光纤与光缆课件_燕山大学_80页.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,2,章 光纤与光缆,第,2,章 光纤与光缆,光纤通信系统是指利用激光作为信息的载波，并通过光纤来传递信息的通信系统。,从,20,世纪,70,年代开始，光纤通信快速发展，目前在世界范围内成为最重要的通信手段。,利用光纤作为传输介质的光纤通信，有如下优点：,(1),载波频率高有极大的通信容量；,(2),直径细，质量轻；,(3),基质材料是石英，来源丰富，可以节约大量金属；,(4),不受电磁干扰，同时也不产生电磁干扰。,第,2,章 光纤与光缆,2.1,光纤的结构与模式,1,2.2,光纤的材料、制作和光缆,2,2.3,光纤的传输特性,3,2.4,光纤的种类,4,2.1,光纤的结构与模式,1,2.1.1,光纤的结构,2,2.1.2,阶跃折射率,光纤分析的,基本概念,3,2.1.3,阶跃折射,率光纤的,模式分析,2.1,光纤的结构与模式,2.1.1,光纤的结构,光纤的全称是光导纤维,(Optical Fiber),，是一种传输光能量的介质结构，所传光的波长在可见光和红外光区域。其基本结构如图,1.1,所示。,光能够被束缚在光纤心中传输的必要条件是,纤心的折射率（至少在截面的某些区域）大于包层的折射率。护套在光学上几乎与纤心隔绝，可以忽略其影响。纤心内，折射率分布可以是均匀的或是渐变的，也可能是更复杂的分布。,2.1,光纤的结构与模式,图,2.1,给出了一些常见光纤的折射率分布。,图,2.1,光纤的折射率分布,2.1,光纤的结构与模式,根据光纤中光场的传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光纤。,折射率 由制作光纤的材料决定，在光纤分析中通常定义相对折射率差 ，通常单模光纤的相对折射率差 满足 ，多模光纤的相对折射率差 满足 。,可见，是弱导光波导。制作光纤的材料通常有高纯石英,(),、多组分玻璃和有机聚合物等材料，详细情况参见,2.2,节。,2.1,光纤的结构与模式,2.1.2,阶跃折射率光纤分析的基本概念,1.,子午线的数值孔径,在光纤中，光线有两种，一种是始终处在一个平面里，经过波导的中心轴线，在光纤心与包层界面上作全反射，呈锯齿形，这种射线称为子午线，如图,2.2(a),所示。,另一种光线不在同一平面里，不经过光纤的中心轴线，但仍在光纤心与包层的界面上作全反射，这种光线的范围是在边界面和焦散面之间，称为偏射线，如图,2.2(b),所示。,2.1,光纤的结构与模式,子午线是平面曲线，偏射线是空间曲线。偏射线的极限,是焦散面与心包层界面重合，这时偏射线称为螺旋线，,如图,2.2(c),所示。,图,2.2,子午线和偏射线,2.1,光纤的结构与模式,2.1.2,阶跃折射率光纤分析的基本概念,光纤端面外侧是另外一种介质，一般是空气，其折射率为 ，入射光线与光纤轴成 角，根据折射率定律，有,(2.1),只有当入射角 大于临界角 时，光才在波导内作全反,射，才可以形成导波，因此，即 。,为了得到导波，外面光线的入射角 必须满足下式：,2.1,光纤的结构与模式,(2.2),即 。,可以激发导波的入射光线的最大角度 的正弦值即为数值孔径,NA,。,一般情况下 ，则数值孔径 。数值孔径越大，则入射光线越容易进入光纤形成导波。此计算是依据子午线而进行的，偏射线需要修正。,2.1,光纤的结构与模式,2.1.2,阶跃折射率光纤分析的基本概念,2,偏射线,入射光线 ，其方向单位矢量 ，,为光线的方向余弦，即与坐标之间的夹角余弦。,入射到波导端面上的某一点 ，。