光纤通信第2章

光纤中传播的模式
模式：独立存在的电磁场的场结构形式。 归一化频率
V 2 a
n12 n22 k0a(NA)
导行条件 V Vc
截止条件 V Vc
临界条件
V Vc
截止频率
Vc
2 c
a
n12
n22
2 an1 c
2 2.40483 2.405
理论截止波长
c
2
Vc
a
n12 n22
光的偏振
自然光
部分偏振
偏振（垂直）
偏振（水平）
阶跃型光纤光射线的理论分析
相对折射率差 n12 n22 2n12
弱导波光纤：n1 与 n2 差别极小。 n1 n2 n1
阶跃型光纤中光射线：子午射线和斜射线。
a0
n2
a
n1
数值孔径
NA sinmax sink n12 n22 n1 2
多模光纤：光纤中传输多种模式。 单模光纤：光纤中只传输一种模式（基
模），其余的高次模全部截止。
按光纤的材料分类
根据光纤的组成材料不同，可分为石英玻璃光 纤、多组分玻璃光纤、石英芯塑料包层光纤和 塑料光纤。
石英光纤的纤芯和包层均为石英玻璃，只是掺 杂成分和掺杂浓度略有不同。
多组分玻璃光纤由二氧化硅、氧化钠、氧化钙 等材料组成。
全波光纤
“低水峰光纤”，全波光纤的损耗在 1310nm~1600nm都趋于平坦。
全波光纤使光纤的可利用的波长增加 100nm左右。
新型光纤
新型多模光纤 塑料光纤 光子晶体光纤
新型多模光纤
50μm芯径的多模光纤在850nm工作波长 支持10Gbit/s的网络系统，进行500m以 上的传输（多模光纤一般进行短距离传 输）。
色散补偿光纤(DCF,Dispersion Compensating Fiber)是一种在1550nm波长处有很大的负色 散的单模光纤
当常规单模光纤系统工作波长由1310nm升级 扩容至1550nm波长工作区时，其总色散呈正 色散值，通过在该系统中加入一段负色散光纤， 即可抵消几十千米常规单模光纤在1550nm出 的色散值，从而实现业已安装使用的常规单模 光纤工作波长由1310nm升级扩容至1550nm， 进而实现高速率、大容量、远距离的传输。
-10 -20 -30 -40 -50 -60
温度（oc）
光纤低温特性曲线
四、光缆的结构和种类
保护光纤的机械强度和传输特性，防止 施工过程和使用期间的机械损伤以及环 境老化的影响，同时使光纤易于操作。
光缆是一根或多根光纤或光纤束制成的 符合光学、机械和环境特性的结构体。
➢ 瑞利散射损耗是材料的不均匀引起的，是光纤材 料二氧化硅的本征损耗。
➢ 波导散射损耗是在纤芯中制造过程的缺陷，如杂 质、气泡、不溶解离子等，引起的散射损耗。
➢ 非线性散射损耗是光强达到一定程度所产生的非 线性效应所形成的损耗。
➢ 其他损耗：弯曲损耗、连接损耗和耦合损耗。
光纤的色散特性：信号的不同的频率成分或模式 成分具有不同的群速度而使信号产生畸变的现象。
光纤的损耗特性，主要有吸收损耗、散射损耗和 其他损耗。
a 10 lg pi dB / km
ห้องสมุดไป่ตู้L p0
➢ 吸收损耗是光纤材料本身和杂质对光能的吸收而 引起的损耗，包括紫外吸收、红外吸收、氢氧根 离子吸收损耗和杂质吸收。
➢ 红外和紫外吸收损耗：是构成光纤的基本材料 SiO2对光信号的吸收。有两个吸收带，一个在紫
状的介质波导，由
纤芯、包层和涂覆
层构成。
光波主要在纤芯中传播。 要求纤芯的折射率大于包层的折射率。 纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折
射率，对光纤的特性起着决定性的影响。 由纤芯和包层组成的光纤称为裸纤。
光纤的材料组成
如：
GeO2-SiO2纤芯
SiO2包层
P2O5-SiO2纤芯
SiO2包层
塑料光纤
plastic optical fiber, POF 聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），俗称有机
玻璃 报导开发出2.5Gb/s的POF系统 芯径高达200～1000μm 汽车工业、消费电子、工业控制总线系
统、互联网 为降低成本，美国研制出PF-POF。
光子晶体光纤
