用光源 典型应用
多模光纤
阶跃多模光纤
渐变多模光纤
0.02
0.015
100 140 0.3 (20~100)MHz km
62.5 125 0.26 (0.3~3)GHz km
850nm: 4~6 1300nm: 0.7~1
LED 短距离或用户接
入网
850nm: 3 1300nm: 0.6~1
1550nm: 0.3 LED, LD
把光强限制在纤芯中。 • 为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性,
还在包层外增加一层涂覆层,其主要成分是环氧 树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在 纤芯传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离, 并起一定的机械保护作用。
2.1.1 多模光纤
• 可以传播数百到上千 个模式的光纤,称为 多模(MM, Multimode)光纤。
• 多模光纤(G.651)
普通单模光纤(G.652)
• 色散移位光纤(G.653) 非零色散移位光纤(G.655)
• 色散补偿光纤 在1.55m衰减最小的光纤(G.654)
• 全波光纤。
G.652:( SiO2+GeO2 ) 纤芯
G.654: SiO2纤芯
SiO2包层
0.35%(G.652)
0.4% (G.654)
• 这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。
• 色散较小的理由:虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输,但是这 种光纤的纤芯折射率不再是一个常数,所以各模的传输速度也互不相 同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢,因折射率最大;越远离轴线, 到达终点传输的距离越长,但传输速度越快,这样到达终点所需的时 间几乎相同,输出脉冲展宽不大。
或者
sini 1 n2 sin t 2 n1
(2.2.1)
这就是斯奈尔(Snell)定律,
它表示入射角和折射角与介质
折射率的关系。
图1.3.1 光波从 折射率 较大的 介质入 射进入 折射率 较小的 介质, 在边界 反射和 折射
n1 n2
At
透射光 (折射光)
t
kt
Bt
A'
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