第二章 光纤的基本理论

第二章光纤的基本理论

2.1 光纤结构和类型

2.1.1 光纤结构

一、光纤概念：是一种丝状的圆柱光波导，它将光封闭在其内进行传递；通信用的光纤多为石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体。

二、光纤结构：

图2-1 光纤的结构图

（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。

直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。

纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。

（2）包层：包层位于纤芯的周围。

直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。

（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。

一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。

涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。

2.1.2 光纤分类

一、按光波模式分布：

1.多模光纤（Multi-mode, MMF）：纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50μm左右），适合于中容量、中距离通信。

2.单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）：纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个μm），适用于大容量、长距离通信。

（注：多模光纤又分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤，光线在其中的传输情况分为为图2-2(b)和2-2(c)；而单模光纤的光线传播应该为2-2(b)，图2-2(a)是一种近似情况。）

a.光在单模光纤中的传播

b.光在阶跃折射率多模光纤中的传播

c.光在渐变折射率多模光纤中的传播

图2-2光在几种光纤中的传播

二、按折射率分布：

1.阶跃光纤（Step-Index Fiber, SIF）：纤芯和包层的折射率分别为不同的常数，在交界面上呈台阶型突变。

2.渐变光纤（Graded-Index Fiber, GIF）：又称为梯度光纤，纤芯折射率随纤芯半径变化的关系呈渐变分布的曲线形状。包层折射率为常数。

图2-3 光纤折射率分布

3．其它折射率分布光纤(特种单模光纤)：

（1）双包层光纤：

①色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF）

为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段（1.3～1.6μm）都保持低损耗和低色散，即研制了一种新型光纤——色散平坦光纤（DFF）；为了实现在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来达到目的。（如图2-4）

图2-4色散平坦光纤的折射率分布

②色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF ） （2）三角芯光纤

（3）椭圆芯光纤：双折射光纤或偏振保持光纤。

(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯

图2-5其它折射率分布光纤(单模光纤)

主要用途：

突变型多模光纤：只能用于小容量（8Mb/s 以下）短距离（几km 以内）系统。 渐变型多模光纤：适用于中等容量（34~140Mb/s ）中等距离（10~20km ）系统。 单模光纤：用在大容量（565 Mb/s~2.5Gb/s ）长距离（30km 以上）的系统。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平

1.55μm 色散移位光纤：实现了10 Gb/s 容量的100 km 的超大容量超长距离系统。 色散平坦光纤：适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。 三角芯光纤：有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。

偏振保持光纤：用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。

三、按传输波长分布：

1. 短波长光纤：波长为0.85μm （0.8μm ～0.9μm ）

2.

长波长光纤：波长为1.3μm ～1.6μm ，主要有1.31μm 和1.55μm 两个窗口。

四、按套塑结构分类：1.

紧套光纤；2.松套光纤 五、单模光纤的分类：

ITU-T 建议规范了G .652、G .653、G .654和G .655四种单模光纤。 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。

2. G .653光纤：G .653光纤也称色散位移光纤（DSF ），是指色散零点在1 550nm 附近的光纤，它相对于G .652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。

3. G .654光纤：G .654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低 1

2a 2a

n

1

n 2n (a)(b )(b )

′

550nm的衰减，其零色散点仍然在1310nm附近，因而1550nm窗口的色散较高。

4.G.655光纤：由于G.653光纤的色散零点在1550nm附近，DWDM系统在零

色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1 550nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。

其它单模光纤：

5.全波光纤：可传输的波长在整个波长区域1280~1675nm，与常规光纤相比，

全波光纤应用于DWDM，可使信道数增加50%。（全波光纤是在1380nm附件的高OH离子浓度降低后（即去水峰光纤）的基础上制作的。

表1 光纤的工作波段

初始波段扩展波段短波段常规波段长波段超长波段工作波段O E S C L U

工作波长

1260~1360 1360~1460 1460~1530 1530~1566 1566~1625 1625~1675 /nm

2.2光纤的传输原理

分析光纤传输原理的常用方法：几何光学法；麦克斯韦波动方程法

知识背景：

2.2.1几何光学方法

几何光学法分析问题的两个出发点：数值孔径；时间延迟

通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布

几何光学法分析问题的两个角度：突变型多模光纤；渐变型多模光纤

一、突变型多模光纤

知识补充：（1）子午光线和偏斜光线