第2章光纤通信的基本原理

第2章光纤通信的基本原理本章内容2.1光纤的结构与分类2.2光纤传光原理2.3光纤中的传输模式2.4光纤中的传输损耗2.5光纤的色散特性2.6光纤的物理机械特性2.1光纤的结构与分类2.1.1光纤的结构光纤(OpticalFiber，OF)就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。2.1光纤的结构与分类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），以保证光信号在光纤中的传输。光纤结构示意图2.1光纤的结构与分类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，从而使得光信号封闭在纤芯中传输。光纤结构示意图2.1光纤的结构与分类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。光纤结构示意图2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的类型光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。2.1光纤的结构与分类1.按光纤材料分类①石英光纤。石英光纤是目前应用最广泛的光纤，其主要材料为二氧化硅，并掺有少量改变折射率的掺杂剂。具有损耗低、频带宽的特点，现在已广泛应用于有线电视和通信系统。2.1光纤的结构与分类②多组份玻璃光纤。是以二氧化硅为主体材料，掺有较多碱金属、碱土金属氧化物的玻璃光纤。具有制造工艺简单，但机械强度低、可靠性差的特点，目前已基本不再使用。2.1光纤的结构与分类③塑料光纤（POF）。塑料光纤是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。汽车光纤2.1光纤的结构与分类④氟化物光纤。氟化物光纤（FluorideFiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。是迄今为止研究最多的光纤，它的主要特点是具有最低的损耗，经大量的理论计算表明，氟化物光纤的最低损耗在2.5um附近约为10-3dB/km，比SiO2光纤的最低损耗要低2-3个数量级，如按当前SiO2光纤无中继距离100km的水平计算，可以推测氟化物光纤无中继距离可达到10000km以上。2.1光纤的结构与分类2.按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF)和单模光纤(SingleModeFiber，SMF)。多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数目决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。2.1光纤的结构与分类在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯/包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传输模式。2.1光纤的结构与分类多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽2.1光纤的结构与分类单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。2.1光纤的结构与分类3.按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-IndexFiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-IndexFiber，GIF)，其折射率分布如右图所示。光纤的折射率分布2.1光纤的结构与分类阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1n2,n1=1.463~1.467,n2=1.45~1.46。渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。2.1光纤的结构与分类4.按工作波长分短波长光纤：0.8～0.9µm（目前实用波长为0.85μm）长波长光纤：1.0～1.7µm（主要有1.31μm和1.55μm两个窗口）超长波长光纤：2µm短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等。2.1光纤的结构与分类5.按套塑（二次被覆）分类按套塑（二次被覆）分类可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。2.1光纤的结构与分类6.按ITU-T建议分类G.652光纤(常规单模光纤)在1310nm工作时，理论色散值为零。在1550nm工作时，传输损耗最低。G.653光纤(色散位移光纤)零色散点从1310nm移至1550nm，同时1550nm处损耗最低。G.654光纤(衰减最小光纤)纤芯纯石英制造，在1550nm处衰减最小(仅0.185dB/km)，用于长距离海底传输。G.655光纤(非零色散位移光纤)引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输。ITU-T：国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU-TforITUTelecommunicationStandardizationSector),它是国际电信联盟管理下的专门制定远程通信相关国际标准的组织。