第2章 光纤通信传输介质

2b
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渐变多模光纤
渐变(GI)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 n2
r
n2 n1 n(r) 2a 2 a = 62.5 m 2 b =125 m
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2b 2b
• 图3.1.3 多模光纤和单模光纤的比较
• 瑞利 （1877~ 1919） • 瑞利散 射发明 家 • 1904年 获得诺 贝尔奖
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率减系数
通常，光纤内传输的光功率 P 随距离 z 的衰减，可 以用下式表示 (2.3.1) 式中 是衰减系数。如果P in 是在长度为 L 的光纤输入 端注入的光功率，根据式 (2.3.1)，输出端的光功率应为 Pout Pin exp L (2.3.2) 习惯上 的单位用 dB/km 表示，由式 (2.3.2)得到衰减系 数
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2.3 光纤传输特性
• • • • 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3 4 衰减 色散 光纤带宽 光纤比特率
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图2.3.1 光纤传输线的各种损耗
入射端 光纤 输入光 光 杂质 吸收 .... .... .... .... .... .... 光 吸收 损耗 材料密度不均匀 弯曲 引起折射率不均匀 泄露 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 。。 光 界面 不规则 光 弯曲产生 的损耗 对接 损耗 场分布 光纤 对接 出射端
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图2.2.2 由于光线在界面的反射和折射， 在水下不同位臵的潜水员看到的景色是 不一样的
水下的潜水 员在某些位 臵可以看到 岸上的人， 如图2.2.2入 射角为q i1 的 情况， 但是当他离 开岸边向远 处移动时， 当入射角q i2 等于或大于 某一角度qc 时，他就感 到晃眼，什 么也看不见， 此时的入射 角q c 我们就 叫临界角。
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渐变多模光纤
• 阶跃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。 • 那么是不是制造一种光纤，既没有模间色散， 带宽较宽，芯径较大，又使光耦合容易，我们 说这就是如图2.1.1b所示的渐变折射率多模光 纤，简称渐变多模光纤。
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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)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 n(r)
SiO 2 + GeO 2 SiO 2 包层 纤芯
2a 2 a =100 m 2 b =140 m
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光的反射和折射
• 光在同一种物质中传播时，光是直线传播的。但是光 波从折射率较大的介质入射到折射率较小的介质时， 在一定的入射角度范围内，光在边界会发生反射和折 射，如图2.2.1a所示。入射光与法平面的夹角q i 叫入射 角，反射光与法平面的夹角q r 叫反射角，折射光与法 平面的夹角q t q t 叫折射角。 • 把筷子倾斜地插入水中，可以看到筷子与水面的相交 处发生弯折，原来的一根直直的筷子似乎变得向上弯 了。这就是光的折射现象，如图2.2.1b所示。因为水的 折射率要比空气的大，所以折射角q t要比入射角q i大， 所以我们看到水中的筷子向上翘起来了。
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2.2 光纤传光原理
• 从光线理论考虑，光纤传光原理是基于 光的反射和折射，所以我们首先回忆一 下光的反射和折射。
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2.2.1 光的反射和折射
n1 > n2 n 2 空气折射率低 n 1 水折射率高
qt
折射光
qi qr
入射光 反射光
图2.2.1 光的反射和折射 a）入射光、反射光和折射光 b）插入水中的筷子变得向上弯曲了
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2.2.2 光纤传光原理
以渐变（GI）多模光纤为例，进一步传光原理。 渐变（GI）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，如图2.1.2b所示。这样的折射 率分布可使光纤内的光线同时到达终点，其理由是，虽 然各模光线以不同的路径在纤芯内传输，但是因为这种 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n最大，所以速度c/n最慢）；光线3到达末端传输的 距离最长，但是它的传输速度最快（因n最小，所以速度 c/ n最快），这样到达终点所需的时间几乎相同。
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从电磁波理论解释光纤传光原理
• 本质上，光是一种电磁波，一种密切相关的电 场和磁场交替变化形成的偏振横波，它是电波 和磁波的结合，由麦克斯韦于1867年证实。光 的传播就是通过电场、磁场的状态随时间变化 的规律表现出来。麦克斯韦把这种变化列成了 数学方程，后来人们就叫它为麦克斯韦波动方 程，这种统一电磁波的理论获得了极大的成功。 同样用它也完美地解释了光波在光纤中的传输。
输出光 和器件耦合 时的损耗
和器件耦合 时的损耗
瑞利 散射损耗
ห้องสมุดไป่ตู้
• 光纤是熔融 SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、 散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。 • 吸收损耗有纯SiO2材料引起的内部吸收和杂质引起的外部吸收。 内部吸收是由于构成SiO2的离子晶格在光波（电磁波）的作用 下发生振动损失的能量。外部吸收主要由 OH 离子杂质引起。 散射损耗主要由瑞利散射引起。瑞利散射是由在光纤制造过程 23 计算机与信息工程学院 中材料密度的不均匀（造成折射率不均匀）产生的。
