《光纤通信》第2讲光纤1.ppt

检拎怎碧迁茨鳞观嘛攻殴挫享保距巴篙风聊谱矫耻巧筑响宜柯师受荧尧橱光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤1第二讲第二讲(1)(1)光光 纤纤Fiber筹七叹懂葡另模蜒墙缸骏穷晌染咆媚捅譬粹支玛篷谅哨昔戊墩牛规按甜屈光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20241主要内容主要内容 1 1、本讲对光纤的结构和分类，光纤的导光原、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。理，光纤的传输特性作一介绍。2 2、对于导光原理，将采用射线法进行分析。、对于导光原理，将采用射线法进行分析。3 3、分析影响光纤传输性能的两大因素：、分析影响光纤传输性能的两大因素：损耗及色散。损耗及色散。4 4、单模光纤和多模光纤。、单模光纤和多模光纤。5 5、光缆及其制造。、光缆及其制造。耻缝镣法贿瘫断噶窑怪性仇赚踌檬叹罕批寒凭入峰晌硬涝猴弦从爬薪棵蕊光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20242回忆一下回忆一下回忆一下回忆一下光基础知识光基础知识l1.光是一种电磁波光是一种电磁波。可见光部分波长范围是：可见光部分波长范围是：390760nm(毫微米毫微米).大于大于760nm部分是红外光，小于部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的部分是紫外光。光纤中应用的较多是：较多是：850nm，1310nm，1550nm三种。三种。l2.光的折射，反射和光的折射，反射和全反射全反射。因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射交界面处会产生折射和反射和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变。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，化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消折射光会消失，失，入射光全部被反射回来，这就是光的入射光全部被反射回来，这就是光的全反射全反射。不同的。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有即不同的物质有不同的光折射率不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射角度相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同也是不同。光纤通信就是基于以上原理而形成。光纤通信就是基于以上原理而形成的。的。绘匣屁娘奥洼曲传窜急鹊婪嚷缕阑咏塌妻冷腐私赌肚未蛔烽境肠荚蚀全伶光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20243表中给出了一些介质的折射率。表中给出了一些介质的折射率。材料材料空气空气水水玻璃玻璃石英石英钻石钻石折射率折射率1.0031.331.521.891.432.42光的折射光的折射光的反射光的反射尝挂妥怀殷份米窥颠蘑巫答寄钓海键趾包脸断委叠函叔扣咖来毙悠噶旅诊光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20244 3光的偏振光的偏振 光波属于光波属于横波横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。，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，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，这样的光称为这样的光称为线偏振光线偏振光(完全偏振光）完全偏振光），如下图所示，如下图所示，“旋光现象旋光现象”。从从普通光源普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如发出的光不是偏振光，而是自然光，如下下图图所示。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，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，这种光称为这种光称为部分偏振光部分偏振光，如，如下下图所示。图所示。频舜粕您芒嘿连钳唐能筛砰寡长钻迸附隶盟饵词魄丈查学搔壹附述芝轿纵光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20245光的偏振光的偏振烛凯艘使褂牟谁许辆个俘砒抄恐毛绍迈俩冰辰磕欣微扔嘲趣骇谬剿闭丢犀光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20246 4光的色散光的色散 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。散开。贼屉隋涡滚撵冻定酿镁呢酒浪拓砸导柔馏伙崖咯忻裴挟机簿忍染趴糠装肉光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20247名词解释波导波导 waveguidewaveguide：微波或光波的传输装置。：微波或光波的传输装置。能够沿能够沿着平行于其轴的路径导引电磁场能流，同时使能量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包含在其内或于其表面相邻区域的任何结构结构。