光线进入光纤后，在界面上进行全反射，每段射线为,，其单位矢为,，这些射线不经过轴线。,2.1,光纤的结构与模式,在射线与界面的交点处设想一个平面与界面相切，这个平面与光纤有一条切线，且与光纤轴线平行，每一个交点与轴线之间的距离为,，反射时有如下规律：,(1),入射光线、反射光线和法线现在一个平面内，法线为 ，用数学式子表示为,(2.3),(2),入射角等于反射角，用数学式子表示为,(2.4),2.1,光纤的结构与模式,(3),若 大于 ，则可以得到全反射，即,(2.5),(4),端面偏射线数值孔径,在光纤始端，什么样的射线 能被光纤捕获得以在光纤内作全反射传输呢？应用式,(2.5),，当 时，可得,2.1,光纤的结构与模式,由图,2.3,可见，,。,图,2.3,端面偏射线数值孔径,2.1,光纤的结构与模式,若有全反射，则 ，故,，。,从端面入射时，偏射线的数值孔径为,(2.6),由于式,(2.6),中 ,1,，故偏射线的数值孔径要比子午光线大。当 时，偏射线成为螺旋光线。,2.1,光纤的结构与模式,2.1.3,阶跃折射率光纤的模式分析,在光纤中传输的光可视为经典的电磁波，光纤可看做是由纤心和包层组成的无限长圆柱，则光纤中的电磁场形式：,式中，为光纤传输常数。不同的 所对应的电磁场在横截面内的分布 各不相同，称为光纤的模式。,2.1,光纤的结构与模式,1,模式本征方程,在直角坐标系下，展开麦克斯韦方程,得到,(2.7),2.1,光纤的结构与模式,经过变换后，得到,(2.8),式,(2.8),说明 满足亥姆霍兹方程，这是完全合理的。按上述相同的方法，令 ，则可以得到与上述类似的关于 的方程，因此实际的模式可以有如下形式：,(2.9),式中，,a,b,是任意常数；是,x,方向线偏振模；是,y,方向线偏振模。,2.1,光纤的结构与模式,从以上两组线偏振模,LP,模中取一组，,例如 。,若光纤中折射率变化很小，二阶以上的变化率可以忽略，则有,2.1,光纤的结构与模式,因此，可以认为下述三种说法是一致的。,(1),模式场中关于横坐标的二阶变化率趋于零。,(2),在边界上连续，只有分量 ，这相当于把电磁场看成标量，所以又称为标量近似。,(3),纤心和包层之间的折射率 变化很小，即,1,为弱导光波导。所以，标量近似又称为弱导近似。在标量近似下，两组线偏振模为,2.1,光纤的结构与模式,电磁场的横向分量互相垂直，且成比例，类似于矢量法中的,TE,TM,模。在标量近似下，线偏振模仍然具有圆对称性，即,(2.10),下面以一组线偏振模 为例，求解在圆柱坐标系下 满足亥姆霍兹 方程：,(2.11),在圆柱坐标系下，式,(2.11),是贝塞尔方程，是贝塞尔方程的解，为贝塞尔函数。,2.1,光纤的结构与模式,考虑到 在圆柱内的值必为有限，当,时，则,(2.12),式中，,A,B,为任意常数；为第一类贝塞尔函数；,为第二类变型（虚宗量）贝塞尔函数。,因此，可求出其他场分量：,(2.13),2.1,光纤的结构与模式,(2.14),(2.15),2.1,光纤的结构与模式,由边界条件确定关于 的特征方程：,(2.19),式,(2.19),是关于 的特征方程。,利用贝塞尔函数的递推公式，可得,(2.20),或,(2.21),这就是,LP,模式的特征（本征）方程。,2.1,光纤的结构与模式,本征方程是超越方程，只能求数值解，解的步骤如下：,(1),根据光纤的心径,a,、相对折射率 以及工作波长来确定归一化频率,V,：,(2.22),(2),利用 或 求解特征方程，得到,U,或,W,，再由 或,得到 。,(3),已知,U,W,，,可以确定,A,/,B,，即纤心内、外场之比。,2.1,光纤的结构与模式,2,截止条件和模式分类,对于某种模式，若,W,0,，,U,V,时，模式趋于截止，因此,W,0,为截止条件。