光纖和光纜課件

1、第二章 光纖和光纜光纖(optical fiber)：光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱，是一種圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)，它能夠約束并引導(dǎo)光波在其內(nèi)部或表面附近沿其軸線方向向前傳播。2.1光纖的結(jié)構(gòu)和類型1.光纖的結(jié)構(gòu) (n1 )(n2 )纖芯:是由高透明的材料制成,是光波的傳播媒體。包層：是折射率稍低于芯的介質(zhì)材料。和纖芯一起構(gòu)成光波導(dǎo)。（n1 n2）保護(hù)纖壁不受損壞。 涂敷層：一般由高損耗的柔軟材料(如塑料)制成。增強(qiáng)機(jī)械性能，保護(hù)光纖的作用。阻止纖芯光功率串入鄰近光纖線路，抑制串?dāng)_。纖芯主要采用高純度的SiO2二氧化硅，并摻有少量的摻雜劑，提高纖芯的光折射率n1；包層也是高純度的二氧化硅，也摻雜一些摻雜劑，主要是降低

2、包層的光折射率n2；涂層采用丙烯酸酯、硅橡膠、尼龍，增加機(jī)械強(qiáng)度和可彎曲性。光纜是多根光纖放在放在一個(gè)松套管內(nèi)，內(nèi)沖石油膏和鋼絲形成的。海底光纜內(nèi)還有電源線，主要為中繼站的放大器等提供電源。光纖橫截面上的折射率分布階躍型光纖（Step-Index Fiber） 光纖纖芯的折射率n1和包層的折射率n2都為一常數(shù)，且n1n2，在纖芯和包層的交界面處折射率呈階梯型變化，這種光纖稱為階躍型光纖。帶寬較窄，適用于小容量短距離通信。漸變型光纖（Graded-Index Fiber） 光纖纖芯折射率n1隨著半徑的增加而按一定規(guī)律減小，到纖芯與包層交界處為包層的折射率n2，即纖芯中折射率的變化呈近似拋物線型。

3、這種光纖稱為漸變型光纖。 頻帶較寬，適用于中容量，中距離通信使用。 2.2 光纖的導(dǎo)光原理光是一種頻率很高的電磁波，而光纖本身是一種介質(zhì)波導(dǎo)。 我們從幾何光學(xué)的角度來簡(jiǎn)單討論光纖的導(dǎo)光原理。全反射原理光線在均勻介質(zhì)中是以直線傳播的，但在兩種不同介質(zhì)的分界面會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖所示：全反射原理光線在均勻介質(zhì)中是以直線傳播的，但在兩種不同介質(zhì)的分界面會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，如圖所示：包層纖芯折射光反射光入射光光的反射與折射n2n1123全反射原理當(dāng)n2/n1的比值增大到一定程度，則會(huì)使折射角90度，此時(shí)的折射光線不再進(jìn)入包層，而會(huì)在纖芯與包層的分界面上掠過，或者重返回到纖芯中進(jìn)行傳播，這種現(xiàn)象

4、叫做光的全反射現(xiàn)象。全反射現(xiàn)象光的全反射現(xiàn)象n2n1折射光13入射光不難理解，當(dāng)光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進(jìn)行傳播，沒有光跑到包層中去，所以可以大大降低光纖的衰耗。光在光纖中的傳播光在光纖中以“Z”形軌跡傳播及沿纖芯與包層的分界面掠過n2n1漸變光纖的導(dǎo)光機(jī)理光在纖芯中的不斷折射原理入射角較大的光（高次模）處于靠近包層的區(qū)域，雖然路程較長(zhǎng)，但這里折射率n較低，光速較大。入射角較小的光線（低次模或基模）靠近光軸，路程較短，但這里折射率n較大，光速較小。光纖的傳輸模式 光線以某一角度射入光纖端面、并能在光纖經(jīng)纖芯包層界面上形成全反射的傳播光線就可稱為一個(gè)光的傳輸模式（m

5、ode）。沿光纖軸傳播的叫作基模，相繼還有一次模、二次模等 。當(dāng)光纖的芯直徑較大時(shí)，可允許光波以多個(gè)特定的角度射入光纖端面，并在光纖中傳播。就稱這種光纖為多模光纖。當(dāng)光纖芯直徑很小時(shí)，光纖只允許與光纖軸方向一致的光線通過，即只允許通過一個(gè)基模。就稱這種光纖為單模光纖。光實(shí)質(zhì)是電磁波，所以光場(chǎng)的“模式”實(shí)質(zhì)上是電磁場(chǎng)的一種分布形式。模式不同，其電磁場(chǎng)的分布不同。 光纖的工作波長(zhǎng)（工作窗口）光線路信號(hào)在光纖上傳送的波長(zhǎng)：850nm、1310nm、1550nm。 850nm窗口只用于多模傳輸 1310nm和1550nm窗口 用于單模傳輸。光纖的分類（按照傳輸模式數(shù)量）多模光纖：MM（Multi-mo