光子晶体光纤（PCF，photonic crystal fiber ）
渐变型多模光纤（Graded Index Fiber ，简 称GIF）纤芯的折射率是不均匀的，渐变的， 又称非均匀光纤。
单模光纤（Single Mode Fiber，SMF）折射 率分布与阶跃型光纤类似。
光纤的结构和折射率分布
均匀光纤
梯度光纤
三种基本类型的光纤
横截面
折射率分布 r
输入脉冲 Ai
课程名称：光纤通信技术 主讲教师： 李俊 系 部: 通信系
1
光纤通信
2013/2014第一学期
光纤和光缆
主要内容
一、光纤的结构和类型 二、光纤的导光原理 三、光纤的特性 四、光缆的结构和种类 五、光纤的熔接
一、光纤的结构和类型
光导纤维（简称光
纤）是工作在光波 波段的一种圆柱形
纤 心 n1 包 层 n2 涂敷层
光线传播路径
纤芯
包层
2a 2b
n
t
r
阶跃型多模光纤 Ai
输出脉冲 Ao
t Ao
125m
50 m r
n t
渐变型多模光纤 Ai
t Ao
125m
8~10m
n
单模光纤 t
t
按套塑结构分类
根据光纤的套塑结构不同，可将光纤分 为紧套光纤和松套光纤两种。
按传输模式分类
根据光纤中传输模的数量，光纤可分为 多模光纤和单模光纤。
光纤的寿命即光纤的使用寿命。 光纤的机械可靠性，在光纤的包层中掺入钛可提
高光纤的机械可靠性，另外为了延长光纤的寿命， 施工时也应该注意自然因素。
光纤的温度特性
光纤的温度特性，是 指在高、低温条件下 对光纤损耗的影响， 一般是损耗增大。
在低温条件下光纤损 耗增大。
附加损耗（dB/km）
15 10 5 1
G.655光纤
非零色散位移光纤。 在1530nm～1565nm处色散值为1～6.0ps/
（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应， 适用于的非零色散位移光纤高速（10Gb/s以 上）、大容量、DWDM系统。 正色散系数的非零色散位移光纤一般用于陆地 光纤通信系统。 负色散系数的非零色散位移光纤一般用于海底 光缆通信系统。
外区，中心波长在0.16m附近，尾部可以拖到 1.4m左右。另一个吸收带在红外区，其中心波 长在8~12m范围，尾部可以拖到光通信所用波
长范围。
➢ 氢氧根离子吸收损耗：O-H键与Si-O键相互影 响产生吸收峰。
➢ 杂质吸收损耗：Fe,Cr,Cu离子,OH-离子造成, 吸 收能力极强。
➢ 散射损耗主要包含瑞利散射损耗、结构不完善引 起的散射损耗和非线性散射损耗。
长波长光纤主要用于干线传输。
短波长光纤：波长范围为0.8~0.9μm的 光纤。主要使用波长为0.85μm的光纤。 0.85μm的多模光纤主要用于短距离市 话中继线路。
按折射率分布
根据纤芯中折射率的分布不同，光纤可以分为 阶跃型光纤和渐变型光纤。
阶跃型多模光纤（Step Index Fiber，简称 SIF）纤芯的折射率是均匀的，为一个常数， 又称均匀光纤。
SiO2纤芯
B2O3-SiO2包层
GeO2-B2O3-SiO2纤芯 B2O3-SiO2包层
制造光纤流程
制作 光纤 预制棒
拉丝
涂覆 套塑
成缆
一次沉积纤芯和包层
光纤的拉制工艺
拉丝塔
按传输波长分类
按传输波长光纤可分为长波长光纤和短 波长光纤。
长波长光纤：波长范围为1.3~1.6μm的 光纤。主要使用1.31μm和1.55μm两个 窗口。(目前还有1490nm)
石英芯塑料包层光纤纤芯是石英，包层是硅树 脂。
塑料光纤的纤芯和包层均为塑料材料。
G.652光纤
常规单模光纤，标准光纤，非色散位移光纤 零色散波长为1310nm，色散为3.5ps/(nm·km)。
损耗为0.3~0.4dB/km ；在1550nm处有最小损 耗0.2dB/km ，色散为17~20 ps/(nm·km)。目前 应用最广的光纤。 当工作波长为1550nm的系统速率达到 2.5Gbit/s以上时，需进行色散补偿。
折射率 n c /，c 是光
在真空中的速度，ν 是光 在某种介质中的速度。
在某种介质中，光的速度
为 c / n，光波长为0 / n 。
斯涅耳定律：