,是满足截止条件时的特征方程。,可知,m,=0,时，截止频率为,0,的模式是 ，是光纤的第一个模式，称为基模；第二个模式是,m=1,时，由 的第一个根,V,=2.4048,开始的，即 模。因此当,V,2.4048,时，光纤内只有一种模式，即单模传输。,一个,LP,模式实际上是由,4,个矢量模简并而成的。,2.1,光纤的结构与模式,当归一化频率,V,很大时，即,V,时，可知此时,U,趋向于某个恒定值，则,W,。在这种情况下，,LP,mn,模的,U,在,和 的两个根之间变化，其中归一化传输常数定义为,(2.23),标量近似的,LP,模的归一化,传输常数,b,与,V,之间的关系,如图,2.4,所示。,图,2.4,线偏振,LP,模的,b,=,f,(,V,),关系图,2.2,光纤的材料、制作和光缆,在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺。,石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段，即光纤预制棒的制造和预制棒拉制光纤。,2.2.2,预制棒拉丝,2,2.2.1,预制棒的制造方法,1,2.2,光纤的材料、制作和光缆,2.2.1,预制棒的制造方法,预制棒的制造方法很多，常见的方法有：,外气相沉积法,(OVPO),、气相轴向沉积法,(VPAD),、改进的化学气相沉积法,(MCVD),、等离子体激活化学气相沉积法,(PCVD),。下面分别加以介绍。,1,OVPO,法,OVPO,法是,Corning Class Work,公司用于制造第一根损耗小于,20 dB/km,的石英光纤的方法。该方法采用以下化学反应：,2.2,光纤的材料、制作和光缆,以石英、石墨或陶瓷棒作为中心棒，在中心棒外沉积粉尘，然后抽掉中心棒，高温烧结成预制棒，制造示意图如图,2.5,所示。,图,2.5 OVPO,法,2.2,光纤的材料、制作和光缆,OVPO,法的基本步骤如下,：,(1),中心棒在喷嘴下方，匀速旋转并来回平移，以便在中心棒外形成粉尘的均匀沉积。,(2),控制气体流量成分，可以使预制棒折射率分布是阶跃的，或是渐变的。,(3),沉积过程完成后，经过脱水处理后，抽出中心棒，在高温炉中将粉尘状预制棒烧结成透明玻璃预制棒。,2.2,光纤的材料、制作和光缆,2,VPAD,法,化学反应生成 微粒的过程与,OVPO,法,完全一样，沉积时由横向变为纵向，,这是日本,NTT,公司采用的光纤预制,棒制作方法，制造示意图如图,2.6,所示。,VPAD,法的,优点,是：沉积速度快，适,合批量生产，一根棒可拉,100 km,以,上的光纤。,图,2.6 VPAD,法,2.2,光纤的材料、制作和光缆,3,MCVD,法,该方法在旋转的石英管的内壁进行沉积，制造示意图如图,2.7,所示。采用以下化学反应：,停止气相反应，加高温将石英管烧结成实心棒，改变气相组分可以制成阶跃或梯度折射率预制棒。,图,2.7 MCVD,法,2.2,光纤的材料、制作和光缆,4,PCVD,法,Philips,研究所的科学家们发明了等离子体激活化学气相沉积法，该方法与,MCVD,法很类似，高纯石英管置于微波谐振腔内。在石英管内通入反应气体，微波谐振腔使管内气体等离子化，产生高温化学反应，将一层纯净 沉积在管壁上，的沉积率接近,100,，,通过改变气相的组分产生折射率的变化，制造示意图如图,2.8,所示。沉积完成后，经烧结形成预制棒。,2.2,光纤的材料、制作和光缆,图,2.8 MCVD,法,这种方法的优点在于采用微波谐振腔加热，高纯石英管不被加热，只是管内的反应物被加热，能耗低，操作易于进行。