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第2章 光纤通信的基本原理

时间:2011-12-11


第2章 光纤通信的基本原理

本章内容
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 光纤的结构与分类 光纤传光原理 光纤中的传输模式 光纤中的传输损耗 光纤的色散特性 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(Optical Fiber,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
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纤芯:纤芯位于光纤的中心部 位。直径d1=4μ m~50μ m, 单模光纤的纤芯为4μ m~10μ m; 多模光纤的纤芯为50μ m。 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
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包层:包层位于纤芯的周围。 直径d2=125μ m,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
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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(Fluoride Fiber)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-Mode Fiber,MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber,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
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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
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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-Index Fiber, SIF)和渐变型光纤(GradedIndex Fiber,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
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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 n1>n2, 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
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短波长光纤:0.8~0.9?m(目前实用波长为0.85μ m) 长波长光纤:1.0~1.7?m(主要有1.31μ m和1.55μ m两 个窗口) 超长波长光纤: > 2?m 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1310 nm工作时,理论色散值为零。 在1550 nm工作时,传输损耗最低。 ? G.653光纤(色散位移光纤) 零色散点从1310 nm移至1550 nm,同时1550 nm处损耗最低。 ? G.654光纤(衰减最小光纤) 纤芯纯石英制造,在1550 nm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-T for ITU Telecommunication Standardization Sector), 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

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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θ 1,若在包 层/纤芯边界满足: Ψ 1> Ψ c(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
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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 = n1Sinθ 1= n1CosΨ 1
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,2θ c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:

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2.2光纤传光原理
NA = n0 sinθc = n1 sin(900 - ψ c ) = n1 cosψ c
而 n1 sinψc = n2 sin900 n2 2 ) n1

所以 cosψc = 1 - ( 则 NA = n1 cosψc = n1 1 - (

n2 2 ) n1

2 2 = n1 - n2

= n1 2 Δ

在这里 Δ =

2 2 n1 - n2 2 2n1



n1 - n2 , 称为芯 / 包相对折射率差。 n1

2.2光纤传光原理
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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θ 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2θ 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 ± 0.02

2.2光纤传光原理
2.2.2渐变型光纤的传输原理
r 纤芯折射率:n(r ) = n1[1 - 2Δ ( ) g ] 2 a 式中:a为纤芯半径; g为纤芯折射率分布指数; r为光纤半径。 其中:g为无穷大时,n(r ) = n1,表示阶跃型光纤; g = 2时,表示抛物线型光纤; g =1时,表示三角型光纤。
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2.2光纤传光原理
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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
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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
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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。
2 2 NA(r ) = n0 sinθc (r ) = n1 (r ) - n2

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。
2 2 NAmax = n1 (0) - n2

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

NA = n0 sinθc = n1 sin(900 - ψ c ) = n1 cosψ c
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。

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
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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 存在形式,用电力线或磁力线将此形式描绘出来便是一种 特定图案,这种电磁场分布的特定图案或称“场型”,被 称为“模式”。 ? 对光纤而言,光线的方向即电磁场的传播方向,不同角度 的光线对应为不同的电磁场方向即为不同的模式。

2.3 光纤中的传输模式
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能满足全反射条件的光线中,只有某些特定角度的光线能 在光纤中传输,因此能在光纤中传输的模式的数目是有限。 在同一光纤中传输的不同模式的光,其传输路程不同,则 轴向传播速度不同,受到的衰减也不同。路程长的衰减大。 始终被束缚在纤芯区中的光线被称为“传导模”,或简称 “导模”。不能在光纤中传输的光称为“包层模”或“辐 射模”光线,它对光纤通信无效。 相对来讲,与轴线夹角大的称之为高次模,反之,称之为 低次模。

2.3 光纤中的传输模式
2.3.2 模变换 光线在光纤中传输时,遇到不均匀界面或不均 匀点时,它与轴线的夹角要改变,从一种模式变为 另一种模式,这种现象称为模变换。 模变换对光传输的影响: (1)使传输损耗增加; (2)对多模光纤色散有改善作用。

