光纖和光纜課件

1、第二章 光纖和光纜光纖(optical fiber)：光導纖維的簡稱，是一種圓柱介質光波導，它能夠約束并引導光波在其內(nèi)部或表面附近沿其軸線方向向前傳播。2.1光纖的結構和類型1.光纖的結構 (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材料。和纖芯一起構成光波導。（n1 n2）保護纖壁不受損壞。 涂敷層：一般由高損耗的柔軟材料(如塑料)制成。增強機械性能，保護光纖的作用。阻止纖芯光功率串入鄰近光纖線路，抑制串擾。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，增加機械強度和可彎曲性。光纜是多根光纖放在放在一個松套管內(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波導。 我們從幾何光學的角度來簡單討論光纖的導光原理。全反射原理光線在均勻介質中是以直線傳播的，但在兩種不同介質的分界面會產(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中是以直線傳播的，但在兩種不同介質的分界面會產(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n2/n1的比值增大到一定程度，則會使折射角90度，此時的折射光線不再進入包層，而會在纖芯與包層的分界面上掠過，或者重返回到纖芯中進行傳播，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，當光在光纖中發(fā)生全反射現(xiàn)象時，由于光線基本上全部在纖芯區(qū)進行傳播，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漸變光纖的導光機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，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 。當光纖的芯直徑較大時，可允許光波以多個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，即只允許通過一個基模。就稱這種光纖為單模光纖。光實質是電磁波，所以光場的“模式”實質上是電磁場的一種分布形式。模式不同，其電磁場的分布不同。 光纖的工作波長（工作窗口）光線路信號在光纖上傳送的波長：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，稱光纖中有多個傳輸模式。這種能傳輸多個模式（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） 當光纖的芯徑很小時，光纖只允許與光纖軸一致的光線通過，即只允許通過一個基模，這種只允許傳輸一個模式（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個數(shù)量級。適用于大容量、長距離的光纖通信。 光纖的傳輸特性 限制光纖通信發(fā)展的兩個重要因素： 光信號經(jīng)光纖傳輸后要產(chǎn)生減小和失真，因而與輸入信號不同，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，由于速度不同而使得傳播時間不同，因此造成光信號中的不同頻率成分或不同模式到達光纖終端有先有后，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、波導色散送進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范圍，稱光源的線寬或譜寬。二.是已調(diào)光脈沖信號有一定的帶寬。 可以認為已調(diào)信號的帶寬近似等于光源的譜寬?？梢姡饫w中的傳輸?shù)墓饷}沖信號是由不同的頻率成分構成的。 結論：脈沖展寬會致使前后脈沖相互重疊，引起數(shù)字信號的碼間串擾。顯然色散現(xiàn)象大大地限制了單位時間內(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)墓庑盘栯S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，降低信號質量。單模光纖的類型G.652光纖：在1310nm波長窗口色散性能最佳，是目前應用最廣泛的光纖。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，衰耗和色散皆為最小值，可實現(xiàn)大容量長距離傳輸。因出現(xiàn)四波混頻效應(FWM),限制了它在WDM（波分復用）方面的應用。G.654光纖：1550nm損耗最小光纖，主要用于長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)四波混頻效應的缺陷，適用于WDM系統(tǒng)。2.2光纜 1光纜的基本結構 在實際通信線路中，將光纖制成不同結構形式的光纜，使其具備一定的機械強度和防護能力，可以承受敷設時施加的張力等，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，其好壞和多少決定了光纜傳輸光