在媒。在媒质中，给定折射率的一层材料，在它的两边用较低质中，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。率的材料里。导波导波 guided waveguided wave：传输媒质的分层将波的能量限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。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表面之间或表面附近的波波。其传播方向与材料边界。其传播方向与材料边界实际上是并行的。实际上是并行的。篱浩辫妒锑怪我牡瞒翟乖渴趣厦盎姚训奎诌撬有衙稗枯士艺纳礼快淆株潦光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20248导波的形成导波的形成A AC CB B 波的形成必须与自身发生波的形成必须与自身发生相长干涉相长干涉，否则波，否则波就会与自身发生就会与自身发生相消干涉相消干涉而消失；而消失；波的相位不仅在波行进时会变化，而且从介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；质界面反射时也要变化；因此，当波路径因此，当波路径A-B-CA-B-C时所产生的总相位移时所产生的总相位移必须等于必须等于2 2 的整数倍。的整数倍。斜驼涤红解舒挞聋森提澜徘弦钱淤锚城骑燥默拨诡梧的绢斤虫毙煽污肢凿光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20249名词解释名词解释(续续)模模 mode:mode:传输媒质中电磁波的一种电磁场分布样式。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。斯韦方程组和一定边界条件所决定的。混合模混合模 hybrid mode:hybrid mode:电磁波传播方向上既有电电磁波传播方向上既有电场分量又有磁场分量的传播模。一般用场分量又有磁场分量的传播模。一般用HEHE模或模或EHEH模表示。光纤中一般传输这种类型的模式。模表示。光纤中一般传输这种类型的模式。形历英霸岩幅沟提袄苞枯几烙帕遣慈损符耪壤添谊痛糙袱罩备拱钒帕眠洲光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202410第一节 光纤结构和分类 概述：概述：光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的层。中心是光传播的玻璃芯玻璃芯。在多模光纤中，芯。在多模光纤中，芯的直径是的直径是15um-50um15um-50um，大致与人的头发的粗细相，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为当。而单模光纤芯的直径为8um-10um8um-10um。芯外面包。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光线保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纤芯通常是由石英玻璃石英玻璃制成的横截面积很小的制成的横截面积很小的双双层同心圆柱体层同心圆柱体，它质地脆，它质地脆,易断裂易断裂,因此需要外加因此需要外加一保护层。其结构如下图：一保护层。其结构如下图：酋旭洱通站约候热窒拒妮涉蝇貌钦作智磋佩沁挚椽焰诽排溶疽柞憨芝脑媚光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202411第一节 光纤结构和分类（续）光纤的结构光纤的结构如琳沽攘腔可啄勺速掺件的帐简汞换邮骏头昂狼礁准糠失般腥炮圈褥辨瓷光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202412第一节 光纤结构和分类（续）光纤的结构光纤的结构矮旁百烟顷闽属寇宝钒抵绿躁玲却惯祸刽勿恭拐搐折斟她锡批簧扫啥懂涯光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202413第一节 光纤结构和分类（续）1.1.结构结构:1.1 1.1 纤芯与包层纤芯与包层:1.2 1.2 外护层外护层 纤芯纤芯 包层包层 一次涂敷一次涂敷 二次涂敷二次涂敷 2a2a 2b2b掌札展炽瞒闸久沸辊盔敷沛并厉焦愿妨戏泅拱掠掘签恫稻残总骚爷曾冶康光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202414第一节 光纤结构和分类（续）2.2.分类分类:2.1 2.1 按照光纤折射率分布按照光纤折射率分布 (1)(1)阶跃型光纤阶跃型光纤SIF SIF 也称突变型也称突变型 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，纤芯的折射率突变，纤芯的折射率n n1 1和包层的折射率和包层的折射率n n2 2是均匀常数。是均匀常数。(2)(2)渐变型光纤渐变型光纤GIF GIF 也称梯度型也称梯度型 渐变型光纤纤芯的折射率渐变型光纤纤芯的折射率n n1 1随着半径的增加而按一定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包层交界处为包层折射率n n2 2 ，纤芯的折射率不是均匀，纤芯的折射率不是均匀常数。常数。