光纤通信第二章2014.

BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆光纤通信OpticalCommunications第二章光纤与光缆BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆复习1.光纤的历史1966年7月英藉、华裔学者高锟博士在理论上分析证明了用光纤作为传输媒体以实现光通信的可能性并预言了光纤的衰耗系数降低到20dB/km以下1970年，美国康宁公司生产出了每公里衰减20dB的光导纤维，同年美国贝尔实验室实现了GaAlAs半导体激光器室温下的连续工作。两项成果问世，揭开了光纤通信的序幕。BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆复习2.光纤的工作波长及发展过程0.70.80.91.01.11.31.51.21.41.61.71.82.01.9108765432Wavelength(μm)BYZZMofBESTIFirstWindowsSecondwindowsThirdWindows(The“C”Band)FourthWindows(The“L”Band)OpticalLoss(dB/km)BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆复习3.光纤通信系统的特点与应用1）传输容量大：2）中继距离远：3）抗电磁干扰能力强:4）铺设容易：5）资源丰富：6）寿命长：7）保密性好：BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆第二章光纤与光缆2.1光纤的基本原理2.2光纤的结构与特征2.3光纤的传输特性2.4光纤的材料与制造2.5光纤的选择2.6光缆主要内容BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆2.1光纤的基本原理2.1.1光的全反射2.1.2光纤的数值孔径BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆折射和折射率光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：n=c/v其中v是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（0表示光在真空中的波长）。下表给出了一些介质的折射率。材料空气水玻璃石英钻石折射率1.0031.331.52～1.891.432.42BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆2.1.1光的全反射（Totalinternalreflection）斯奈尔定理(Snell’slaw)：n1∙sinθ1=n2∙sinθ2θ1θ2空气n1n2AOB现象：水中的空试管光学棱镜BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆全反射条件：θ1θ3介质NN'AOC空气折射：n1∙sinθ1=n2∙sinθ2全反射：n1∙sinθc=n2∙sin90˚临界角：θc=sin-1(n2/n1)θ1θ2介质n1NN'AOB空气n2光的折射与全反射动画BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆光纤原理折射定律：n0sinθ=n1sinθ3=n1cosθ1全反射条件:θ1=φc,n1sinφc=n2sin90˚sinφc=n2/n1n0sinθc=n1sin(90˚-φc)=n1cos(φc)=(n12-n22)1/2动画小于最大入射角子午光线传输动画大于最大入射角子午光线传输动画n0n2n1θθ3φcθcθ1BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆2.1.2光纤的数值孔径（NA,NumericalAperture）定义:NA=n0sinθc，NA=(n12-n22)1/2=n1(2Δ)1/2式中:Δ=(n1-n2)/n1，当从空气进入光纤时n0=1当从空气进入光纤时n0=1,sinθc=NA2θc称为入射光线的总接收角。例：n1=1.5Δ=0.01NA=0.21θa=12.1°ΔnnnNA212221BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆数值孔径表示光纤接收和传输光的能力，NA越大表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤的耦合效率越高，纤芯对入射光能量的“束缚”越强，光纤抗弯曲特性越好。但NA太大时，将会产生模色散，脉冲展宽越严重，限制了信息传输容量。BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆2.2.1光纤的结构2.2.2光纤的种类2.2.3渐变折射率光纤的传输原理2.2光纤的结构与特征BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆光纤一般由纤芯、包层和缓冲层（塑套）组成；纤芯、包层一般由融溶石英制造；包层有时用树脂制成；缓冲层由塑料或硅橡胶制成。