1、2018/6/20,1,第二讲(1),光 纤Fiber,2018/6/20,2,主要内容,1、本讲对光纤的结构和分类，光纤的导光原理，光纤的传输特性作一介绍。 2、对于导光原理，将采用射线法进行分析。 3、分析影响光纤传输性能的两大因素： 损耗及色散。 4、单模光纤和多模光纤。 5、光缆及其制造。,2018/6/20,3,回忆一下光基础知识1. 光是一种电磁波。 可见光部分波长范围是： 390760nm(毫微米).大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的较多是：850nm，1310nm，1550nm三种。2.光的折射，反射和全反射。 因光在不同物质中的传播速度是不同
2、的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时， 折射光会消失， 入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同。光纤通信就是基于以上原理而形成的。,2018/6/20,4,表中给出了一些介质的折射率。,光的折射,光的反射,2018/6/20,5,3光的偏振 光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振
3、光(完全偏振光），如下图所示，“旋光现象”。 从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如下图所示。 自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如下图所示。,2018/6/20,6,光的偏振,2018/6/20,7,4光的色散 如图所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。,2018/6/20,8,名词解释,波导 waveguide：微
4、波或光波的传输装置。能够沿着平行于其轴的路径导引电磁场能流，同时使能量包含在其内或于其表面相邻区域的任何结构。在媒质中，给定折射率的一层材料，在它的两边用较低折射率材料层加以限制，从而将波限制在较高折射率的材料里。导波 guided wave：传输媒质的分层将波的能量限制在导体中（例如：光纤、波导管）传播的方法。一种由于特有的材料特性，其能量被限制在材料的表面之间或表面附近的波。其传播方向与材料边界实际上是并行的。,2018/6/20,9,导波的形成,A,C,B,波的形成必须与自身发生相长干涉，否则波就会与自身发生相消干涉而消失； 波的相位不仅在波行进时会变化，而且从介质界面反射时也要变化；
5、因此，当波路径A-B-C时所产生的总相位移必须等于2的整数倍。,2018/6/20,10,名词解释(续),模 mode:传输媒质中电磁波的一种电磁场分布样式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊的场图形所表征。光纤中的传播模是由必须满足麦克斯韦方程组和一定边界条件所决定的。混合模 hybrid mode :电磁波传播方向上既有电场分量又有磁场分量的传播模。一般用HE模或EH模表示。光纤中一般传输这种类型的模式。,2018/6/20,11,第一节 光纤结构和分类,概述： 光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15um-50um，大致与人的头发的粗
6、细相当。而单模光纤芯的直径为8um-10um。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。其结构如下图：,2018/6/20,12,第一节 光纤结构和分类（续）,光纤的结构,2018/6/20,13,第一节 光纤结构和分类（续）,光纤的结构,2018/6/20,14,第一节 光纤结构和分类（续）,1.结构: 1.1 纤芯与包层: 1.2 外护层 纤芯 包层 一次涂敷 二次涂敷 2a 2b,2018/6/20,1
7、5,第一节 光纤结构和分类（续）,2.分类:2.1 按照光纤折射率分布 (1) 阶跃型光纤SIF 也称突变型 阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。 (2) 渐变型光纤GIF 也称梯度型 渐变型光纤纤芯的折射率n1随着半径的增加而按一定规律（如平方律、双正割曲线等）逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2 ，纤芯的折射率不是均匀常数。,2018/6/20,16, (a) 阶跃分布； (b) 三角分布； (c) 高斯分布,2018/6/20,17,2.2 按照光纤传输光波电磁场模式(1) 单模光纤SM:在给定光波长下只能传播一个模的
8、光纤。纤芯直径应为工作波长的34倍。 (2) 多模光纤MM:在一定光波长下能传播一个以上模的光纤。模的数量将取决于纤芯直径、数值孔径和波长。 2.3 按制造光纤所使用的材料分有: 石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。目前通信实际应用中多是石英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。实用光纤主要有三种基本类型 1）突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF） 2）渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF） 3）单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF）,2018/6/20,18,(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤
9、； （c） 单模光纤,2018/6/20,19,(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯,特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于下图，这些光纤的特征如下。 双包层光纤 色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF） 色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF） 三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。,2018/6/20,20,飞利浦GOLD SERIES光纤，型号M62794,2018/6/20,21,24K镀金接头,2018/6/20,22,配两个3.5的方转圆适配器,2018