,2.2,光纤的材料、制作和光缆,2.2.2,预制棒拉丝,预制棒制作完成，第二阶段是,将预制棒拉丝成为光纤。石英,光纤拉丝机的结构示意图,如图,2.9,所示。在拉丝过程中，,可以基本保持原预制棒的,折射率分布不变。,图,2.9,石英光纤拉丝机的结构示意图,2.2,光纤的材料、制作和光缆,在拉丝过程中，需要保持光纤直径的均匀性，根据质量守恒，有,(2.24),式中，,D,为预制棒直径；,d,为光纤直径；为预制棒下降速度；为光纤收丝速度。,通过控制 和 来控制光纤的直径，一般为,301000 m/min,。,2.2,光纤的材料、制作和光缆,实际应用中，为了提高光纤的强度、耐温等性能，光纤必须制成光缆才能使用。,成缆时可以有多种结构，通常由外护套、包带和加强心构成。图,2.10,为层绞式和骨架式两种常见的光缆结构。,图,2.10,光缆结构图,2.3,光纤的传输特性,光纤作为光通信的传输介质，从通信角度来看，主要关心光纤的以下几个传输特性：,(1),衰减：,只有衰减小到一定程度才可能做长距离通信使用；,(2),色散：,色散小，脉冲展宽小，从而要求光纤有较小的色散，才可能以高速率传输信号或者说有较大的通信容量。,另外，随着光纤通信的发展，,光纤的偏振特性,和,非线性效应,对光信号的传输也有较大的影响。,2.3,光纤的传输特性,1,2.3.1,衰减,2,2.3.2,色散,3,2.3.3,偏振特性,4,2.3.4,非线性,效应,2.3,光纤的传输特性,2.3.1,衰减,一段光纤的损耗由通过这段光纤的光功率损失来衡量，,稳态条件下，,单位长度的光纤损耗称为衰减系数,，,通常定义为,（）,(2.25),式中，为入射光功率；为传输后的输出光功率。,产生光纤损耗的机制很复杂，,主要,与光纤材料本身的特性有关，,其次，,制造工艺也影响光纤的损耗，影响损耗的制造工艺因素很多。,2.3,光纤的传输特性,2.3.2,色散,光脉冲在光纤中传输时，由于 传输常数 是光频率,的函数，,当 与更高阶导数不为零时，,意味着,光信号中不同频率（或波长）成分具有不同的群延迟或,群速度，,这种群速度随光频率变化的现象称为群速度色,散,(GVD),，简称为色散,。,色散将导致光脉冲在光纤中传输时的,脉冲展宽,，从而限制了光纤通信的,信息传输速率,，即,通信容量,。,2.3,光纤的传输特性,在多模光纤中，,由于存在多个模式，因此群速度也必然不同，这种色散称为模式间色散。,对于单模光纤，,由于只有基模，光脉冲中的不同频率成分具有不同的群延迟或群速度，这种色散要比模式间色散小很多，,下面讨论这种色散。,为时延差，即光信号中群速度最慢与最快频率成分的传输时延差,：,(2.26),式中，,D,为色散系数，单位为,ps/(nmkm),；,L,为光传输长度；为传输光的波长范围。,2.3,光纤的传输特性,传输常数 之间的关系为,(2.27),根据光纤的模式理论，可以得到,式中，为材料色散；为波导色散；为折射率剖面色散。,2.3,光纤的传输特性,石英单模光纤的色散曲线如图,2.12,所示，,ZMD,是材料色散的色散零点，是总色散零点波长，常规石英光纤的约为,1310 nm,。,图,2.12,石英单模光纤的色散曲线,2.3,光纤的传输特性,2.3.3,偏振特性,双折射现象，即当一束线偏光（圆偏光也有类似定义）通过光纤时，其传输常数 随偏振方向改变的现象。,双折射现象对光通信的影响主要体现为偏振模色散,(PMD),。单模光纤在其基模工作时有两个正交的极化方向，每一个方向代表一个偏振模。传播常数为 和 ，由于双折射，单位距离的时延分别为,故时延差为,2.3,光纤的传输特性,因为归一化双折射率为,故,对于石英光纤，第二项远小于第一项,因此,(2.28),对于普通光纤，,B,在数量级，。