光纤通信第02章光纤和光缆解析

第二章光纤和光缆2.1光纤的结构与类型2.2光纤的射线理论分析2.3均匀光纤的波动理论分析2.4光缆2.1光纤的结构与类型光纤(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，如图2.1所示。2.1.1光纤的结构图2.1光纤结构示意图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。2.1.2光纤的类型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)，其折射率分布如图2.2所示。1、按光纤截面上折射率分布分类1）阶跃型光纤122.1nranrnra（）　2）渐变型光纤mcmnnn光纤的相对折射率差2当时为三角型折射率分布，时为抛物线型折射率分布，时分阶跃型分布。12、按传输模式分类：单模和多模多模光纤的纤芯直径为50~62.5微米，包层外直径125微米；单模光纤的纤芯直径约为10微米，包层外直径为125微米。单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。多模光纤：传输性能比单模光纤差，传输带宽和容量小，适用于短距离、低速率传输。3.按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤（850nm）、长波长光纤（1310nm、1550nm）和超长波长光纤（2000nm以上）。850nm主要用于短距离、小容量的光纤通信系统中；1310、1550nm主要用于长距离、大容量的光纤通信系统中；2000nm的光纤损耗特别小，是传输媒介发展的方向。4.按ITU-T建议分类按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散位移光纤)光纤。G651光纤（多模光纤）：中心玻璃较精（50或62.5微米），可传多种模式的光，但其模间色散较大，传输距离较短。G652光纤：单模光纤，工作波长为1310nm，其中心玻璃芯很细（芯径一般为9~10微米），只能传输一种模式的光。该光纤的材料色散和波导色散一为正，一为负，大小也正好相等，因而在1310nm处单模光纤的总色散为零；从光纤的损耗特性看，1310nm处是一个低损耗窗口，从而1310nm是一个理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1310nm常规单模光纤的主要参数在G652中确定，这种光纤也叫G652光纤（1310nm色散为零的单模光纤）。G653光纤：为了使光纤较好地工作在1550nm处，人们设计出一种新的光纤，叫做色散位移光纤（DSF），这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散从1310nm处移到1550nm附件，这种光纤又称1550nm零色散单模光纤。G653光纤是单信道、超高速传输极好的传输介质，现在这种光纤已用于通信干线，特别用于海底光缆中。但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输信号产生干扰，特别是在色散为零的波长附近，干扰特别严重，不适用于WDM系统。G655光纤：针对G653光纤的特性，人们又研制了一种非零色散位移光纤，将光纤的零色散点移到1550nm工作区以外的1560以后或1530以前，但在1550nm处存在较少的色散，这种光纤不仅适用于现在的单波长、高速率、长距离传输，而且还可适用于将来用波分复用扩容系统的需求，又兼顾将来发展的理想传输介质。因此，G.655光纤可以用来传输单个载波上信号速率为2.5Gbit/s或10Gbit/s的WDM光信号，复用的波长通道数量可达几十、几百个。5．按光纤所使用的材料按照光纤所使用的材料可分为：石英系光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤等，目前用得最多的是石英系光纤。塑料光纤是用高透明的有机玻璃制成的，它的特点是成本低，相对来说芯径较大，较大的优势是与光源的耦合率高（对于光通信来说性能好，光器件的价格在光通人中占很大部分，如果耦合效率不高，就得买功率更大的光源，而功率大和功率小的光源价格差较大），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，只适用于短距离低速的光纤通信系统中。目前通信中普遍使用的是石英光纤。2.2光纤传输理论一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。光线在光纤中的传输2.3光纤的射线理论分析2.3.1基本光学定义和定律1、光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为v=c/n2、反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角。3、折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sinθ1=n2sinθ2光的反射与折射示意图图2-2-2光纤剖面2.3.2子午射线在阶跃型光纤中的传播设空气中的折射率为n0=1，纤芯中的折射率为n1，显然n0＜n1，光线发生折射，根据折射定律得n0sinθ0=n1sinθ1=n1sin(90°－θ2)=n1cosθ2则sinθ0=cosθ2=10nn10nn221sin(2.2.2)根据之前介绍的，只有当θ2θc时（θc为全反射临界角），才能发生全反射，这时临界角为θc=arcsin（）21nn因此，即要求21nnθ2arcsin()即sinθ221nn(2.2.3)将式（2.2.3）代入式（2.2.2），可得sinθ0212011nnnn(2.2.4)由于n0=1，则sinθ0＜2212nn(2.2.5)当光线从空气中入射纤芯端面的入射角不大于θ0时，进入纤芯中的光线才会在芯包界面产生全反射而向前传播，而入射角大于θ0的光线将进入包层散失掉。