10、/6/20,23,2018/6/20,24,3.阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析 分析光纤传输原理的常用方法： 几何光学法 麦克斯韦波动方程法,几何光学法分析问题的两个出发点： 数值孔径 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 几何光学法分析问题的两个角度： 突变型多模光纤 渐变型多模光纤,2018/6/20,25,阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析,n0 n2 2 n1 1 0 第一种情况: 根据折射(斯奈尔)定律: n0sin 0 = n1sin 0 设在包层界面全反射 即: 2=900 令 1=c 则 n1sin c= n
11、2 sin900 , sin c= n2/n1 称c 为包层界面的全反射临界角 称0 为入射临界角,2018/6/20,26,阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续),n0 n2 2 n1 1 0第二种情况: 光线以大于0的角度入射光纤端面,它产生的界面入射角将小于c ，光线在包层中的折射角小于900 ，该光线将射入包层（散失掉）。,2018/6/20,27,阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续),n0 n2 2 n1 1 0第三种情况: 光线以小于0的角度入射光纤端面,它产生的界面入射角将大于c ，光线在包层中的折射角大于900 ,该光线将在
12、界面产生全反射(从而向前传播)。,2018/6/20,28,阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续),n0 n2 2 n1 1 0 可见入射临界角0是个很重要的参量,它与光纤折射率的关系为: sin 0 = n1 sin(900 c)= （n12- n22 )1/2 n1 (2) 1/2 为纤芯和包层的相对折射率差: = (n12- n22)/ 2n12 (n1- n2)/n1,2018/6/20,29,阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续),n0 n2 2 n1 1 0 定义光纤的数值孔径为入射临界角0 的正弦,即: 越大,NA越大，光纤聚光
13、能力越强，可得到越高的耦合效率。,2018/6/20,30,临界光锥与数值孔径,2018/6/20,31,阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续),NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或c)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c 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畸变越大，因而限制了信息传输容量。 所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。,2018/6/20,32,阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟,n0 n1 l y 1
14、o L x 现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。图中，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在不大的条件下，其传播时间即时间延迟为: = (n1l)/c = (n1Lsec1 )/c (n1L)/c*(1+ 12/2) 式中C为真空中的光速。,2018/6/20,33,阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟,由上式得到最大入射角(= 0)和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差近似为: = (n1L)/c*(1+ 12/2)- (n1L)/c = L02 /(2n1c) LNA 2/(2n1c) (n1L) /c 这种时间延迟差在时域产生脉冲展
15、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。,2018/6/20,34,阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟,例: 设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，请计算这时产生的时间延迟即脉冲展宽。 答案： LNA 2/(2n1c) (n1L) /c 脉冲展宽为： = 44ns,2018/6/20,35,阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续),斜射光线在光纤中的传输情况较复杂,由光线在光端面的投影图可知,传输轨迹限定在一定的范围内,并与一圆柱面相切,该圆柱面称为焦散面，半径为a。
16、斜射光线就在芯包界面与焦散面间传输。以不同角度入射的斜射光线，有不同的焦散面。当a。=a时，焦散面与芯包界面重合， 折线变为螺旋线；当a。=0时，斜射光线变为子午线。 斜射光线的数值孔径与子午线不同，比子午线稍大。一般用子午线来定义光纤的数值孔径。,a。,2018/6/20,36,渐变型光纤(Graded-index fiber)的射线光学分析,渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0， 其周期=2a/ (2) 1/2 ， 取决于光纤的结构参数(a, )， 而与入射角0无关。 这说明不同入射角相应的光线， 虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一
17、点上，这种现象称为自聚焦(Self-Focusing)效应。,2018/6/20,37,渐变型光纤(Graded-index fiber)的射线光学分析,渐变型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)(c为光速)，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近似相等。,2018/6/20,38,渐变型光纤(Graded-index fiber)的射线光学分析,光