肋刚此骋箕诲乱光群允缮然堡射招靠惺呈麦械配吕擎矗驳犀偶袋兵魔心情光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202415(a)阶跃分布；(b)三角分布；(c)高斯分布 吾蔗垦菇购溪糯求穷拈座金俞先珍陈鄂恬猴碟两第椰坷乱搏妓篱建秀挽拘光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/2024162.2 2.2 按照光纤传输光波电磁场模式按照光纤传输光波电磁场模式(1)(1)单模光纤单模光纤SM:SM:在给定光波长下只能传播一个模的在给定光波长下只能传播一个模的 光纤。纤芯直径应为工作波长的光纤。纤芯直径应为工作波长的3 3 4 4倍。倍。(2)(2)多模光纤多模光纤MM:MM:在一定光波长下能传播一个以上模的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。光纤。模的数量将取决于纤芯直径、数值孔径和波长。2.3 2.3 按制造光纤所使用的材料分有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、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。全塑光纤等四种。l目前通信实际应用中多是目前通信实际应用中多是石英光纤石英光纤，以后所说的光纤也，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（）突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF）2）渐变型多模光纤（）渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF）3）单模光纤（）单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF）殴倦巍挖件俗甥栖顽基类旁缄窍迎哗涌簇淋装诚鄂锐搅诫眼翟最挽命栏瘫光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202417(a)(a)突变型多模光纤；突变型多模光纤；(b)(b)渐变型多模光纤；渐变型多模光纤；（c c）单模光纤单模光纤 既呐撑绦株梗猿腋访逼宋稳撒翰墟臻含旱晕庭吧固引亦急撼膘项嫂习从舜光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202418(a)双包层；双包层；(b)三角芯；三角芯；(c)椭圆芯椭圆芯 特特种种单单模模光光纤纤 最最有有用用的的若若干干典典型型特特种种单单模模光光纤纤的的横横截截面面结结构构和折射率分布示于下图，这些光纤的特征如下。和折射率分布示于下图，这些光纤的特征如下。双包层光纤双包层光纤双包层光纤双包层光纤 色散平坦光纤色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber,DFF）色散移位光纤色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber,DSF）三角芯光纤三角芯光纤三角芯光纤三角芯光纤 椭圆芯光纤椭圆芯光纤椭圆芯光纤椭圆芯光纤 双折射光纤双折射光纤或或偏振保持光纤偏振保持光纤。祈如上掖循哉氯呕砚棕赂蠢软灌浮元替矛撞吵丛肚辨状坡刻档越嘶殿撼邦光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202419飞利浦飞利浦GOLD SERIES光纤，型号光纤，型号M62794撬吝萄贤弱土卫掠跑耍烹耽跃炼滤绽晓噪交藉殉妇畏早久深尉搓记推痴隘光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/20242024K镀金接头镀金接头制畦赁饭机仿祈亨泪要歇仆蝇馒霹屎乏久睡尖赌蓬寸感鼎酌琐抉雪医泛搪光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202421配两个配两个3.5的方转圆适配器的方转圆适配器击缎卖追颈杖擎井喳蜗止呛滔刨虎孽拾懦氢惫叉毙左哗湾康亩坤仅消酒致光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202422胜吻腐拼招赖龚魂杆抑然渴蜗亦鸳脏相样夫易恫箕喜瞎娶析牌团删射俭捡光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/2024233.3.阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiberstep-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析 分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法：几何光学法几何光学法几何光学法几何光学法 麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程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：几何光学法分析问题的两个出发点：数值孔径数值孔径 时间延迟时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布分布 几何光学法分析问题的两个角度：几何光学法分析问题的两个角度：突变型多模光纤突变型多模光纤 渐变型多模光纤渐变型多模光纤诡雁涨惠褥啮淬俭癣叼仁中胁零焙征趴反雍划茬依挞俘坠锥帛戈依予自橇光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202424阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析l n0 n2 2l n1 1l l 0 第一种情况第一种情况:根据折射根据折射(斯奈尔斯奈尔)定律定律:n0sin 