2.3 光纤中的传输模式
2.3.3 光纤中传导模的数目
V2 g N= ? 2 2 +g V2 阶跃型光纤g为无穷大,则N = ; 2 V2 三角型渐变型光纤g =1,则N = 。 6 V2 抛物线渐变型光纤g = 2,则N = 。 4 式中:g - 折射率分布指数; V - 归一化频率, = 2 π V a - 纤芯半径; λ - 工作光波长。 a n1 2Δ ; λ Δ - 芯 / 包相对折射率差;

2.3 光纤中的传输模式
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归一化频率不仅包含了光纤的主要参数a、n、Δ ,而且还 考虑了所传输光的波长,所以,它是一种具体光纤中光的 具体传输状态度综合反映,由于V具有频率的量纲,故称 之为归一化频率。 光纤单模传输的条件: 以目前广泛应用的阶跃型光纤为例,其单模传输的条件是: 归一化频率V≤2.405(此时,N=2,即光纤中传输的是两 个正交模,为一种模式)。

2.4 光纤中的传输损耗
即使是最好的光纤,光从它的一端传到另一端,强 度也会有所减弱。光纤中的信号劣化与光纤的传输特性 有关。光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性、色散 特性和非线性特性。 光波在光纤中传输,随着传输距离的增加,而光功 率强度逐渐减弱,光纤对光波产生衰减作用,称为光纤 的损耗(或衰减)。 光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗 主要取决于吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗三种损耗。

2.4 光纤中的传输损耗
2.4.1 吸收损耗 吸收损耗是由制造光纤材料本身以及其中的过渡 金属离子和氢氧根离子(OH-)等杂质对光的吸收而 产生的损耗,包括: (1)本征吸收损耗 (2)杂质吸收损耗 (3)原子缺陷吸收损耗

2.4 光纤中的传输损耗
(1)本征吸收损耗 本征吸收损耗在光学波长及其附近有两种基本的吸 收方式。 ①紫外波段吸收损耗 紫外波段吸收损耗是由光纤中传输的光子流将光纤材 料中的电子从低能级激发到高能级时,光子流中的能量 将被电子吸收,从而引起的损耗。吸收峰在0.16μ m,尾 巴延伸至光纤通信波段,在短波长区达1dB/km,长波长区 约0.05 dB/km。

2.4 光纤中的传输损耗
② 红外波段吸收损耗 红外波段吸收损耗是由于光纤中传播的光波与晶格相 互作用时,一部分光波能量传递给晶格,使其振动加剧, 从而引起的损耗。 Si-O键振动吸收,谐振吸收峰在9.1μ m、 12.5 μ m 、21 μ m ,尾巴延伸至1.5~1.7μ m,造成光纤 工作波长的上限。

2.4 光纤中的传输损耗
(2)杂质吸收损耗 光纤中的有害杂质主要有过渡金属离子,如铁、钴、 镍、铜、锰、铬等和OH离子。 ? OH离子吸收:O-H键的基本谐振波长为2.73μ m,与Si-O键 的谐振波长相互影响,在光纤通信波段内产生一系列的吸 收峰,影响较大的是在1.39μ m、1.24μ m、0.95μ m,峰 之间的低损耗区构成了光纤通信的三个窗口。 ? 金属离子吸收:金属杂质的电子结构产生的边带吸收峰 (0.5~1.1μ m),目前杂质含量低于10-9,其影响已可忽 略。

2.4 光纤中的传输损耗
解决方法:

(1)对制造光纤的材料进行严格的化 学提纯,比如材料达到99.9999999% 的纯度 (2)制造工艺上改进,如避免使用氢 氧焰加热(汽相轴向沉积法)

2.4 光纤中的传输损耗
(3)原子缺陷吸收损耗 通常在光纤的制造过程中,光纤材料受到某种 热激励或光辐射时将会发生某个共价键断裂而产生 原子缺陷,此时晶格很容易在光场的作用下产生振 动,从而吸收光能,引起损耗,其峰值吸收波长约 为630nm左右。