a
q B'
c/n b
q B' qA
A
qB
1 c/na
(b)
全反射
O'
光纤轴线
• 渐变多模光纤折射率 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。 • 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。
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2.1 光纤结构和类型
光纤由玻璃（石英SiO2）制成的纤芯和包层组成，为了保护光 纤，包层外面还增加尼龙外层。实际光纤通信系统使用的光纤都 是包在光缆内； 光缆有许多光纤组成，光纤外面是松套管，松套管内是填充物。 光缆的中心是一条增加强度用的钢丝，最外面是保护用的护套。
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光纤结构
• 纤芯折射率n1比包层折射率n2大。 • 纤芯材料主要成分为掺杂的二氧化硅（SiO2），纯 度达99.999 %，其余成分为极少量的掺杂剂如二氧 化锗（GeO2）等，以提高纤芯的折射率。 • 纤芯直径2a为8~100 m。 • 包层材料一般也为SiO2，外径2b为125 m，其作用 是把光强限制在纤芯内。 • 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 脂和硅橡胶等高分子材料。光在纤芯与包层的界面 上发生全反射而被限制在纤芯内传播，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。
ki
q i qc
n1
临界角 q i q c
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图2.2.3 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 n 2 n2 n1 ki
入射光
qt qi qr
kt
透射光 （折射光）
qt qc q c
kt kr ki
kr 反射光
ki
q i q c
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2.1 光纤类型
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。
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2.1.1 多模光纤
• 可以传播数百到上千个模式的光纤，称 为多模光纤。 • 根据折射率在纤芯和包层的径向分布情 况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模 光纤。
第2章
• • • • • 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
光纤通信传输介质
光纤结构和类型 光纤传光原理 光纤传输特性 光纤种类 光纤制造工艺
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光纤和光缆
• 光纤是通信网络的优良传输介质，尤其以石英SiO2光 纤得到的应用最为广泛。 • 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。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。
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渐变多模光纤---色散较小
r
n2 n1 n(r) 2 a
2b 2b
光强 0 t
3
2
1
0'
0''
1.0 0.5 t
2 a = 62.5 m 2 b =125 m
传 输 路 径 ： 光 线 3>2>1 折 射 率 ：n3 < n2 < n1
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。 • 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。
kr
• q i < q 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 q i = q c 时，光线在波导内以 q 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q t )，如图2.2.2 (b)所示。 • 当入射角超过临界角（q i > q 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。
dB
Pin 1 10 log P L out
dP P dz
dB / km
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(2.3.3)
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图2.3.2 典型光纤衰减谱
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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q t 达到 90o 时，入射光沿 交界面向前传播，此时 的 qc ， 并 入射 角 称 为 临界 角 由下式给出
n1 n 2
qt
kt kr
n2
sin q c n2 sin q c sin q t n1
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单模光纤---色散最小
r
n2 n1 n(r)
2 a = 8.3 m 2 b =125 m 2a 2b
光强 0 t 1.0 0.5 t
SI > 脉冲展宽
GI > SM
SM
• 只能传播一个模式的光纤称为单模光纤； • 标准单模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； • 光线沿轴线直线传播, 色散使输出脉冲信号展 宽最小。
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图2.2.4 渐变（GI）多模光纤内光线传输路径不同
但同时到达终点说明
全反射 nc c 光线2 n b B'' b na 光线1 M na > nb > nc (a) a O' a b r= 0 O (c) O' 光纤轴线 r= a n . . . c b r= 0 a O r= a B' B r= 0 光 纤 轴 线O 2