光纖通信教程第三章 光纖

光纖通信教程第三章光纖第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日1光纖結(jié)構(gòu)光纖的典型結(jié)構(gòu)是多層同軸圓柱體由圖3-1-1所示，自內(nèi)向外為纖芯、包層及涂覆層。纖芯和包層合起來構(gòu)成裸光纖，光纖的光學(xué)及傳輸特性主要由它決定。涂覆層的作用是增強光纖的機械強度。3.1光纖概述第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日2階躍型光纖和漸變型光纖光纖按折射率分布來分類，一般可分為階躍型光纖和漸變型光纖。(1)階躍型光纖如果纖芯折射率(指數(shù))n1半徑方向保持一定，包層折射率n2沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖，稱為階躍型光纖，又可稱為均勻光纖，它的結(jié)構(gòu)如圖3-1-2(a)所示。第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日(2)漸變型光纖如果纖芯折射率n1隨著半徑加大而逐漸減小，而包層中折射率n2是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖，它的結(jié)構(gòu)如圖3-1-2(b)所示。第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日

1階躍折射率光纖的導(dǎo)光原理光線入射在纖芯與包層界面上會發(fā)生全反射，當全反射的光線再次入射到纖芯與包層的分界面時，它被再次全反射回纖芯中，這樣所有滿足θ1＞θc的光線都會被限制在纖芯中而向前傳輸，這就是光纖傳光的基本原理。

3.2光纖的導(dǎo)光原理第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日2漸變型折射率光纖的導(dǎo)光原理漸變折射率光纖可以降低模間色散，如圖3-2-2所示選擇合適的折射率分布就有可能使所有光線同時到達光纖輸出端。

第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日相對折射指數(shù)差Δ和數(shù)值孔徑NA是描述光纖性能的兩個重要參數(shù)。1相對折射指數(shù)Δ光纖纖芯的折射率和包層的折射率的相差程度可以用相對折射指數(shù)差Δ來表示相對折射指數(shù)Δ很小的光纖稱為弱導(dǎo)波光纖3.3相對折射指數(shù)差Δ和數(shù)值孔徑NA第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日2數(shù)值孔徑NA表示光纖捕捉光射線能力的物理量被定義為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示。數(shù)值孔徑越大表示光纖捕捉射線的能力就越強。由于弱導(dǎo)波光纖的相對折射指數(shù)差Δ很小，因此其數(shù)值孔徑也不大。對于階躍型光纖，數(shù)值孔徑為常數(shù)對于漸變型光纖，由于纖芯中各處的折射率是不同的因此各點的數(shù)值孔徑也不相同。我們把射入點r處的數(shù)值孔徑稱為漸變型光纖的本地數(shù)值孔徑用NA(r)表示。第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.4階躍型光纖的波動光學(xué)理論1光纖傳輸光波的波動方程光纖材料是各向同性介質(zhì)，光波在光纖中的傳輸滿足麥克斯韋方程組。在無源空間電場強度E和磁場強度H滿足亥姆霍茲方程：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(fù)雜，所以一般采用標量近似解法。第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日2標量近似解法通信光纖中的纖芯和包層折射率差很小，光纖中的光線幾乎與光纖軸平行。這種波非常接近TEM波，其電磁場的軸向分量Ez和Hz非常小，而橫向分量Et和Ht很強。設(shè)橫向電場沿y軸偏振，橫向場即是Ey，則它滿足下面的標量波動方程：求解式(3-4-6)，滿足芯包界面邊界條件，即是光纖的標量解。第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.5階躍型光纖的標量模1標量解采用標量近似解法，可以得到在階躍型光纖中電磁場的場解。見公式（3-5-1）~（3-5-4）第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日2特征方程在纖芯和包層的界面上，由電磁場理論可知，電場和磁場的軸向分量都是連續(xù)的，即Ez1=Ez2Hz1=Hz2可得在弱導(dǎo)波情況下的公式（3-5-5）或（3-5-6）稱為特征方程由貝塞爾函數(shù)遞推公式可知上述兩個方程等同第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日3歸一化變量解方程過程中已經(jīng)引入了兩個常數(shù)U和W。

由U和W可以得出兩個比較重要的基本參量：歸一化傳播常數(shù)b和歸一化頻率V。b和V定義為這兩個常數(shù)決定于光纖的結(jié)構(gòu)和波長。第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日4標量模在弱導(dǎo)波近似情況下得到的為標量模，標量?？烧J為矢量模的線性疊加，所以標量模是簡并模。標量模又稱線性偏振模(LinearlyPolarizedmode)可以用LPmn來表示。不同的m和n值，場分布和傳輸特性不同。見圖3-5-1。光纖中只傳輸一種標量模LP01的光纖為單模光纖，傳輸兩種以上標量模的光纖為多模光纖。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.6可導(dǎo)與截止

1可導(dǎo)與截止的概念傳輸常數(shù)β的變化范圍為k0n1＞β＞k0n2時，導(dǎo)波應(yīng)限制在纖芯中，以纖芯和包層的界面來導(dǎo)行，沿軸線方向傳輸。稱為電磁波可導(dǎo)。否則輻射損耗增大，使光波能量不再有效地沿光纖軸向傳輸，這時，即認為出現(xiàn)了輻射模，導(dǎo)波處于截止狀態(tài)。第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日2截止時的特征由導(dǎo)波截止的臨界狀態(tài)β=k0n2，可得導(dǎo)波截止時的歸一化衰減常數(shù)為：Wc=0(3-6-3)Jm-1(U)=0(3-6-4)(3-6-4)式稱為截止時的特征方程第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日