6、de fiber）允許光波以多個(gè)特定的角度射入光纖端面，并在光纖中傳播，稱光纖中有多個(gè)傳輸模式。這種能傳輸多個(gè)模式（基模、高次模、低次模）的光纖稱為多模光纖。芯徑大，其纖芯直徑包層直徑約為：5075m125200m，易對(duì)接。帶寬較窄，傳輸容量較小，傳輸?shù)木嚯x較近（幾公里 ）。 適用于低速度、短距離的光纖通信。 單模光纖：SM（Singel Mode） 當(dāng)光纖的芯徑很小時(shí)，光纖只允許與光纖軸一致的光線通過，即只允許通過一個(gè)基模，這種只允許傳輸一個(gè)模式（基模）的光纖為單模光纖。纖芯直徑很小，約為410m，包層直徑為125m。連接時(shí)較困難。 傳輸頻帶寬，傳輸容量大。單模光纖的帶寬一般都在幾十GHz以

7、上，比漸變型多模光纖的帶寬高12個(gè)數(shù)量級(jí)。適用于大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信。 光纖的傳輸特性 限制光纖通信發(fā)展的兩個(gè)重要因素： 光信號(hào)經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生減小和失真，因而與輸入信號(hào)不同，主要原因是光纖中存在損耗（Loss）和色散（Dispersion） 。光纖的損耗 光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增減而光功率逐漸下降的現(xiàn)象，稱為光纖的傳輸損耗?？s短了通信距離。從某種程度上講，光纖的損耗不可能降為0。光纖的色散 光纖中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時(shí)，由于速度不同而使得傳播時(shí)間不同，因此造成光信號(hào)中的不同頻率成分或不同模式到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。減少了通信容量光

8、纖中的色散 的分類模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散送進(jìn)光纖的光具有兩方面的特征：一.是光源發(fā)出的并不是單色光； 光源發(fā)出的光有一定的波長(zhǎng)范圍，稱光源的線寬或譜寬。二.是已調(diào)光脈沖信號(hào)有一定的帶寬。 可以認(rèn)為已調(diào)信號(hào)的帶寬近似等于光源的譜寬。可見，光纖中的傳輸?shù)墓饷}沖信號(hào)是由不同的頻率成分構(gòu)成的。 結(jié)論：脈沖展寬會(huì)致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_。顯然色散現(xiàn)象大大地限制了單位時(shí)間內(nèi)傳輸?shù)拿}沖數(shù)，即限制了傳輸脈沖的速度或信息容量。光通道參數(shù)：衰減、色散光信號(hào)在光纖中傳輸?shù)木嚯x要受到色散和衰減的雙重影響。衰減使在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)隨著傳輸距離的增加而功率下降。1310nm窗口每公里衰減：0.

9、4dB/km1550nm窗口每公里衰減：0.25dB/km色散會(huì)使在光纖中傳輸?shù)臄?shù)字脈沖展寬，引起碼間干擾，降低信號(hào)質(zhì)量。單模光纖的類型G.652光纖：在1310nm波長(zhǎng)窗口色散性能最佳，是目前應(yīng)用最廣泛的光纖。在1310nm處，色散小，衰耗大；在1550nm處，色散大，衰耗??；G.653光纖：在1550nm波長(zhǎng)，衰耗和色散皆為最小值，可實(shí)現(xiàn)大容量長(zhǎng)距離傳輸。因出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)(FWM),限制了它在WDM（波分復(fù)用）方面的應(yīng)用。G.654光纖：1550nm損耗最小光纖，主要用于長(zhǎng)再生中繼距離的海底光纜。G.655光纖：克服了G.652光纖在1550nm處色散受限和G.653光纖在1550nm處出現(xiàn)四波混頻效應(yīng)的缺陷，適用于WDM系統(tǒng)。2.2光纜 1光纜的基本結(jié)構(gòu) 在實(shí)際通信線路中，將光纖制成不同結(jié)構(gòu)形式的光纜，使其具備一定的機(jī)械強(qiáng)度和防護(hù)能力，可以承受敷設(shè)時(shí)施加的張力等，并能在各種使用環(huán)境下保證傳輸性能的穩(wěn)定、可靠。 纜芯:由單根或多根光纖組成，其好壞和多少?zèng)Q定了光纜傳輸光