2.4 光纤中的传输损耗
2.4.2散射损耗 空气中浮游着无数的烟雾、尘粒,光照射到这些微 粒上,微粒把光朝四面八方散射,微粒越多,光柱越亮, 光的散射损耗越大,照射的距离也就越短。这种散射叫 分子散射。一切物质都由分子构成,光纤材料也不例外, 所以散射损耗不可避免。 另有一种散射是由光纤材料的内部结构不完整所引 起,比如光纤中有气泡、杂质,粗细不均匀,特别是纤 芯包层的界面不平滑,光传输到这里,也会被散射到各 个方面。

2.4 光纤中的传输损耗
(1) 线性散射损耗 任何光纤波导都不可能是完美无缺的,无论是材 料、尺寸、形状和折射率分布等等,均可能有缺陷 或不均匀,这将引起光纤传播模式散射性的损耗, 由于这类损耗所引起的损耗功率与传播模式的功率 成线性关系,所以称为线性散射损耗。

2.4 光纤中的传输损耗
①瑞利散射 由于材料的不均匀使光信号向四面八方散射而引起的 损耗称为瑞利散射损耗。 瑞利散射是一种最基本的散射过 程,属于固有散射。瑞利散射损耗也是一种本征损耗,它和 本征吸收损耗一起构成光纤损耗的理论极限值。 光纤在加热制造过程中的热运动,造成材料密度不均 匀,进而造成折射率的不均匀(比光波长小的尺度上的随机 变化),引起光的散射--瑞利散射。大小与波长的四次方成 反比。在1.55μ m波段,瑞利散射引起的损耗仍达0.12~0.16 dB/km,仍是该波段损耗的主要原因。显然,若能在更长波 长区域内工作,瑞利损耗的影响将会减小(3μ m处约0.01 dB/km),但受限于石英光纤的材料损耗(红外吸收)。采用 新型材料的光纤可望在远红外区域获得更低的损耗-氟化物 光纤。

2.4 光纤中的传输损耗
② 波导散射损耗 在光纤制造过程中,由于工艺、技术问题以及一些随 机因素,可能造成光纤结构上的缺陷,如光纤的纤芯和 包层的界面不完整、芯径变化、圆度不均匀、光纤中残 留气泡和裂痕等等。 光纤芯径沿轴向不均匀(大于光波长尺度)造成导模 和辐射模间的能量耦合,使能量从导模转移到辐射模, 造成波导散射损耗(又称米氏散射),目前的光纤制造 水平,可将芯径的变动控制到<1%,相应的散射损耗 <0.03dB/km,可以忽略。

2.4 光纤中的传输损耗
2.4.3弯曲损耗 光纤的弯曲有两种形式:一种是曲率半径比光纤的 直径大得多的弯曲,我们习惯称为弯曲或宏弯;另一 种是光纤轴线产生微米级的弯曲,这种高频弯曲习惯 称为微弯。 宏弯:在光缆的生产、接续和施工过程中,不可 避免地出现弯曲。光纤有一定曲率半径的弯曲时就会 产生辐射损耗。当曲率半径减小时,损耗以指数形式 增加。

2.4 光纤中的传输损耗

2.4 光纤中的传输损耗
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微弯是由于光纤受到侧压力和套塑光纤遇到温度变 化时,光纤的纤芯、包层和套塑的热膨胀系数不一 致而引起的,其损耗机理和弯曲一致,也是由模式 变换引起的。微弯导致了导播模与泄漏模或非导波 模之间的重复性能量耦合。
微弯的原因: 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均 使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同 导致的后果: 造成能量辐射损耗

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2.4 光纤中的传输损耗

减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套

2.4 光纤中的传输损耗

2.4 光纤中的传输损耗
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为了衡量一根光纤损耗特性的好坏,在此引入损 耗系数(或称为衰减系数)的概念,即传输单位长 度(1km)光纤所引起的光功率减小的分贝数,一般 用α 表示损耗系数,单位是dB/km。用数学表达式 表示为:

10 P α = lg 1 dB / km L P2

2.4 光纤中的传输损耗
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在单模光纤中有两个低损耗区域,分别在1310nm和1550nm附近, 即通常说的1310nm窗口和1550nm窗口;1550nm窗口又可以分为 C-band(1525nm~1562nm)和L-band(1565nm~1610nm)。一 般标准单模光纤在1550 nm的损耗系数为0.2 dB/km。