3LPmn?？蓪?dǎo)的條件LPmn?？蓪?dǎo)的條件為V＞Vc(LPmn)(3-6-6)單模傳輸條件為0＜V＜2.40483(3-6-7)滿足上公式(3-6-7)時，LP01能夠傳輸，而LP11以上所有模式處于截止狀態(tài)

第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.7漸變型光纖的理論分析1最佳折射指數(shù)分布由漸變型光纖導(dǎo)光原理可知，只要n(r)取得合適，那么不同模式的光線就會具有相同的軸向速度。即具有不同條件的子午射線，從同一地點出發(fā)，達到相同的終端。這種現(xiàn)象稱為光纖的自聚焦現(xiàn)象，相應(yīng)的折射指數(shù)分布稱為最佳折射指數(shù)分布。第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日通常選取平方律型分布形式(3-7-2)式稱為漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日2漸變型光纖的標量近似解法

漸變型光纖的標量近似解(3-7-5)式表明：①場隨r增加而迅速減??；②場是振蕩型的，隨m，n而不同。③如果p=m+n相同則βmn相同。說明所有模式構(gòu)成模式群，p相同的模式是互相簡并的。即p相同的模式群，βmn相同，或者說以相同的速度傳輸。第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.8光纖的損耗特性

1.衰減系數(shù)損耗是光纖的一個重要傳輸參量，是光纖傳輸系統(tǒng)中繼距離的主要限制因素之一。損耗的大小可以用衰減常數(shù)α定義。通常α表示成dB/km為單位的形式。。

第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日2光纖通信的低損耗窗口光纖的損耗譜特性如圖3-8-1所示第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日由石英光纖的損耗譜曲線自然地顯示光纖通信系統(tǒng)的三個低損耗窗口：①第一低損耗窗口短波長0.85μm附近；②第二低損耗窗口長波長1.31μm附近；③第三低損耗窗口長波長1.55μm附近；實驗上曲線的損耗值為：對于單模光纖，在0.85μm時約為2.5dB/km；在1.31μm時約為0.4dB/km；在1.55μm時僅為0.2dB/km，已接近理論值(理論極限為0.15dB/km)。第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日3光纖損耗特性的分析光纖損耗主要包括：(1)材料的吸收損耗(2)光纖的散射損耗(3)輻射損耗第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.9光纖的色散特性

1什么是光纖色散信號在光纖中是由不同的頻率成分和不同模式成分攜帶的，這些不同的頻率成分和模式成分有不同的傳播速度，從而引起色散。也可以從波形在時間上展寬的角度去理解，即光脈沖在通過光纖傳播期間，其波形在時間上發(fā)生了展寬，這種觀象就稱為色散。第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日光纖色散是光纖通信的另一個重要特性，光纖的色散會使輸入脈沖在傳輸過程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量。因此制造優(yōu)質(zhì)的、色散小的光纖，對增加通信系統(tǒng)容量和加大傳輸距離是非常重要的。引起光纖色散的原因很多，由于信號不是單一頻率而引起的色散有材料色散和波導(dǎo)色散，由于信號不是單一模式所引起的色散稱為模式色散。第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日2色散的程度描述時延差Δτ可以表示光纖的色散程度：Δτ=DΔλL式中：D為色散系數(shù)，單位為ps/(nm·km)，Δλ為光源譜寬，L為傳輸?shù)木嚯x時延差越大，色散越嚴重。第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日3材料色散和波導(dǎo)色散(1)材料色散它是由于材料折射率隨光波長非線性變化引起的色散在λ0=1.27μm時，時延差最小，這個波長稱為材料的零色散波長。(2)波導(dǎo)色散對于單模光纖，波導(dǎo)的作用不能忽略。對于某模式的電磁波而言，傳播常數(shù)β可以由U、V和W推出，在不同的頻率下，相位常數(shù)β不同，使得群速不同而引起色散，這種色散稱為波導(dǎo)色散。第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日4模式色散模式色散是指不同模式的電磁波在光纖中傳播，群速不同而引起的色散。可以用光纖中傳輸?shù)淖罡吣Ｊ脚c最低模式之間的時延差來表示。第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.10單模光纖1、什么是單模光纖單模光纖是在給定的工作波長上，只傳輸單一基模的光纖。在單模光纖中不存在模式色散，因此它具有相當寬的傳輸頻帶，適用于長距離、大容量的傳輸，近年來，單模光纖通信系統(tǒng)得到迅速發(fā)展第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日2、單模光纖的折射率分布(1)階躍型單模光纖折射率分布形式(2)下凹型單模光纖3、單模傳輸條件0＜V＜2.40483(3-10-1)上式稱為單模光纖的單模傳輸條件。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日4、單模光纖的特征參數(shù)(1)衰減系數(shù)α對于單模光纖在1.31μm附近α約為0.35dB/km，在1.55μm附近，α可降至0.2dB/km以下。(2)截止波長λc所謂截止波長，一般指的是LP11模的截止波長第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日(3)模場直徑d對于均勻單模光纖，基模場強在光纖橫截面上近似為高斯分布。通常，將纖芯中場分布曲線最大值的1/e處，所對應(yīng)的寬度定義為模場直徑，用d表示。第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.11光纖的傳輸帶寬色散使沿光纖傳輸?shù)墓饷}沖展寬，最終可能使兩個相鄰脈沖發(fā)生重疊。重疊嚴重時使接收機無法區(qū)分它們，造成誤碼(圖3-11-1)。第三十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日定義相鄰兩脈沖雖重疊但仍能區(qū)別開時的最高脈沖速率為該光纖線路的最大可用帶寬。光纖的帶寬特性如圖3-11-2第三十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第三十七頁，共三十八頁，2022年