1、12塔里木大學信息工程學院張楠楠3第二章第二章 光纖和光纜光纖和光纜4學習內容2.1 光纖結構和類型2.2 光纖傳輸理論2.3 光纖傳輸特性2.4 光纖的最新發展2.5 光纜2.6 光纖接續技術2.7 光纖通信中的常用儀表2.8 光纖特性測量方法2.9 光纖非線性效應5關于光波光波用頻率( 波長) 、相位和傳播速度來描述；頻率：每秒傳播的波數；波長：介質真空中傳輸一個波的距離；頻率單位：Hz, MHz,GHz,THz波長單位：微米 納米頻率光速波長6反射(Reflection)當一束光線按照一定的角度射向一塊平面鏡時，它就會從鏡面“ 反彈” 出去，這種“ 反彈” 現象就叫做光的反射。7折射（R

2、efraction ）當光以一定的角度從某種介質進入另一種介質時，它的傳播方向也會改變，在兩種介質的分界面上并不沿直線傳播，而是發生了偏折，光的這種偏折現象叫做折射。8Snells Law9TIR :Total Internal Reflection10全反射條件n、 光必須從折射率大的介質射入折射率小的介質；二 、 入射角大于臨界角。11The Logarithmic Scalen0 dBm = 1 mWn3 dBm = 2 mWn5 dBm = 3 mWn10 dBm = 10 mWn20 dBm = 100 mWn-3 dBm = 0.5 mWn-10 dBm = 100 Wn-30 d

3、Bm = 1Wn-60 dBm = 1nW122.1 光纖結構和類型132.1.1 光纖結構142.1.2 光纖的類型材料傳輸模式波長折射率分布用途ITU-T15分類：材料石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖 和氟化物光纖等。 特點：制造成本低廉，芯徑較大，耦合效率高損耗較大，帶寬較小 只適用于短距離低速率通信，如短距離計算機網鏈路、船舶內通信等。 目前通信中普遍使用的是石英系光纖 。16分類：傳輸模式模式：實質描述的是電磁場的場型結構分布17多模光纖（MMF ）纖芯較粗(50 或62.5m) ；可傳多種模式的光；模間色散 ；限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更

4、加嚴重。18單模光纖（SMF ）纖芯細(芯徑一般為9或10m)；只能傳輸一種模式的光；材料色散 和 波導色散 ； 譜 寬 穩 定性19分類：波長 短波長光纖 長波長光纖 0.85，1.31or1.55m20 分類：折射率分布 21折射率分布舉例22分類：用途n摻鉺光纖（EDF ） ；n色散補償光纖（DCF ） ；n保偏光纖；n 23特種光纖n色散補償光纖。可以補償不同光纖（比如SMF-28以及LEAF 光纖等）在不同波段（C-Band 或者L-Band ）的色散，同時DCM 模塊可以提供正或負色散值。同時又不同的封裝模式。Dispersion Compensationn摻鉺光纖。增益大，平坦特

5、性好。同時，Corning鉺纖涂層有特種碳保護，光纖的長期穩定性得到保障。其主要型號有Er1550C 、Er1550C3 以及Er1600L3 。分別對應為C-Band 單波、多波以及L-Band 使用。Erbium-doped c Fiber24特種光纖n高折射率光纖、耦合光纖。其中HI1060Flex為最新推出的一種光纖，HI1060Flex 具有特好的彎曲性能。High index Fibern光敏光纖 Photosensitive Fibern保偏光纖的工作波長包括了從480nm 到1550nm 波段，采用了雙層的涂層覆蓋，可以選用不同涂層原料，涂層外徑有250um,400um 以及9

6、00um 等。 Polarization Maintaining Fiber2526分類：ITU-T 標準nITU-T International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sectorn 1310nm 性能最佳光纖n 1550nm性能最佳光纖27基本知識：重要光纖組合28基本知識：光纖規格n單模： 8/125 m，9/125 m，10/125 mn多模： 50/125 m 歐洲標準， 62.5/125 m 美國標準n工業，醫療和低速網絡：100/140 m，200/230 mn塑料光纖： 98/1000

7、 m用于汽車控制。292.2 光纖傳輸理論光纖傳輸理論30光纖傳輸理論31光纖傳輸理論322.2.1 光纖傳輸的幾何光學解釋光纖傳輸的幾何光學解釋33光纖傳輸理論-幾何光學方法n導光特性基于光射線在交界面的全反射n射線方程n光線軌跡：子午光線n光線軌跡：傾斜光線34幾何光學方法-射線方程n物理意義： 將光線軌跡(由r描述)和空間折射率分布(n)聯系起來; 由射線方程可以直接求出光線軌跡表達式; 可以證明,光線總是向折射率高的區域彎曲。35光線分類36階躍光纖的分析37階躍光纖的分析38階躍光纖39階躍光纖40階躍光纖41階躍光纖42漸變光纖的分析n漸變光纖的芯區折射率不是一個常數n設計思想n設