2.5 光纤的色散特性
2.5.1色散的概念 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。

2.5 光纤的色散特性
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光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同,这些 频率成分和模式到达光纤终端有先有后,使得光脉冲发生 展宽,这就是光纤的色散,如图所示。色散一般用时延差 来表示,所谓时延差,是指不同频率的信号成分传输同样 的距离所需要的时间之差。

色散引起的脉冲展宽示意图

2.5 光纤的色散特性
2.5.2色散对光纤通信的影响 脉冲展宽导 致接收端无 法将相邻的 脉冲分开, 从而导致误 码。因此色 散特性限制 了光纤的传 输容量与通 信距离。

2.5 光纤的色散特性
脉冲展宽用Δ τ
传输带宽 B =
A Δτ

来表示,单位为ns/km或ps/km。
,单位为Hz?km。

A为常数,A=0.44

2.5 光纤的色散特性
2.5.3色散的产生原因及种类 (1)模式色散Δ τ M 多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度, 在传输过程中,不同模式的光束的时间延迟不同而 产生的色散,称模式色散。 所谓模式色散,用光的射线理论来说,就是由 于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成 的时延差。

2.5 光纤的色散特性
①阶跃型光纤中的模式色散 在阶跃型光纤中,传播最快的和最慢的两条光线分别 是沿轴线方向传播的光线①和以临界角θ c入射的光线②, 如下图所示。因此,在阶跃型光纤中最大色散是光线①和 光线②到达终端的时延差。

Δτa =

n1 ? Δ c

2.5 光纤的色散特性
②渐变型光纤中的模式色散 在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布,使光 线在光纤中传播时速度得到补偿,从而模式色散引起的 光脉冲展宽将很小。

n1 ? Δ 2 Δτb = 2c

2.5 光纤的色散特性
(2)材料色散Δ τ m 由于光源的不同频率(或波长)成分具有不同的群 速度,在传输过程中,不同频率的光束的时间延迟不同。 由于材料折射率随光信号频率的变化而不同,光信号不 同频率成分所对应的群速度不同,由此引起的色散称为 材料色散。 一般情况下,材料色散往往是用材料色散系数这个 物理量来衡量,材料色散系数定义为单位波长间隔内各 频率成份通过单位长度光纤所产生的色散。

λ d 2n Dm (λ) = c dλ 2
减小材料色散方法:选择谱宽窄的光源,采用较长的工作波长。

2.5 光纤的色散特性
(3)波导色散Δ τ W 单模光纤只有约80%的光功率在纤芯中传播,20%在包 层中传播的光功率其速率要更大一些。这种由于光纤波导 结构引起的色散称为波导色散。

2.5 光纤的色散特性
(4)偏振模色散(极化色散)Δ τ g 偏振模色散(PMD)也称为极化色散。由于光信号的 两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色 散称偏振模色散。

2.5 光纤的色散特性
各色散的关系:
Δτ
M

》Δ τ

m

﹥Δτ
+Δ τ
+Δ τ
m

W

﹥Δτ
W

g

多模光纤的色散: Δτ ≈Δτ Δτ ≈Δτ
M

+Δ τ

≈Δτ ≈Δτ

M

单模光纤的色散:
m W

+Δτ

g

m

+Δ τ

W

2.5 光纤的色散特性
标准单模光纤总的模内色散

波导色散特性取决于 光纤的特性,如:芯 径a,相对折射率差以 及折射率分布等,因 此可以通过改变光纤 特性来改变其色散特 性。色散的改变主要 集中在零色散波长的 位移和色散平坦两 方面。

2.6 光纤的物理机械特性
2.6.1光纤的机械特性
光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、 弯曲以及扭绞性能等,使用者最关心的是抗拉强度。

2.6 光纤的物理机械特性
项目 化学符号 比重 材料 硅玻璃 SiO2 2.2 铜 Cu 8.9 铝 Al 2.7 钢 Fe 7.9

拉伸强度kg/mm2
杨氏模量kg/mm2 伸长率(%)