0=n1sin 0 设在包层界面全反射设在包层界面全反射 即即:2=900 令令 1=c 则则 n1sin c=n2 sin900 ,sin c=n2/n1 称称c 为包层界面的为包层界面的全反射临界角全反射临界角 称称0 为为入射临界角入射临界角鳃闸岭瑰骡喻只叹遮射坦涎棘吭剧腊滇疼歇腔爪署看伴钩党腕猜肚司酷俱光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202425阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析(续续)l n0 n2 2l n1 1l l 0第二种情况第二种情况:光线以大于光线以大于0 0的角度入射光纤端面的角度入射光纤端面,它产生的界面入它产生的界面入射角将小于射角将小于c c ，光线在包层中的折射角小于，光线在包层中的折射角小于90900 0，该光，该光线将射入包层（散失掉）。线将射入包层（散失掉）。藤司尹藩为吟能账粮丢贿樟蕉臆耽物晓贰叮寐擎谣帅惊谣暖驰婴事舟粗昼光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202426阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析(续续)l n0 n2 2l n1 1l l 0第三种情况第三种情况:光线以小于光线以小于0 0的角度入射光纤端面的角度入射光纤端面,它产生的界面入射它产生的界面入射角将大于角将大于c c ，光线在包层中的折射角大于，光线在包层中的折射角大于90900 0,该光该光线将在界面产生全反射线将在界面产生全反射(从而向前传播从而向前传播)。剑笛柳磺戊脑絮驶诣为泌委疮届柴梗汐踢择束维炕戳硅蒜瘟旭轰糊阑俏仅光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202427阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析(续续)l n0 n2 2l n1 1l l 0 可见入射临界角可见入射临界角0是个很重要的参量是个很重要的参量,它与光纤折射它与光纤折射率的关系为率的关系为:sin 0=n1 sin(900 c)=（n12-n22)1/2 n1(2)1/2 为纤芯和包层的为纤芯和包层的相对折射率差相对折射率差:=(n12-n22)/2n12(n1-n2)/n1仆吴服劲达矫雇辩兆疵歹郭妖岿聊胶瓮剔且柒芥果孽秒洲尽君羞鬼页热清光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202428阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析(续续)l n0 n2 2l n1 1l l 0 定义光纤的定义光纤的数值孔径数值孔径为为入射临界角入射临界角0 0 的正弦的正弦,即即:l 越大越大,NA,NA越大，光纤聚光能力越强，可得到越高的越大，光纤聚光能力越强，可得到越高的耦合效率。耦合效率。莽晴文镀扒甭屎六秘祖袄噪圣狸誓橱缎律兼敝名做炙包亏挞岭贪鹅炽峙誊光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202429临界光锥与数值孔径临界光锥与数值孔径 肥哲面辱嗽解焰卒惶涨数便铭牟鄙篙哲寥风彦越凌村在偿拦饮页婪队谷谈光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202430阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析(续续)NANA表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力，NA(或或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。越高。对于无损耗光纤，在对于无损耗光纤，在c 内的入射光都能在光纤内的入射光都能在光纤中传输。中传输。NA越大，越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好弯曲性能越好;但但NA越大，经光纤传输后产生的越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而信号畸变越大，因而限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。邑娟莫滓妄像勤许兹完恒遗雌秸恳段堆锚嗜麦皇末柯腹脓我秧帛忘尸稳冻光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202431阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟时间延迟 n n0 0 n n1 1 l y y 1 o L x o L xl 现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。图中，入射角为图中，入射角为的光线在长度为的光线在长度为L(ox)的光纤的光纤中传输，所经历的路程为中传输，所经历的路程为l(oy)，在，在不大的条不大的条件下，其传播时间即时间延迟为件下，其传播时间即时间延迟为:=(n1l)/c=(n1Lsec1)/c (n1L)/c*(1+12/2)式中式中C为真空中的光速。为真空中的光速。