,2.3,光纤的传输特性,2.3.4,非线性效应,当光纤中的光场强较弱时，光纤可视为线性介质；但光场强加大后，任何电介质都会表现出,非线性,。,1,非线性极化理论,光纤作为电介质在外电场（包括光波电场）作用下，感应电偶极矩，极化所形成的附加电场与外电场叠加形成介质中的场。,2.3,光纤的传输特性,电偶极子的极化强度 对于电场 是非线性的，通常满足,(2.29),式中，为真空介电常数；,分别为一阶、二阶、三阶电极化率。,当外场较弱时，因此由麦克斯韦方程组推导出光在介质中传播的波动方程,是线性的。,(2.30),2.3,光纤的传输特性,在线性光学范围内，,光的叠加性原理成立。光频率各分量不存在相互作用，频率也不会变化，表征介质特性的参数如介电系数、吸收系数都与外加光场强度无关。,但在非线性光学范围内，,情况就不同了，式,(2.29),中的第二项及其以后的各项之和统称为非线性极化强度矢量：,(2.31),由于非线性极化强度的存在，物质方程不再是线性的，因此由麦克斯韦方程组推导出的波动方程也是非线性方程：,(2.32),2.3,光纤的传输特性,光纤中不显示二阶非线性光学效应，掺杂时才会考虑二阶非线性光学效应。三阶非线性极化强度项导致克尔效应、双光子吸收、光波自作用以及受激辐射受激拉曼散射和受激布里渊散射等现象。这些是影响光纤通信的重要的非线性光学效应。,从物理机制上讲，非线性光学效应大致可以分为两大类：,一类称为参量过程（非激活的），另一类称为非参量过程（激活的）。,在参量过程中，,参与参量过程的光场之间需要满足一定的相位匹配条件。,在非参量过程中，,非参量过程不需要满足相位匹配条件。,2.3,光纤的传输特性,2,受激散射及其对光纤通信的影响,受激散射,是,三阶非线性极化强度项,表现出来的现象，从量子观点容易说明其物理机理，并分析其对光通信系统的影响。,(1),物理机理,拉曼散射,和,布里渊散射,是光纤物质中原子参与的光散射现象,。在晶体中，原子在其平衡位置附近不停地振动，由于原子之间的相互作用，每一个原子的振动要依次传递给其他原子，从而形成晶体中的格波，格波的形式很复杂，可以分解成一些简谐波的叠加。,2.3,光纤的传输特性,根据量子力学理论，格波的能量是量子化的，对频率 的格波，它们的每份能量 称为一个声子。,所谓声子，就是晶格振动能量变化的最小单位。,入射光波被晶格振动散射，可以理解为光子与声子相互碰撞的问题，在散射过程中，常常伴随声子的吸收和发射，但必须满足能量守恒，从而使入射光发生频率转换。,通过薛定谔方程求出的格波解分为两支，,频率较高的一支与晶体的光学性质有关，通常称为光学波，频率较低的一支与宏观弹性波（声波）有密切关系，称为声学波。,由光学波声子参与的光散射称为拉曼散射，由声学波声子参与的光散射称为布里渊散射。,2.3,光纤的传输特性,拉曼散射的基本过程可以理解为：,频率 的入射光子与介质相互作用，可以发射一个频率为 的斯托克斯,(Stokes),光子和一个频率为 的光学波声子。在这个过程中，能量守恒，即 （,h,是普朗克常量），光波产生下频移。,入射光子与介质相互作用，也可能吸收频率 的声子而产生一个频率为 的反斯托克斯光子，能量仍守恒，光波产生上频移。,布里渊散射与拉曼散射过程相似，只是参与的声子是声学声子，频率低，,因此布里渊散射频移小,。,2.3,光纤的传输特性,(2),受激,Raman,散射对光通信的影响,当光纤中传输功率较小时,，主要是,自发拉曼散射与布里渊散射,，对光纤通信不会产生明显的影响。,但随光功率增大，,就可能产生,受激拉曼散射,(,SRS,),和受激布里渊散射,(SBS),。