500
7200 2-8

25
12000 20-30
-7

10
6300 7-20
-6

120
20000 5-15

热膨胀系数
导电率 融点( oC )

5× 10

1.7×10
0.09 97 1083

2.3×10-5
0.5 61 660

1× 10
0.1

-5

比热( Cal/℃.g ) 0.2 1.7 × 10-19 1730

2.6 光纤的物理机械特性
无裂痕硅玻璃断裂应力

2.6 光纤的物理机械特性
2.6.2 光纤断裂的机理 由前表知,硅玻璃的拉伸强度是铁的4倍多,与铜、铝 相比,差不多高出一个数量级,但当光纤表面出现裂痕时, 由于张应力集中于裂痕末梢,当应变能量的摄取率大于表 面能的增长率时,裂痕就会扩展,若超过允许值,光纤就 会立即断裂。

2.6 光纤的物理机械特性
光纤表面产生裂痕的原因: ①光纤预制棒的质量不佳; ②从预制棒拉制光纤时,吸附了 灰尘,水分子以及其它杂质; ③在不洁净的车间里快速拉丝时, 受到“粒子”的摩擦; ④拉丝时与收线盘或其它物体碰 撞。

光纤断裂和应力关系示意图

2.6 光纤的物理机械特性
处理办法: ①采取多种措施,使预制棒和光纤在“超净”的环境中 进行; ②对预制棒表面进行处理,并在拉丝前从严筛选; ③在拉丝过程中对裸光纤加添一涂覆层,既使光纤不直 接和其它物体接触,又可改善其机械强度(断裂强 度可提高10倍左右,约6-7kg,而一般工程中所产生 的张力约1kg); ④成缆前对所有光纤从严筛选。常见的方法有:张力放 线法,双绞盘法,弯曲应变法。目的是剔除不合格 的光纤,确保成缆后的质量; ⑤使用气密涂层光纤。

2.6 光纤的物理机械特性
2.6.3稳定性能 (1)疲劳 疲劳:玻璃所受的力低于临界应力,但因裂痕缓慢扩 大而导致断裂的现象。 施加给玻璃的力是恒定的——静态疲劳。 施加的应力随时间而递增——动态疲劳。 产生原因:光纤在机械力、温度或放射性辐射的作用 下,机械性能会发生变化。 采用措施:通过筛选测试剔除不合格产品。

2.6 光纤的物理机械特性
(2)H2影响 1982年,英国和日本在日常测试中相继发现:1980年敷设的光 缆,在1.0~1.6?m波长范围内,损耗值增加了10%,这是一种用 GeO2和P2O5掺杂,外覆硅铜和尼龙的光纤。 针对这一发现,电缆工程师们对此光纤作了高温和浸水试验: ①把光纤加热到200℃,1小时后发现,在1.2~1.6?m范围内,损 耗值增大,在1.39?m处有一吸收峰; ②在室温下,把光纤浸在水中,数月后发现, 1.39?m处有一吸收 峰,但在1.24 ?m处又出现一个衰减值更大的新的吸收峰; ③把水注入光缆,再通电,几天后,在1.24 ?m处发现一个新的吸 收峰,原因是水被电解产生了氢和氧,而1.24 ?m正好是Si-OH产 生吸收峰的位置。 结论:之所以出现衰减增大,是因为出现了H2。 机理:H2一旦进入光纤,几十小时便会扩散到纤芯,H与SiO2的原 子作用,造成了吸收峰。 目前倾向性作法:在裸光纤外表面加覆气密涂层

2.6 光纤的物理机械特性
(3)H2O的影响 水对光纤的危害: ①玻璃表面易吸附水气,从而会因Si-O键的破坏而使裂痕扩 展; ②纯水对玻璃有浸蚀作用。如果玻璃纤维含有碱离子,则将 因玻璃的被溶蚀而龟裂,在遇有外力时导致断裂; ③吸附在玻璃表面上的OH-与玻璃中的碱离子产生反应的结 果,使SiO2的分子健断裂。 措施:成缆时设法采取防水措施