2.2光纤传光原理分析光纤的传输原理有两种方法：几何光学法：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论。应用条件：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤。波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤2.2光纤传光原理2.2.1阶跃型光纤的传输原理①光线2以θc角从光纤端面入射，折射线在纤芯/包层边界恰好满足全反射（折射角为90°），相应光线将以Ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播。2.2光纤传光原理②光线1以θ角从光纤端面入射，折射角为θ1，若在包层/纤芯边界满足：Ψ1Ψc（全反射临界角)，则光线1以之字形折线在纤芯中传播，直至能量损失殆尽或从光纤中另一端射出。2.2光纤传光原理③光线3在光纤端面的入射角较大，致使到达芯/包界面时不满足该处全反射条件，此光线折射进入包层。这种光线的能量经过不长光纤的传输（约几百米）便损失掉了。2.2光纤传光原理始终被束缚在纤芯区中的光线被称为“传导模”，或简称“导模”光线，根据斯奈尔(Snell)定律,有n0Sinθ＝n1Sinθ1＝n1CosΨ1光线3被称为“包层模”或“辐射模”光线，它对光纤通信无效。由上述三种光线轨迹可知，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内的入射的光束才能在光纤中传播，θc称为临界端面入射角，2θc称为受光角。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径，用NA表示。根据定义和斯奈尔定律:2.2光纤传光原理c1c010cos)-(90sinsinψψθnnnNAc===Δ======2-)(-1cos)(-1cos90sinsin122212121c1212c02c1nnnnnnnNAnnnnψψψ则所以而包相对折射率差。称为芯，在这里/-≈2-121212221nnnnnnΔ=2.2光纤传光原理数值孔径NA是表达光纤接受和传输光的能力的参数，它与光纤的纤芯、包层折射率有关，而与光纤尺寸无关。NA或θc越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在2θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。ITU—T(CCITU)规定：NA＝0.15～0.24±0.002我国规定：NA＝0.2±0.022.2光纤传光原理2.2.2渐变型光纤的传输原理1g2g)(gg])(Δ2-1[)(1211时，表示三角型光纤。；时，表示抛物线型光纤，表示阶跃型光纤；为无穷大时，其中：为光纤半径。；为纤芯折射率分布指数为纤芯半径；式中：纤芯折射率：====nrnraarnrng2.2光纤传光原理由于纤芯折射率分布是随光纤半径r变化的，所以光线的传输轨迹不是曲折的直线而是圆滑曲线，如下图所示，光线的弯曲折射与反射遵循折射定律和反射定律。为分析渐变型多模光纤中光线的传播，采用级限逼近法，按照阶跃型多模光纤的分析思路作近似处理：将沿光纤半径r方向连续变化的折射率分割成不连续的若干薄层且假设每一薄层的折射率是近似均匀的，那么，从第零层入射的光是以怎样的轨迹传播呢？2.2光纤传光原理渐变多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚焦在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。这是因为光线传播速度v(r)=c/n(r)，入射角大的光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，n(r)较小，传播速度较快，补偿了较长的路程。入射角小的光线情况正相反，其路程较短，但速度较慢，所以这些光线的时间延迟相等。2.2光纤传光原理用θC表示光线在第n层发生全反射时对应光纤端面入射光线的孔径角最大值，当入射角θi小于θC值时，光线将被封锁在芯层中向前传播，而此时对应的NA（r）被定义为局部数值孔径，它表示第n层接收光的能力。22210-)()(sin)(nrnrnrNAc==θ若n层为包层时，所对应的NA（r）为光纤最大数值孔径NAmax。其物理含义为可接收光波的光纤端面最大入射角正弦值，表示多模渐变性光纤接收光最大能力。2221max-)0(nnNA=2.2光纤传光原理2.2.3光纤参数1.光学参数（1）数值孔径及孔径角表示光纤接收光能力的强弱。（2）相对折射率差表示纤芯与包层折射率相差程度。（3）折射率分布指数表示纤芯折射率分布的形状的参数。c1c010cos)-(90sinsinψψθnnnNAc===2.2光纤传光原理2.结构参数光纤拉丝是无模拉丝，导致光纤的结构不是理想圆形。（1）纤芯不圆度（2）包层不圆度（3）纤芯与包层同心度偏差对单模光纤来说，由于其纤芯直径过小，无法用光学仪器测量，不再叫做纤芯直径，而叫模场直径。定义:若单模光纤中的光强呈高斯分布，则将光波场强幅度下降到中心场强的1/e时的各点所连成的圆周直径定义为MFD。2.2光纤传光原理模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。2.3光纤中的传输模式2.3.1模式的概念模式：波动方程的一个“特解”，表示电磁场的一种稳定存在