8、計目標n使光線同時到達輸出端，降低模間色散。43漸變光纖的分析44漸變光纖的分析452.2.2 2.2.2 光纖傳輸的波動光學解釋光纖傳輸的波動光學解釋46光纖傳輸理論-波動光學方法n波動理論n從光波的本質特性（電磁波）出發,通過求解電磁波所遵從的麥克斯韋方程,導出電磁場的場分布,具有理論上的嚴謹性;n未作任何前提近似,因此適用于各種折射率分布的單模光和多模光波導。47波動方程n波動光學方法的最基本方程。n它是一個典型的本征方程。n當給定波導的邊界條件時, 求解波導場方程n可得本征解及相應的本征值。n通常將本征解定義為“ 模式”。48麥克斯韋方程49波動方程n光纖材料是各向同性介質，光纖材料是

9、各向同性介質， 光波光波 在光在光 纖中的傳輸滿足麥克斯韋方纖中的傳輸滿足麥克斯韋方程組。在無源程組。在無源 空間空間, 電場強度電場強度E和磁場強度和磁場強度H滿足亥姆霍茲方程滿足亥姆霍茲方程 ：n直接求出亥姆霍茲方程的矢量能十分繁瑣，得到的解也較為復雜，直接求出亥姆霍茲方程的矢量能十分繁瑣，得到的解也較為復雜，所以一般采用標量近似解法。所以一般采用標量近似解法。n注意：僅適用于弱導光纖。此時光纖中傳輸的波近似為TEM 波 ，橫向場的極化方向保持不變，即橫向場是線性極化波（LP ）。50波動方程求解51重要參量52光纖的傳播模式n當光纖芯直徑很小時，光纖只允許與光纖軸方向一致的光線通過，即只

10、允許通過一個基模。這種只允許傳輸一個基模的光纖就稱為 單模光纖 。n由分析可以得出以下幾個結論。 并不是任何形式的光波都能在光纖中傳輸。每種光纖都只允許某些特定的光波通過，而其他形式的光波在光纖中無法存在。 每一種允許在光纖中傳輸的特定形式的光波稱為光纖的一個模式。53光纖的傳播模式 在同一光纖中傳輸的不同模式的光，其傳播方向、傳輸速度和傳輸路徑不同 ，其受到光纖的衰減也不同，觀察與光纖垂直的橫截面，就會看到，不同模式的光波在橫截面上的光的強度分布圖形也不同，有的是一個亮斑，有的分裂為幾個亮點。 進入光纖的光在芯包交界面上的入射角大于臨界角時，就在光纖內產生全反射；而入射角小于臨界角的光就有一

11、部分進入包層，被很快衰減掉。前者的傳輸損耗小，能作遠距離傳輸，稱為傳導模 。54光纖的傳播模式 能滿足全反射條件的光線也只是具有特定角度的部分才能在光纖中傳輸，因此，不同模式的光的傳輸方向不是連續改變的。當通過一段光纖時，以不同角度在光纖中傳輸的光所走的路徑也不同。沿光纖軸前進的光走的路徑最短，而與軸線交角大的光所走的路徑則較長。552.3 2.3 光纖傳輸特性光纖傳輸特性 -損耗和色散 Attenuation Dispersion562.3.1 光纖損耗研究57光纖的損耗:損耗系數58光纖的損耗 附加損耗 固有損耗59光纖的附加損耗 光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會引起損耗。這些都是光纖使用

12、條件引起的損耗。 原因：纖芯中的傳輸模式發生了變化。 附加損耗可以盡量避免。60光纖固有損耗 吸收損耗 散射損耗61吸收損耗 制造光纖的材料能夠吸收光能。光纖材料中的粒子吸收光能以后，產生振動、發熱，而將能量散失掉，這樣就產生了吸收損耗 。62材料的吸收損耗紫外吸收紅外吸收石英中有一些過渡金屬雜質，如銅、鐵、鉻、錳等。它們在光照射下，貪婪地吸收光能，造成了光能的損失。清除它們，對制造光纖的材料進行格的化學提純，就可以大大降低損耗。63材料的吸收損耗 石英光纖中的另一個吸收源是氫氧根（OH)。 人們發現氫氧根在光纖工作波段上有三個吸收峰，它們分別是0.95m、1.24m和1.38m，其中1.38