18、在渐变折射率多模光纤中的传播,2018/6/20,39,阶跃光纤step-index fiber,o,n2,n1,r,b,a,纤芯,包层,纤芯直径:2a=503m 包层直径:2b=1253m1.相对折射率差: = (n1-n2)/n1 纤芯与包层均采用相同的基础材料SiO2,然后各掺入不同的杂质,使得n1略高于n2.2.阶跃光纤中光射线种类： (1)子午射线:穿越光纤轴线,截面投影是一条直线 (2)斜射线:不穿越光纤轴线,截面投影是焦散面,折射率分布示图,2018/6/20,40,渐变光纤graded index fiber,一种纤芯折射率为离光纤轴距离的函数的光纤。随着离轴的距离增加，折射率
19、逐渐降低。这种特性使光线趋于留在纤芯内连续折射，因此迫使光线保持在光纤中。 纤芯直径:2a=503m 包层直径:2b=1253m 数值孔径 NA(r)： 在渐变光纤中，数值孔径是纤芯端面上位置的函数。 NA(r)= n(r)2 - n22 仅当光射线落入位置r处的NA(r)以内，形成全反射，才有形成导波的可能。,o,n2,r,b,a,纤芯,包层,折射率分布示图,n(r),2018/6/20,41,渐变光纤graded index fiber,理解渐变光纤时我们可以这样假设，如纤芯折射率的变化不是均匀的，而是按照某种规律 n(r)从轴心的n1沿径向减小，直到包层界面等于 n2，如图所示。这种渐变
20、折射率分布使纤芯内的射线的连续偏转轨迹如同正弦波振荡一样. 由图可见，各个角度的射线经连续偏转后，总是汇集到一点，这表明渐变光纤的色散很小。,2018/6/20,42,渐变光纤graded index fiber,渐变型光纤折射率分布的普遍公式为： n11-2 (r/a)q1/2 n11- (r/a)2 ra n( r)= n2= n1(1- ) r a 式中n1为芯轴线处折射率，即最高折射率；n2为包层折射率； 为相对折射率差；q为折射率分布指数；a和r分别为纤芯半径和径向坐标。 在q，(r/a) 0的极限条件下，该式表示突变型多模光纤的折射率分布。 在q2，n(r)按平方律(抛物线)变化，
21、该式表示常规渐变型多模光纤的折射率分布。,2018/6/20,43,常用 q2的光纤上式可简化为： n11-(r/a)2 ra n( r)= n2= n1(1- ) r a 一般把具有这种折射率分布的光纤叫做折射率渐变光纤，常称梯度光纤，记为GIF。 梯度光纤也能传播歪斜射线，由于不断折射，其轨迹在两个焦散面之间弯曲前进。,2018/6/20,44,名词解释(续)3.数值孔径 NA numerical aperture： 表示光纤扑捉光射线能力的物理量。仅当光射线落入NA以内，形成全反射，有形成导波的可能。4.归一化频率 V normalized frequency： V=(2an1/0)(2
22、)1/2 式中a为波导芯半径， 0是真空中的波长，n1表示光纤纤芯的折射率，是相对折射率差。说明光纤中允许传输的模式的数量,在大模数（即5)时，模数可近似表示为： M V2/2 5.截止：是指光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止。6.归一化截止频率 normalized cut-off frequency： 导波截止时的归一化频率称为归一化截止频率，用Vc 表示。,2018/6/20,45,第二节 光纤的损耗及色散,损耗和色散是光纤的最重要的传输特性。 损耗限制系统的传输距离，色散限制系统的传输容量。 本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，为光纤通信系统的设计提供依据。,2018/6/20,4
23、6,光纤的传输损耗: loss,在光发射机和接收机之间由光缆吸收、反射、散射、和辐射的信号功率被认为是损耗，通常用dB表示。 一.光纤损耗直接决定了通信线路无中继的区间及中继站间距离的长度。 目前： 800900 nm 2.0 dB/km 1310 nm 0.4 dB/km 1550 nm 0.25db/km 光纤损耗的不断下降，促进了光纤通信的实用化。 二.表征光纤损耗的损耗系数: = 10lgPi/Po/L dB/km 式中Po是光纤输出端的光功率；Pi是注入光纤的光 功率；L为光功率经过的长度。,2018/6/20,47,三. 光纤损耗机理 光纤的损耗机理可大致分为吸收损耗和散射损耗。
24、1.吸收损耗 物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率损失，其原因有三： a 物质材料的本征吸收:物质材料固有的吸收,它基本上确定了某一种材料吸收损耗的下限，材料的固有吸收损耗与波长有关，对于SiO2石英系光纤，本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。 b 杂质吸收：它是由光纤材料的不纯净而造成的附加吸收损耗。主要是金属过度离子和水的OH-离子对光能的吸收。因此必须制造高纯度的石英材料。,2018/6/20,48,c 原子缺陷吸收：光纤材料受外界辐射而受激产生原子缺陷，吸收光能，造成损失。 2. 散射损耗 所谓散射，是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的
25、传播方向以外，在其它方向也可以看到光的现象。 散射损耗，是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺陷或不均匀，使光纤中传导的光发生散射，由此产生的损耗称为散射损耗。它可分为： a 本征散射： 浓度不均匀引起的散射； 掺杂不均匀引起的散射； b 波导散射损耗：光纤芯直径不一致引起模式的转换或模式耦合；,2018/6/20,49,c 非线性散射损耗：物质在外加强电场作用下会出现非线性效应（即出现新的频率或输入的频率得到改变)； 受激拉曼散射：媒质在强光功率密度作用下产生的对于入射波的非弹性散射。 受激布里渊散射：入射光子与媒质分子发生的非弹性碰撞。.其它损耗 a 弯曲损耗 b 光纤结构损耗 综合考虑
26、发现，在0.80.9um波段内，损耗约为2db/km，在1.31um波段，损耗约为0.5db/km，在1.55um波段，损耗约为0.2db/km，这已接近光纤的理论极限值。因此，在长波长窗口可使光纤传输信息的容量进一步加大。,2018/6/20,50,单模光纤损耗谱， 示出各种损耗机理,2018/6/20,51,光纤损耗-波谱特性,2018/6/20,52,2018/6/20,53,受激布里渊散射SBS 当一个窄线宽、 高功率信号沿光纤传输时， 将产生一个与输入光信号同向的声波， 此声波波长为光波长的一半， 且以声速传输。 理解非线性布里渊效应的一个简单方法是将声波想象为一个把入射光反射回去的移动布拉格光栅， 由于光栅向前移动， 因此反射光经多普勒频移到一个较低的频率值。 对于工作于1.55 m的二氧化硅光纤， 布里渊频偏约为11 GHz， 且决定于光纤中的声速， 反射光线宽， 还取决于声波的损耗， 它可在几十至几百兆赫兹的范围内变动。,