吉樊玄社魄互晋训鄙胯狮媚辖盒士全孤神候杜畸垄倪卸烛擞做址软拘同扯光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202432阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟时间延迟 由上式得到最大入射角由上式得到最大入射角(=0)和最小入射角和最小入射角(=0)的光线之间时间延迟差近似为的光线之间时间延迟差近似为:=(n1L)/c*(1+12/2)-(n1L)/c =L02/(2n1c)LNANA 2/(2n1c)(n1L)/c 这种时间延迟差在时域产生这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽脉冲展宽，或，或称为称为信号畸变信号畸变。由此可见，。由此可见，突变型多模光纤突变型多模光纤的的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输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。后，其时间延迟不同而产生的。斜旋键织湖裸韧蝇盲抨搔椿颗故倪时叶缚绎轧匝箕暮拳斩扁蔷晴惨洒鸵少光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202433阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟时间延迟 例例:设光纤设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，请计算，请计算这时产生的时间延迟即脉冲展宽。这时产生的时间延迟即脉冲展宽。答案：答案：LNANA 2/(2n1c)(n1L)/c 脉冲展宽为：脉冲展宽为：=44ns屑抬碘吨醉蔑疯扮阀翱屋闪辆踞屠打唤憨森达猿毗椒铸主糟里帘擅软酵修光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202434阶跃光纤阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析(续续)斜射光线在光纤中的传输情况较复杂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由光线在光端面的投影图可知图可知,传输轨迹限定在一定的范围内传输轨迹限定在一定的范围内,并与一圆柱面并与一圆柱面相切相切,该圆柱该圆柱面称为面称为焦散面焦散面，半径为，半径为a a。斜射光线就在斜射光线就在芯包界面与焦散面间传输芯包界面与焦散面间传输。以不同角度入射的。以不同角度入射的斜射光线，有不同的焦散面。斜射光线，有不同的焦散面。当当a a。=a=a时，焦散面与芯包界面重合，时，焦散面与芯包界面重合，折线变为折线变为螺旋线螺旋线；当当a a。=0=0时，斜射光线变为时，斜射光线变为子午线子午线。斜射光线的斜射光线的数值孔径与数值孔径与子子午线不同，比子午线稍大。一午线不同，比子午线稍大。一般用子午线来定义光纤的般用子午线来定义光纤的数值孔径。数值孔径。氯州客似涟镁饱炒雀搭倡招倚津猖抛邮藻芦蓄屿匠剃昂滤嚷百陕檬萧碉缴光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202435渐变型渐变型渐变型渐变型光纤光纤(Graded-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析 渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤的的光光线线轨轨迹迹是是传传输输距距离离z的的正正弦弦函函数数，对对于于确确定定的的光光纤纤，其其幅幅度度的的大大小小取取决决于于入入射射角角0，其其周周期期=2a/(2)1/2，取取决决于于光光纤纤的的结结构构参参数数(a,)，而与入射角而与入射角0无关。无关。这说明不同入射角相应的光线，这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为自聚焦自聚焦自聚焦自聚焦(Self-Focusing)(Self-Focusing)效应效应效应效应。甚邻德拖良栈捂熄莽磊坎腔险耿进衰瞒旗角氮太凿拭晴赦昆厘笔集凶村缎光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202436渐变型渐变型渐变型渐变型光纤光纤(Graded-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析 渐变型多模光纤渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这而且这些光线的时间延迟也近似相等些光线的时间延迟也近似相等。这是因为光线传播速度这是因为光线传播速度v(r)=c/n(r)(c为光速为光速)，入射角大的光线经历的路程较长，但大部分，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，路程远离中心轴线，n(r)较小，较小，传播速度较快，传播速度较快，补偿了较长的路程。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。速度较慢。所以这些光线的时间延迟近似相等。她返兰暮舆罢筛褒彼诈言逝沈曝勃渠极氖甜铅圆博邹条长舰犹挟茧窃网鸽光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202437渐变型渐变型渐变型渐变型光纤光纤(Graded-index fiber)的射线光学分析的射线光学分析光在渐变折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播乌鹏闽揣詹勒崔按灸填榔率要粱慕蒙矿逛栓氓旭蔚吏猖救满牺孤氮芭马戚光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202438阶跃光纤阶跃光纤step-index fibero on2n2n1n1r rb ba a纤芯纤芯包层包层 纤芯直径纤芯直径:2a=50:2a=50 3 3 m m 包层直径包层直径:2b=125:2b=125 3 3 m m1.1.