光纤的结构：2.2.1光纤的结构BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆纤芯高折射率包层低折射率塑套光纤的基本结构BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆2.2.2光纤的种类按材料分：石英0.3-6dB/km石英掺杂多组份玻璃4-20dB/km通信少用塑料100-500dB/km近距离按折射率分布分：阶跃光纤Step-IndexFiber，SIF渐变光纤Graded-IndexFiber，GIF双包层结构按传输模式分：多模光纤多路径传播带宽窄单模光纤单一模式带宽宽按材料分：按折射率分布分：按传输模式分：模式:光场传播方式BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆各种光纤的光线传输示意多模阶跃多模渐变单模渐变单模阶跃n1n2n1n2N(r)n2N(r)n2BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆多模光纤：渐变光纤中距离中容量阶跃光纤短距离小容量单模光纤：长距离大容量单模多模光纤的特性比较：BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆2.2.3渐变折射率光纤的传输原理2an1n2rn(r)n2zr0arBESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆动画2aBESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆光纤的性能几何尺寸：模场直径、包层直径、包层不圆度、芯同心度误差等左右着接续和系统传输性能。环境性能：温度循环、高温高湿、温度时延漂移、浸水、核辐射等影响着光纤的寿命。机械性能：抗拉、耐侧压、弯曲、扭转影响着光纤的寿命。传输性能：带宽、衰减、色散、非线性等决定系统传输质量。光纤对光纤通信系统影响最大的几个关键指标：衰减色散2.3光纤的传输特性BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆2.3.1损耗e)减小色散的方法2.3.2色散b)模色散(ModalDispersion)c)材料色散（MaterialDispersion）d)波导色散（WaveguideDispersion）a)色散的概念2.3.3光纤的带宽和频率响应BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆光纤的损耗将导致传输信号的衰减。衰减：原因：吸收材料固有吸收紫外吸收红外吸收杂质吸收氢氧根离子吸收过渡金属离子吸收散射瑞利散射结构不完善光纤通信的窗口动画光纤损耗动画2.3.1损耗BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆a)材料固有吸收（本征吸收）•紫外吸收是由原子跃迁引起的。纯SiO2吸收峰在0.16μm，吸收尾部会拖到0.7-1.1μm。•红外吸收是由分子振动引起的。纯SiO2吸收峰在9.1μm，但在1.5-1.7μm仍有吸收。这两种吸收在0.8-1.6μm波长段，都很小，小于0.1dB/km;在1.3-1.6μm,小于0.03dB/km。BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆b)杂质吸收•掺杂剂锗Ge硼B磷P•跃迁（过渡）金属离子铁Fe(1.1μm)铜Cu(0.8μm)铬Cr(0.65μm)这些成分的存在将紫外吸收向长波转移。•氢氧根离子在1.39、1.24、0.95μm有吸收，1.39μm最为严重。BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆紫外吸收与红外吸收示意图BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆光纤的实际衰减曲线0.70.80.91.01.11.31.51.21.41.61.71.82.01.9108765432Wavelength(μm)BYZZMofBESTIFirstWindowsSecondwindowsThirdWindows(The“C”Band)FourthWindows(The“L”Band)OpticalLoss(dB/km)80年代初80年代末现代BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆C)光纤损耗的计算:Loss=Pi/PoPi—为输入功率Po—为输出功率常以分贝dB来表示Loss(dB)=10lg(Pi/Po)单位长度的衰减——衰减系数（衰减）A(λ)=Loss(dB)/L(km)=10lg(Pi/Po)/L单位：dB/km10dB/km输入的信号传送1公里后1/10；20dB/km输入的信号传送1公里后1/100;30dB/km输入的信号传送1公里后1/1000。BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆石英光纤在不同的工作波长上吸收是不同的。现代光纤：850nm2dB/km1300nm0.4-0.5dB/km1550nm0.2-0.3dB/kmBESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆棱镜的色散a)色散的概念2.3.2色散BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆白光在介质中的传输LED：2-10nmLD：0.01-1nm典型光源的带宽：BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆色散（Dispersion）：是由光纤中所传输的光信号不同的频率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的传输信号畸变的一种物理现象。色散的定义BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆由于光在光纤中的传输模式不同形成了路程差，导致光脉冲展宽。模色散BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalCommunications光纤通信第二章光纤与光缆模色散（ModalDispersion）材料色散（MaterialDispersion）波导色散（WaveguideDispersion）其他色散偏振色散等色散的种类：BESTI北京电子科技学院通信工程系OpticalComm