,临界功率大约为,3 W,左右,，它与光纤的有效面积以及光纤的长度、光学性质都有关。,2.3,光纤的传输特性,受激拉曼散射主要以,前向散射,为主，对光纤的影响主要表现为,限制了,光纤中传输的,最大功率,。,受激拉曼散射导致频率转换，使光纤损耗加大，引起波分复用系统中的串扰。,受激拉曼散射对波分复用系统的影响远远超过了单通道光纤系统，,每一个信道只要几毫瓦的光子功率就能引起明显的拉曼串扰，,其特点是,短波长信道功率向长波长信道转移。由于光纤中处于激发态的原子很少，反斯托克斯光增益小，长波长信道功率向短波长信道转移不明显。,2.3,光纤的传输特性,(3),受激布里渊散射的特点及对光通信的影响,受激布里渊散射,(,SBS,),的特点是,：以,反向散射,为主；,增益系数大；阈值低，,对常规单模光纤来说大约为,4 mW,；频移小，仅有数十兆赫兹。,因此，受激布里渊散射主要对,窄谱线光源的系统,产生严重影响，反向散射光反馈回窄谱线激光器会严重影响激光器的正常工作，必须使用,光隔离器,。受激布里渊散射,使光谱线增宽,，对相干光通信系统产生影响。,2.3,光纤的传输特性,3,非线性折射率调制引起的非线性光学效应,折射率与光强有关的现象是 引起的，光纤的折射率可以表示为,(2.33),式中，为线性折射率；为与 有关的非线性折射率系数，对于石英光纤约为 ；,P,为光功率；,为光纤的有效面积，其中,I,为光强。,2.3,光纤的传输特性,非线性折射率调制可以引发以下非线性光学效应。,(1),自相位调制,(,SPM,),n,依赖于光功率,P,，则光传输常数 也与,P,相关：,，光传输,L,长度后，产生的,非线性相位差为,(2.34),式中，为光纤的有效长度；为输入端光功率。,2.3,光纤的传输特性,当光波被调制后，随时间变化，,SPM,导致频谱展宽，,展宽值,可以由 的导数求得,(2.35),SPM,导致的频谱展宽是一种频率啁啾。,(2),交叉相位调制,(,XPM,),产生,XPM,现象的物理机制与,SPM,类似，当两束或更多束光波在光纤中传输时，某信道的非线性相位变化不仅依赖于该信道的功率变化，而且与其他信道相关，从而引起较大的频谱展宽。,2.3,光纤的传输特性,(3),四波混频,(,FWM,),四波混频是源于非线性折射率的参量过程，需要满足相位匹配条件。,从量子的观点看，一个或几个光子湮灭，同时产生几个不同频率的新光子，在参量过程中能量和动量都守恒，动量守恒即波矢量守恒，就是相位匹配条件。,四波混频大致分为两种情况，一种情况是,三个光子合成一个新光子，其频率为 。当 时，对应三次谐波，当,时，对应频率上转换，由于在光纤中难以满足相位匹配条件，实现有困难。,2.3,光纤的传输特性,另一种情况是,频率为,的光子湮灭，产生频率为,的新光子。能量守恒 ，动量守恒,，在光纤满足的条件相对容易些。,四波混频引起光波分复用,(WDM),系统中复用信道之间的串扰，严重影响传输质量。,光纤色散越小，复用信道波长间隔越小，串扰越严重。这是因为有群速度色散时，相位匹配条件难以满足。,在色散位移光纤中，相位匹配条件容易满足，四波混频严重，因此非零色散位移光纤应运而生。,2.4,光纤的种类,光纤的种类繁多，按光纤所用材料、折射率分布、传输模式等，都可以对光纤进行分类。,从材料角度，,可以分为石英光纤、多组分玻璃光纤、聚合物光纤、液心光纤等。,从折射率分布角度，,可以分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。,从传输模式上，,可以分为多模光纤和单模光纤。,从用途上，,可以分为常规通信光纤和特种光纤。