因此入射临界角θ0是个很重要的参量，它与光纤折射率的关系为sinθ0=2212nn≈n12(2.2.6)因此，只有满足式（2.2.6）的子午线，才可以在纤芯中形成导波，定义入射临界角θ0的正弦为光纤的数值孔径NA，即例2.2.1计算n1=1.48，n2=1.46的阶跃折射率分布光纤的θ0以及数值孔径；光纤端面外空气中的折射率为n0=1。解sinθ0=2212nn=221.48-1.46 =0.2425θ0=arcsin0.2425=14.03°NA=sinθ0=0.2425相对折射率差2122212nnn数值孔径220121sin2NAnnnNA表示光纤接收和传输光的能力，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θc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。时间延迟入射角为θ的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ最大的条件下，其传播时间即时间延迟为)21(sec211111cLnclncln10nLc这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。在θ=0时，光沿轴线传输，传输时间（延时）最小101/LnLcnc结论：相对折射率差越大，数值孔径值越大，光纤的聚光能力越强，但模式色散越大，不适合于高速率传输。2.3.3子午射线在渐变型光纤中的传播1122sinsinsinsin90mmcnnnn22112111arcsin90arcsinsincccnnnnnnn2211sinsinsincnnn数值孔径值：结论：渐变型光纤的数值孔径值只与纤芯最中心和包层的折射率有关，与纤芯折射率的分布无关，并且随着入射角的减小，光线将更接近纤芯发生全反射，光程越短。渐变型光纤中光线是蛇行传播的，且越小，光线越靠近中心轴线传输。在渐变型多模光纤中，沿着轴线传输的光线路径最短，但靠近轴线处的折射率最大，在该处的传播速度最慢，在远离轴线处，其传播路径最长，但光纤的折射率较小，传播速度较快，这样只要选择折射率合适分布的光纤，就可使延时最小，模式色散也最小。模式色散（传输延时）综上所述：光纤之所以能够导光就要是由于：1）纤芯的折射率累高于包层的折射率，入射到纤芯的光能够在纤芯和包层分界面处发生全反射，限制光在光纤中进行传输。2）光纤的损耗很小，能够进行长距离传输。(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50m125mrnAitAot(b)～10m125mrnAitAot(c)2.3.3光纤中的模式传输1、传导模的概念模式是波动理论的概念。在波动理论中，一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。那么只要入射到芯包界面光线的入射角大于临界角的光线就能发生全反射向前传播，射线模式就是连续的。2、横向谐振在光纤中传播的光可以分解为沿光纤轴向和径向的两个分量的叠加。径向的光波分量在纤芯和包层的介质面间来回反射。横向谐振：由某点出发的光，沿径向往返一次，回到原处，如果与原来的波同相（相位变化是2π的整数倍），则会使原来的波加强，这种现象称为波导中的横向谐振，该相位条件称横向谐振条件。3、相位一致性条件''012AAknAA''01BBknBB''0101()222cosknAABBNknaN当N=0时，对应模式为基模；当N=1时，对应的模式为一阶模；当N=2时，对应的模式为二阶模，N越大，模式越高。1）满足全反射可以耦合进光纤；2）满足波的等相面所有各点到达边界时同相位的条件的光才能在光纤中持续传播；3）光纤中传输的模式是离散的。总结：2.3.4多模光纤与单模光纤多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，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。即使是同一根光纤，其传输的波长不一样，有可能是单模传输，也有可能是多模传输。为了描述光纤中传输的模式数目，在此引入一个非常重要的结构参数，即光纤的归一化频率，一般用V表示，其表达式如下：0022222.19mmmVknananaC（）归一化频率V的大小不仅决定多模光纤的传导模的数目，而且判断一根光纤是否是单模传输也取决于V值大小。对于同一根光纤，传输的频率不一样，其归一化频率也不一样。1.顾明思义，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。一根光纤中能够传输的模数为：2.22VN同一根光纤，传输的频率不一样，其归一化频率也不一样，能够传输的模数也不一样。对于工作于相同波长时，阶跃型光纤能够传输的模数是抛物线型光纤的两倍。2.只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。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，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几十GHz·km以上。单模光纤的纤芯大小为8~10微米，相对折射率差为0.3%~0.4%，因此单模光纤的数值孔径值和归一化频率很小，因而单模光纤的入射和出射孔径角很小，不到8度，因此光纤的耦合、连接要求比较高。2.7从1970年至今的30多年中，光纤光缆产品层出不穷