第2章光纤和光缆

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。
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
>c
A
n0
90 0_ c
n2
消逝波
A
全反射
n1 n2
数值孔径
n1 n2
n2
B
消逝波
(NA)
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。
• 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
本地网，宽域网或 中等距离
阶跃 单模光纤
0.003
8.3(MFD = 9.3) 125 0.1
<3.5ps/(km nm) >100(Gb/s) km
850nm: 1.8 1300nm: 0.34 1550nm: 0.2
LD 长距离通信
光纤种类
为调整工作波长或色散特性，改变折射率分布，可以
设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有：
• 根据折射率在纤芯和
(a) 阶
r n2 n1
纤芯 包层
跃 多
n(r) 2a
模
2b
光
纤
2a =100 m
2 b =140 m
包层的径向分布情况， (b) r n2
2b
又可分为阶跃多模光
渐 变
n1
纤和渐变多模光纤。
多 模
n(r) 2a
2b
光
纤
2a =62.5 m
2 b =125 m
多模光纤的模间色散
• 随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围 不断扩展。光纤通信在高速率长距离干线网和用 户接入网方面的发展潜力都很大。
• 为保证光纤性能稳定，系统运行可靠，必须根据 实际使用环境设计各种结构的光纤和光缆。
• 本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和 光缆的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。
2.1 光纤结构和类型
• 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 ）
n2
r n2
n1
2b
n(r) 2a
2b
2a =62.5m 2 b =125m
图2.1.1 实用光纤三种基本类型
折射率分布 光纤结构
输入光脉冲
光线在纤芯内的路经
输出光脉冲
(a) 阶
r n2 n1
纤芯
包层 光强
跃 多 模
n(r) 2a
2b
光
纤
2a =100 m
2 b =140 m
(b) r n2
渐 变
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
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。
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
n1
2b
多 模
n(r) 2a
光
纤
2a =62.5m 2 b =125m
光强 2b
r n2
(c)
n1
单 模 光
n(r) 2a
纤
2a =8.3m 2 b =125m
光强 2b
3 21
0 t
3 21
0
0'
t
wenku.baidu.com
光强
1.0 0.5
t
SI
光强
0''
1.0
0.5
t
GI
光强
0
1.0
t
0.5
脉 冲 展 宽 SI > GI > SM
• 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)
t
SM
光
预制棒
纤
拉
加热炉
丝
线径测量
装
预涂覆
置
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
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
Step Index) 多模光纤折 射率 n1在纤 芯保持不变， 到包层突然 变为 n2
r n2 n1
SiO 2 + GeO 2 SiO 2 纤芯 包层
n(r) 2a
2b
2a =100 m 2 b =140 m
渐变多模光纤
• 渐变(GI,
Graded Index)多模 光纤折射率 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
sin c
n2 n1
n1 n2
t
n2 kt
ki
i c
kr n1
临界角 i c
图2.2.2 光波从折射率较大的介质以三种不同的入 射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况
n1 n2
n2 n1
ki
入射光
t kt 透 射 光
（折射光）
i r
kr
ki
反射光
t kt c c kr
(a) i c
( b ) 临 界 角 i c
(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
到
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
• 当入射角超过临界角（ i > c ）时，没有透射光，只有反射光，这种现 象叫做全反射 (TIR，Total Internal Reflection), 如图2.2.2 (c) 所示，这就 是多模光纤波导传输光的原理。
光纤传输--全反射条件
当 入 射 角i 超 过 临 界 角c （ i c ） 时 ， 没有透射光，只 有反射光，这种 现象叫做全反射 (TIR ， Total
• 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'
n2
n1
A t i
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。
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。
• 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---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。
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。
125m
(a)标准单模光纤
SiO2+GeO2 纤芯
0.9% 0.2%
SiO2包层
125m
(b)色散位移光纤
3%
125m
(c)非零色散光纤
(0 ~ - 0.8)%
(d)色散补偿光纤
2.2 光纤传输原理
• 2.2.1 斯奈尔定律和全反射
V1 t A'
A
t i
B
n2 n1
At
B'
t
V2 t
A'
t A
i i r
• 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。