相对折射率差相对折射率差:=(n1-n2)/n1 纤芯与包层均采用相同的基础材料纤芯与包层均采用相同的基础材料SiOSiO2 2,然后各掺入不同的杂质然后各掺入不同的杂质,使得使得n n1 1略高于略高于n n2 2.2.2.阶跃光纤中光射线种类：阶跃光纤中光射线种类：(1)(1)子午射线子午射线:穿越光纤轴线穿越光纤轴线,截面截面投影是一条直线投影是一条直线 (2)(2)斜射线斜射线:不穿越光纤轴线不穿越光纤轴线,截面截面投影是焦散面投影是焦散面 折射率分布示图折射率分布示图走眩躯湛实罗倪尔讯息啡貉算救准蓟懂音涵潜挎谚庚拼胞驰棵弊量襟茄搅光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202439渐变光纤渐变光纤graded index fiber 一种一种纤芯折射率为离光纤轴距离的函纤芯折射率为离光纤轴距离的函数的光纤数的光纤。随着离轴的距离增加，折射。随着离轴的距离增加，折射率逐渐降低。这种特性使光线趋于留在率逐渐降低。这种特性使光线趋于留在纤芯内纤芯内连续折射连续折射，因此迫使光线保持在，因此迫使光线保持在光纤中。光纤中。纤芯直径纤芯直径:2a=50:2a=50 3 3 m m 包层直径包层直径:2b=125:2b=125 3 3 m m 数值孔径数值孔径 NA(r)NA(r)：在渐变光纤中，数值孔径是纤芯端面在渐变光纤中，数值孔径是纤芯端面上位置的函数。上位置的函数。NA(r)=NA(r)=n(r)n(r)2 2-n-n2 22 2 仅当光射线落入位置仅当光射线落入位置r r处的处的NA(r)NA(r)以内，以内，形成全反射，才有形成导波的可能。形成全反射，才有形成导波的可能。o on n2 2r rb ba a纤芯纤芯包层包层 折射率分布示图折射率分布示图n(r)n(r)圆媚虾蹄少墒葡笺栋溃羔雨醇蛮袖球老尧帽厘耗办拓谤佰躺淳刀间盒需增光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202440渐变光纤渐变光纤graded index fiberl 理解渐变光纤时我们可以这样假设，如纤芯折射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，而是按照某种规律率的变化不是均匀的，而是按照某种规律 n(r)从轴心从轴心的的n1沿径向减小，直到包层界面等于沿径向减小，直到包层界面等于 n2，如图所示。，如图所示。这种渐变折射率分布使纤芯内的射线的这种渐变折射率分布使纤芯内的射线的连续偏转轨迹连续偏转轨迹如同正弦波振荡一样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，总是由图可见，各个角度的射线经连续偏转后，总是汇集到一点，汇集到一点，这表明渐变光纤的色散很小。这表明渐变光纤的色散很小。郊雅涸狠翟椰犀汐潍眉牲钦仕豪哈号余实炼遗峙皮了柱拖帝甭置嘶晚圾拉光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202441渐变光纤渐变光纤graded index fiberl 渐变型光纤折射率分布的普遍公式为：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 式中式中n1为为芯轴线处芯轴线处折射率，即最高折射率；折射率，即最高折射率；n2为包为包层折射率；层折射率；为相对折射率差；为相对折射率差；q q为为折射率分布指数折射率分布指数；a a和和r r分别为纤芯半径和径向坐标。分别为纤芯半径和径向坐标。在在q，(r/a)0的极限条件下，该式表示突变的极限条件下，该式表示突变型多模光纤的折射率分布。型多模光纤的折射率分布。在在q2，n(r)按平方律按平方律(抛物线抛物线)变化，该式表示常变化，该式表示常规渐变型多模光纤的折射率分布。规渐变型多模光纤的折射率分布。晃公轮擞邯几勒创每清演疽碳寞氓搐浊晰格貌匈绝变汁兑键洁卉翠堪币背光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202442 常用常用 q2的光纤上式可简化为：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一般把具有这种折射率分布的光纤叫做折射率渐折射率渐变变光纤，常称光纤，常称梯度光纤梯度光纤，记为，记为GIF。梯度光纤也能传播歪斜射线，由于不断折射，其梯度光纤也能传播歪斜射线，由于不断折射，其轨迹在轨迹在两个焦散面两个焦散面之间弯曲前进。之间弯曲前进。盎狐邪踪哑苑簧摸脚作铜探但盐驴导瓢砧笼肌裴爹违锯钙修脓抿屈砚叫堆光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202443名词解释名词解释(续续)3.3.数值孔径数值孔径 NA NA numerical aperture：表示光纤扑捉光射线能力的物理量表示光纤扑捉光射线能力的物理量。仅当光射线落。仅当光射线落入入NANA以内，形成全反射，有形成导波的可能。以内，形成全反射，有形成导波的可能。4.4.归一化频率归一化频率 V V normalized frequency：V=(2 an1/0)(2)1/21/2 式中式中a为波导芯半径，为波导芯半径，0是真空中的波长，是真空中的波长，n1表示光表示光纤纤芯的折射率，纤纤芯的折射率，是相对折射率差。是相对折射率差。说明光纤中允许说明光纤中允许传输的模式的数量传输的模式的数量,在大模数（即在大模数（即5)5)时，模数可近似表时，模数可近似表示为：示为：M M V V2 2/2/2 5.5.