13、m波長的吸收損耗最為嚴重，對光纖的影響也最大。64材料的散射損耗光纖內有瑞利散射，由此而產生的光損耗就稱為瑞利散射損耗。大小與光波長的4次方成反比長波長區時，影響可以大大減小。65波導缺陷損耗 光纖結構不完善，如由光纖中有氣泡、雜質，或者粗細不均勻，特別是芯- 包層交界面不平滑等，光線傳到這些地方時，就會有一部分光散射到各個方向，造成損耗。這種損耗是可以想辦法克服的，那就是要改善光纖制造的工藝。66n材料吸收損耗n本征吸收；分子、電子共振吸收n雜質吸收；過渡金屬雜質吸收，氫氧根吸收n瑞利散色損耗n纖芯折射率起伏不均勻引起光信號的散射n波導缺陷損耗n非線性散射損耗67Attenuation Ch

14、aracteristics of Fiber682.3.2 光纖色散研究69光纖的色散n光纖所傳輸的信號是由不同頻率成分和不同模式成分所攜帶的，不同頻率成分和不同模式成分的傳輸速度不同，從而導致信號的畸變。70光纖的色散n色散系數：單位線寬光源在單位長度光纖上所引起的時延差。717273色散的表示：時延差n脈沖展寬74色散組成n其一，光纖中不同模式由于傳輸速度不同造成的時延不等，引起光脈沖展寬，稱為 模間（式）色散 ；n其二，同一模式由于光源的線寬，不同波長的傳輸速率不同將導致光脈沖展寬，稱為 模內色散 ，它由兩部分組成波導色散和材料色散。75模式色散n 影響光纖時延差的因素有兩個：纖芯包層相

15、對折射率差 和光纖的長度 。n 光纖的時延差與纖芯包層相對折射率差成正比。n 光纖越長，時延差也越大，色散也越大。76模式色散77材料色散n材料色散是由光纖材料自身特性造成的。n折射率對不同的傳輸波長有不同的值。n光纖通信的光源并不是只有理想的單一波長78波導色散n 纖芯與包層的折射率差很小，因此在交界面產生全反射時，就可能有一部分光進入包層之內。這部分光在包層內傳輸一定距離后，又可能回到纖芯中繼續傳輸。 進入包層內的這部分光強的大小與光波長有關 ，這就相當于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。n 不同波長的光傳輸路徑不完全相同，所以到達終點的時間也不相同，從而出現脈沖展寬。n 入射光的波長越

16、長，進入包層中的光強比例就越大，這部分光走過的距離就越長。這種色散是由光纖中的光波導引起的，由此產生的脈沖展寬現象叫做波導色散。79三種色散的比較n一般來說，光纖三種色散的大小順序是：n 模式色散材料色散波導色散 n 對于多模光纖，總色散等于三者相加，在限制帶寬方面起主 導作用的是模式色散，其他兩個色散影響很小。n 對于單模光纖，因只有一個傳輸模式，故不存在模式色散，其總色散為材料色散和波導色散之和。為減小總的波長色散，要 盡量選用窄譜線激光器作光源。n 對光纖用戶來說，一般只關心光纖的總帶寬或總色散。光纖 光纜在出廠時，也只標明光纖的總帶寬或總色散。80偏振模色散Polarization M

17、ode Dispersion (PMD)81 Polarization mode dispersionImportant in WDM systems, long spans82偏振模色散的表示83光纖的傳輸帶寬84n2.3.3 單模光纖特性85基模的傳輸條件n單模光纖的傳輸條件是歸一化頻率滿足 V G.655 L 波段，色散 G.655 14601625 nm，色散非零n結論 :n 適用于 WDM 和 CWDM 的應用。n 適用 G.691 G.692 G.693 G.695 G.959.1nG.657 彎曲不敏感單模光纖95三種光纖色散情況比較96新材料光纖 氟化物玻璃光纖 琉化物玻璃光纖 重金屬氧化物玻璃光纖 聚合物光纖新結構光纖 色散平坦光纖（DFF） 無水峰光纖 保偏光纖特種97光纖制造流程圖98光纖制造 制造光纖，首先需要制造出一根合適的玻璃棒（通常稱作預制棒），然后把預制棒放入高溫爐中加溫軟化，拉制成光纖。 為了保護光纖。增加光纖的強度，需要涂覆、套塑、然后把幾根乃至幾十根套塑后的光纖絞合成光纜，以供使用。99100 2.5 光纜101Cable Designs102光纜的