,2.4,光纤的种类,根据国际电工委员会,(,IEC,),标准,IEC6079311,的光纤分类方法，光纤可以分为,A,类和,B,类两大类，,A,类为多模光纤，,B,类为单模光纤。它们的分类参见表,2.1,和表,2.2,。,表,2.1,多模光纤的分类,类 别,材 料,类 型,折射率分布指数,g,值,A,1,玻璃心,/,玻璃包层,梯度折射率,1,g,3,A,2.1,玻璃心,/,玻璃包层,准阶跃折射率,3,g,10,A,2.2,玻璃心,/,玻璃包层,阶跃折射率,10,g,A,3,玻璃心,/,塑料包层,阶跃折射率,10,g,A,4,聚合物光纤,2.4,光纤的种类,表,2.2,单模光纤的分类,下面分别介绍多模光纤和单模光纤,。,类,别,特,点,零色散波长,(nm),工作波长,(nm),B,1.1,非色散位移光纤,1310,1310,1550,B,1.2,截止波长位移光纤,1310,1550,B,1.3,波长段扩展的非色散位移光纤,13001324,1310,13601530,1550,B,2,色散位移光纤,1550,1550,B,3,色散平坦光纤,1310,1550,1310,1550,B,4,非零色散位移光纤,1530,15301565,2.4,光纤的种类,1,2.4.1,多模光纤,2,2.4.2,单模光纤,2.4.1,多模光纤,从结构上看，多模光纤有梯度多模光纤和阶跃多模光纤，其折射率分布函数如图,2.13,所示。,梯度多模光纤包括,和 四类，由多组分或掺杂石英玻璃制成，其具体分类参见表,2.3,。,图,2.13,多模光纤的折射率分布,2.4.1,多模光纤,表,2.3 4,种梯度多模光纤的性能及其应用场合,类型,心,/,包层直径,工作波长,(nm),带宽,(MHz),数值孔径,损耗,(dB/km),应用场合,A,1a,50/125,850,1310,2001500,0.200.24,0.81.5,数据链路、局域网,A,1b,62.5/125,850,1310,3001000,0.260.29,0.82.0,数据链路、局域网,A,1c,85/125,850,1310,3001000,0.260.30,2.0,局域网,A,1d,100/125,850,1310,10050,0.260.29,3.04.0,局域网,2.4.1,多模光纤,阶跃多模光纤包括,三类,9,种，可用多组分玻璃或塑料制成。,其特点是纤心直径大，数值孔径大，可以有效地与发光二极管,(LED),耦合，主要应用于短距离信息传输、楼内局域网、传感器等。,其具体分类参见表,2.4,。,2.4.1,多模光纤,表,2.4,三类阶跃多模光纤的特性,光纤类型,A,2a,A,2b,A,2c,A,3a,A,3b,A,3c,A,4a,A,4b,A,4c,心,/,包层直径,(,m),100/400,200/300,980/1000,200/240,200/380,730/750,200/280,200/230,480/500,工作波长,(nm),850,850,650,带宽,(MHz),10,5,10,数值孔径,0.230.26,0.40,0.50,衰减,(dB/km),10,10,400,典型适用长度,(m),2000,1000,100,2.4.2,单模光纤,为了保证单模传输，光纤心径必须很小，一般心直径为,810,，包层直径为,125,。石英单模光纤衰减小，带宽高，是理想的光通信介质。,为了解决色散以及非线性效应对光纤传输性能的影响，人们专门研究开发了色散位移光纤、非零色散位移光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤等。,按色散波长和截止波长的位移与否，可以将单模光纤分为,5,类，参见表,2.5,。下面分别介绍。