截止：截止：是指光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止。是指光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止。6.6.归一化截止频率归一化截止频率 normalized cut-off frequency：导波截止时的归一化频率称为归一化截止频率，用导波截止时的归一化频率称为归一化截止频率，用Vc 表示。表示。痕双逆坡昌沥拌农萎骇孟蜗甩吠帝剩内水痉肺淹钦墒翼伶詹躬伴也潦屁杆光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202444第二节第二节 光纤的损耗及色散光纤的损耗及色散 损耗损耗和和色散色散是光纤的最重要的传输特性。是光纤的最重要的传输特性。损耗限制系统的损耗限制系统的传输距离传输距离，色散限制系统的，色散限制系统的传输容量传输容量。本节讨论光纤的色散和损耗的机理和特性，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。为光纤通信系统的设计提供依据。蝉拇水魁也销夺表逊灰虑锈枷锁傻攘男紫泵善犀饰归榨黑暑赶沁踌猿滤睫光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202445光纤的传输损耗光纤的传输损耗: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辐射的信号功率被认为是损耗损耗，通常用，通常用dBdB表示。表示。一一.光纤损耗直接决定了通信线路无中继的区间及中继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。站间距离的长度。目前：目前：800800 900 nm 2.0 dB/km900 nm 2.0 dB/km 1310 nm 0.4 dB/km 1310 nm 0.4 dB/km 1550 nm 0.25db/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。光纤损耗的不断下降，促进了光纤通信的实用化。二二.表征光纤损耗的损耗系数表征光纤损耗的损耗系数:=10lgPi/Po/L dB/km dB/km 式中式中Po是光纤输出端的光功率；是光纤输出端的光功率；Pi是注入光纤的光是注入光纤的光 功率；功率；L为光功率经过的长度。为光功率经过的长度。伴报杉更吾橡栓币谎詹庄惟拒涕怎晕茅宵砒间跨嗜呕诺叔附唁责谤獭撬柴光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202446三三.光纤损耗机理光纤损耗机理 光纤的损耗机理可大致分为光纤的损耗机理可大致分为吸收损耗吸收损耗和和散射损耗散射损耗。1.1.吸收损耗吸收损耗 物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造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：成光功率损失，其原因有三：a a 物质材料的本征吸收物质材料的本征吸收:物质材料固有的吸收物质材料固有的吸收,它基它基本上本上确定了某一种材料吸收损耗的确定了某一种材料吸收损耗的下限下限，材料的固有，材料的固有吸收损耗与波长有关，对于吸收损耗与波长有关，对于SiO2石英系光纤，石英系光纤，本征吸本征吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收有两个吸收带，一个是紫外吸收带，一个是红外吸收带。收带。b b 杂质吸收：杂质吸收：它是由光纤材料的不纯净而造成的附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加吸收损耗。主要是金属过度离子和水的OHOH-离子对光离子对光能的吸收。因此必须制造高纯度的石英材料。能的吸收。因此必须制造高纯度的石英材料。谨今万臃糟食乓援眨食樟壬腊锰我肚彦熙揽踢拿剔译伶奉次蛹笼荐磷咳门光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202447 c c 原子缺陷吸收：原子缺陷吸收：光纤材料受外界辐射而受激产生原子缺陷，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。吸收光能，造成损失。2.2.散射损耗散射损耗 所谓散射，所谓散射，是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，是指光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光的现象。除了在光的传播方向以外，在其它方向也可以看到光的现象。散射损耗散射损耗，是由于光纤的材料、形状、折射率分布等的缺，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：为散射损耗。它可分为：a a 本征散射：本征散射：浓度不均匀引起的散射；浓度不均匀引起的散射；掺杂不均匀引起的散射；掺杂不均匀引起的散射；b b 波导散射损耗：波导散射损耗：光纤芯直径不一致引起模式的转换或模光纤芯直径不一致引起模式的转换或模式耦合；式耦合；渭矩户桌复细昧屁诚巢粟设幅仲讣碟祟筛扎召悟驰者巨寇冤掘动少懒茨调光纤通信第2讲光纤1光纤通信第2讲光纤15/16/202448 c c 非线性散射损耗：非线性散射损耗：物质在外加强电场作用下会出现非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线性效应（即出现新的频率或输入的频率得到改变)；受激拉