1 3 n1 sin1 n2 sin2
入射光线
反射光线
1
3
空气 n1 1
玻璃 n2 1.5
2
折射光线
c 临界角
全反射
空气 n1 1 玻璃 n2 1.5
2 an1
Vc
2 2 aNA
Vc
实现单模传输的条件 V Vc 多模光纤的模式总数
c
阶跃光纤
NS
V2 2
g
渐变型光纤
NG
V2 4
(g
2)
传输功率的分配和模场直径
模场直径：单模光纤中光能量集中程度 的参量。模场直径越小越容易引起非线 性效应。
模场直径越大，系统性能越好。
三、光纤特性
光纤的几何特性：多模光纤靠裸纤的外径对准 来实现连接的；单模光纤靠纤芯对准来实现连 接的。
G.653光纤
色散位移光纤。 在1550nm处实现最低损耗与零色散波长一致，
但由于在1550nm处存在四波混频等非线性效 应，阻碍了其应用（波分复用）。
G.654光纤
截止波长位移单模光纤。 零色散点在1310nm附近，在1550nm
处的衰减降低，但是在1550nm窗口的 色散较高，这种光纤主要用于海底光缆 通信。
➢ 芯直径主要对多模光纤的要求。 ➢ 包层直径是指光纤的外径。 ➢ 纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中
心程度，不圆度包括芯径的不圆度和包层的不 圆度。 ➢ 光纤翘曲度可用曲率半径来表示。 ➢ 带状光纤：几何参数、标识、可分离性和接续。
光纤的传输特性
光纤的传输特性是指光信号在光纤传输中所 表现出来的特性，主要有损耗特性、色散特性 和光纤的非线性效应。
➢ 由于色散是信号的不同成分传输速度不同造成的， 传输相同距离就有不同的时延，从而产生了时延 差，时延差越大，色散越严重。因而常用时延差 来表示色散程度。
➢ 通常用单位波长间隔内频谱成份通过单位长度光 纤所产生的色散表示色散大小的程度，称为波长
色散系数，用D表示，单位是ps/(nm.km)。
➢ 光纤的色散分为：模式色散、色度色散和偏振 模色散等。
又称微结构光纤或多孔光纤，其主要特 征是沿光纤长度方向，在纯石英基底材 料上规律地排列着二维的贯穿孔洞或掺 杂区，以此来约束光，进行导光。
二、光纤的导光原理
光是一种频率极高的电磁波。 光纤是一种介质波导。
分析方法：
➢ 射线法：几何光学 ➢ 波动法：波动光学
基础几何光学知识
光从一种介质射入到另一 种介质时，传播方向发生 改变，在两种介质的交界 处所发生的光线偏折，称 为光的折射。
➢ 偏振模色散：光信号的两个正交偏振态在光纤中 的传播速度不同所引起的色散。（光纤是各向异 性晶体）
➢ 码间干扰，色散将导致码间干扰。
光纤的机械特性
石英光纤具有细和脆的特性，其机械性能比金属 导线差。通常比价关心的抗拉强度。
光纤的抗拉强度，实用化光纤的抗拉强度，要求 拉力。
光纤断裂分析，当光纤受到一定的张力时，应力 首 先240集g中于有微裂纹的地方，如果超过该部位容 许应力时，则立即断裂。利用这个进行光纤筛选。
数值孔径越大，纤芯对光能量的束缚就越强， 光纤抗弯曲性能越好。但是随着数值孔径的 增大，信号畸变越大，实际中根据需要，选 择合适的数值孔径。
渐变型光纤光射线的理论分析
K
rm
(a)子午射线
纤芯 包层
(b)子午射线的曲折
(a)子午光线
(b)斜射光线
梯度光纤中的射线在端面上的投影
数值孔径
NA(r) n2 (r) n22 NAmax n12 n22
G.656光纤
宽带光传输非零色散位移光纤。 色散斜率基本为零，工作波长范围覆盖
S+C+L波段的宽带光传输的非零色散位 移光纤。
大有效面积光纤
工作波长1550nm，有较大的有效面积， 低损耗，低微弯灵敏度，低PMD（偏振 模色散），采用阶跃式折射率分布，适 用于EDFA和WDM技术的网络。
色散补偿光纤
➢ 模式色散:不同模式光束的时间延迟不同所造成 的色散。
➢ 色度色散：不同频率光束的时间延迟不同所造 成的色散。包括材料色散和波导色散。
➢ 材料色散是由于光纤材料的折射率随信号的频率 而变化而引起的色散。
➢ 波导色散是不同频谱分量的同一模式具有不同群 速度引起的色散。
➢ 色散可正可负，因此可进行色散补偿。