,2.4.2,单模光纤,表,2.5,单模光纤的分类,名,称,ITU-T,（国际通信,联盟）,IEC,非色散位移单模光纤,G652:A,B,C,B1.1,色散位移单模光纤,G653,B2,截止波长位移单模光纤,G654,B1.2,非零色散位移单模光纤,G655:A,B,B4,色散平坦单模光纤,2.4.2,单模光纤,1,非色散位移单模光纤,G652(SMF),G652,光纤可细分为,G652A,G652B,和,G652C,三种。,常规单模光纤的,特点是,：,(1),波长,1310 nm,为,色散零点；,(2),波长,1550 nm,处衰减最小，约为,0.22 dB/km,，色散系数的最大值为 ；,(3),工作波长可以在,1310 nm,或,1550 nm,。它广泛用于数据通信。,它的缺点是,：波长,1550 nm,色散大，阻碍了高速率、远距离的应用。,2.4.2,单模光纤,常规,G652,在,1385 nm,附近有较高的水,(),吸收峰，数量级的 就会产生几个,dB/km,的衰减，朗讯于,1998,年发布了全波光纤,(,all wave fiber,),。,2,色散位移光纤,G653(DSF),色散位移光纤于,1988,年商用化，改变了光纤结构参数即光纤折射率分布的形状，力求加大波导色散，使光纤色散系数零点从,1310 nm,移到,1550 nm,，实现了,1550 nm,处最低衰减与零色散一致。,2.4.2,单模光纤,这种光纤适用于长距离、大容量通信系统中。由于,1550 nm,的零色散，四波混频等非线性效应严重，不适合用于波分复用系统。,3,截止波长位移单模光纤,G654(WSF),1550 nm,截止波长位移是非色散位移光纤，零色散波长为,1310 nm,，截止波长在,1550 nm,。,衰减极小,(),。选用纯石英,(),作为纤心，掺氟包层，制造特别困难，价格昂贵。,它主要用于长距离，不能插入有源器件的无中断海底光纤通信系统中。,2.4.2,单模光纤,4,非零色散位移单模光纤,G655(NDF),NDF,是于,1994,年由朗讯与康宁公司为波分复用传输系统设计的，在,1550 nm,处有合理的低色散，足以支持,10 Gb/s,系统的长距离传输，又可以抑制四波混频和交叉相位调制等非线性光学效应，以满足密集波分复用系统的要求。,5,色散平坦单模光纤,(DFF),DFF,是于,1998,年商用化的，在,13101550 nm,波长范围内都是低色散，有两个零色散波长,1310 nm,和,1550 nm,，折射率剖面结构复杂、制造困难。,2.4.2,单模光纤,6,色散补偿光纤,(DCF),随着光纤放大器的应用，衰减对光纤通信系统而言已经不成问题，但色散严重阻碍了光纤从,1310 nm,到,1550 nm,的升级扩容。色散补偿光纤在,1550 nm,处有很大的负色散系数，一般为,-700-50,ps/(nm,km),。,当常规光纤由,1310 nm,扩容至,1550 nm,，其色散为正值，在系统中加入一段负色散系数光纤，可以抵消,1550 nm,处的正色散。各种石英单模光纤的色散系数如图,2.14,所示。,2.4.2,单模光纤,图,2.14,石英单模光纤的色散系数,习 题,2.1,有一种石英单模光纤，它的纤心直径为,8,，工作波长为,1550 nm,，已知纤心折射率为,1.460,，试问此光纤包层的折射率应为多少？,2.2,一种塑料光纤在波长,650 nm,处的衰减系数，光纤中注入波长为,650 nm,5 mW,的光功率，问经过多少米传输，光功率衰减,20 dB,？这时光功率是多少,mW,？,2.3,石英光纤的数值孔径，对于波长的光，光纤是单模的，问光纤的心直径应该是多少？,