2.6 光纤的物理机械特性
2.6.4光纤的温度特性 ? SiO2在1000℃高温下也不会软化, 且可长期连续使用,但光纤外 面的塑料涂层不能承受如此高 的温度,因此,使用温度的上 限一般规定为100~150℃。 ? 裸光纤外面涂覆以氟塑硅树脂, 聚酰亚胺和铝之后,最高温度 分别提高到:200℃,300℃和 600℃。前二者已实用。由于铝 的热膨胀系数远高于玻璃,所 以在温度稍低时会因微弯曲而 实光纤的传输衰减上升。

光纤低温特性曲线

2.6 光纤的物理机械特性
2.6.5 成缆对光纤特性的影响 缆芯:一般来说,缆芯结构应满足以下基本要求:光纤 在缆芯内处于最佳位置和状态,保证光纤传输性能稳定, 在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时,光纤不应承 受外力影响;其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排, 并保证其电气性能;另外缆芯截面应尽可能小,以降低 成本和敷设空间。 护层:其作用是进一步保护光纤,使光纤能适应在各种 场地敷设,如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。 对于采用外周加强元件的光缆结构,护层还需提供足够 的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。

2.6 光纤的物理机械特性
(1)改善光纤的温度特性 虚线:光纤自身的特性曲线; 实线:成缆后的特性曲线 (2)增加机械强度 由于光缆结构中加入了加强构 件、护套、甚至铠装层等,因此其 断点强度远大于光纤;不仅如此, 光缆的抗侧压、抗冲击和抗扭曲性 能都有明显增强 (3) 成缆的附加损耗 不良的成缆工艺,把光纤制成 光缆后,会带来附加损耗,(比如 说不良应力造成微弯) 称之为成缆 损耗

思考题
一、填空
1.光纤传输特性主要是指它的____和___特性。引起光纤衰减的主要原 因是___、___、____和连接损耗。 2.光纤的种类很多,按照不同的分类方式,可以将光纤分为不同的种 类。按光纤折射率分布形式,可将光纤分为 与____。按光 纤的不同材料分,可将光纤分为 、 、多组份玻璃光纤及氟化 物光纤。按传输模式分,可将光纤分为单模光纤和 。按光波长 分,可将光纤分为 、 及超长波长光纤。 3.所有透光介质都存在折射率的起伏,这种起伏要引起散射,当起伏 的限度小于光波长时引起的散射称为 。 4.光纤的色散是指窄脉冲在光纤中传输时其波形在时间上的 。

5.目前我国光纤通信广泛所用的光波长为 和 。 6.光纤的断裂符合 理论,即光纤的实际强度取决于其表 面的 ,当光纤受力时,在此处产生应力集中,此集中 应力值达到Si-O键键能时,光纤断裂。 7.为提高石英光纤纤芯的折射率,掺入 或 ,为降低包 层折射率,掺入 。 8.光纤的典型结构是多层同轴实心圆柱体,自内向外为 、 及 涂覆层。 9.多模阶跃光纤几何射线光学的导光条件是______。 A、纤芯折射率大于包层折射率;芯包界面上满足全反射条件;光纤入 射端面上入射角小于纤芯的孔径角。 B、纤芯折射率小于包层折射率;芯包界面上满足全反射条件;光纤入 射端面上入射角小于纤芯的孔径角。 C、纤芯折射率大于包层折射率;芯包界面上不满足全反射条件;光纤 入射端面上入射角小于纤芯的孔径角。

二、计算 多模渐变型光纤(折射率分布指数g=2),其光纤尺寸为 50/125μ m,纤芯折射率n1=1.465,包层折射率n2=1.450. 求:(1)其最大数值孔径及孔径角; (2)若该光纤传输的光波长λ =1.30μ m,求其所能传输 的模式数为多少? 三、简答 1、解释光纤中色散的概念,简述产生色散的原因有哪些? 2、简述光纤中传输模式及模变换的概念,分析模变换对光纤传输 有什么影响。

四、名词解释 1.模场直径 2.数值孔径 3.材料色散 4.模式色散 5.瑞利散射


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