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1、光纤通信教程第三章 光纤第1页，本讲稿共38页1光纤结构v光纤的典型结构是多层同轴圆柱体由图3-1-1所示，自内向外为纤芯、包层及涂覆层。纤芯和包层合起来构成裸光纤，光纤的光学及传输特性主要由它决定。涂覆层的作用是增强光纤的机械强度。3.13.1光纤概述光纤概述第2页，本讲稿共38页2 阶跃型光纤和渐变型光纤阶跃型光纤和渐变型光纤v光纤按折射率分布来分类，一般可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。(1)阶跃型光纤阶跃型光纤v如果纤芯折射率(指数)n1半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤，它的结构如图3-
2、1-2(a)所示。第3页，本讲稿共38页(2)渐变型光纤渐变型光纤v如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤，它的结构如图3-1-2(b)所示。第4页，本讲稿共38页1阶跃折射率光纤的导光原理阶跃折射率光纤的导光原理v光线入射在纤芯与包层界面上会发生全反射，当全反射的光线再次入射到纤芯与包层的分界面时，它被再次全反射回纤芯中，这样所有满足1c的光线都会被限制在纤芯中而向前传输，这就是光纤传光的基本原理。3.2光纤的导光原理第5页，本讲稿共38页2渐变型折射率光纤的导光原理渐变型折射率光纤的导光原理v渐变折射率光纤可以降低模间
3、色散，如图3-2-2所示v选择合适的折射率分布就有可能使所有光线同时到达光纤输出端。第6页，本讲稿共38页v相对折射指数差和数值孔径NA是描述光纤性能的两个重要参数。1相对折射指数v光纤纤芯的折射率和包层的折射率的相差程度可以用相对折射指数差来表示v相对折射指数很小的光纤称为弱导波光纤3.3相对折射指数差和数值孔径NA第7页，本讲稿共38页2数值孔径NAv表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用NA表示。v数值孔径越大表示光纤捕捉射线的能力就越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差很小，因此其数值孔径也不大。v对于阶跃型光纤，数值孔径为常数v对于渐变型光纤，由于纤芯中各处的折射率是
4、不同的因此各点的数值孔径也不相同。我们把射入点r处的数值孔径称为渐变型光纤的本地数值孔径用NA(r)表示。第8页，本讲稿共38页3.4阶跃型光纤的波动光学理论1光纤传输光波的波动方程v光纤材料是各向同性介质，光波在光纤中的传输满足麦克斯韦方程组。在无源空间电场强度E和磁场强度H满足亥姆霍兹方程：v直接求出亥姆霍兹方程的矢量能十分繁琐，得到的解也较为复杂，所以一般采用标量近似解法。第9页，本讲稿共38页2标量近似解法v通信光纤中的纤芯和包层折射率差很小，光纤中的光线几乎与光纤轴平行。这种波非常接近TEM波，其电磁场的轴向分量Ez和Hz非常小，而横向分量Et和Ht很强。v设横向电场沿y轴偏振，横向
5、场即是Ey，则它满足下面的标量波动方程：v求解式(3-4-6)，满足芯包界面边界条件，即是光纤的标量解。第10页，本讲稿共38页3.5阶跃型光纤的标量模1标量解v采用标量近似解法，可以得到在阶跃型光纤中电磁场的场解。v见公式（3-5-1）（3-5-4）第11页，本讲稿共38页2特征方程特征方程v在纤芯和包层的界面上，由电磁场理论可知，电场和磁场的轴向分量都是连续的，即Ez1=Ez2Hz1=Hz2可得在弱导波情况下的公式（3-5-5）或（3-5-6）称为特征方程由贝塞尔函数递推公式可知上述两个方程等同第12页，本讲稿共38页3归一化变量归一化变量v解方程过程中已经引入了两个常数U和W。v由U和W
6、可以得出两个比较重要的基本参量：归一化传播常数b和归一化频率V。b和V定义为v这两个常数决定于光纤的结构和波长。第13页，本讲稿共38页4标量模标量模v在弱导波近似情况下得到的为标量模，标量模可认为矢量模的线性叠加，所以标量模是简并模。标量模又称线性偏振模(LinearlyPolarizedmode)可以用LPmn来表示。v不同的m和n值，场分布和传输特性不同。见图3-5-1。v光纤中只传输一种标量模LP01的光纤为单模光纤，传输两种以上标量模的光纤为多模光纤。第14页，本讲稿共38页第15页，本讲稿共38页3.6可导与截止q1可导与截止的概念可导与截止的概念q传输常数的变化范围为k0n1k0
7、n2时，导波应限制在纤芯中，以纤芯和包层的界面来导行，沿轴线方向传输。称为电磁波可导。q否则辐射损耗增大，使光波能量不再有效地沿光纤轴向传输，这时，即认为出现了辐射模，导波处于截止状态。第16页，本讲稿共38页2截止时的特征v由导波截止的临界状态=k0n2，可得导波截止时的归一化衰减常数为：Wc=0(3-6-3)Jm-1(U)=0(3-6-4)(3-6-4)式称为截止时的特征方程第17页，本讲稿共38页3 LPmn模可导的条件模可导的条件vLPmn模可导的条件为VVc(LPmn)(3-6-6)v单模传输条件为0V2.40483(3-6-7)v满足上公式(3-6-7)时，LP01能够传输，而LP
8、11以上所有模式处于截止状态第18页，本讲稿共38页3.7渐变型光纤的理论分析渐变型光纤的理论分析q1最佳折射指数分布最佳折射指数分布由渐变型光纤导光原理可知，只要n(r)取得合适，那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达到相同的终端。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。第19页，本讲稿共38页v通常选取平方律型分布形式(3-7-2)式称为渐变型光纤的最佳折射指数分布。第20页，本讲稿共38页2渐变型光纤的标量近似解法渐变型光纤的标量近似解法v渐变型光纤的标量近似解(3-7-5)式表明：场随r增加而迅速减小；场是振
9、荡型的，随m，n而不同。如果p=m+n相同则mn相同。v说明所有模式构成模式群，p相同的模式是互相简并的。即p相同的模式群，mn相同，或者说以相同的速度传输。第21页，本讲稿共38页3.8光纤的损耗特性光纤的损耗特性q1.衰减系数衰减系数q损耗是光纤的一个重要传输参量，是光纤传输系统中继距离的主要限制因素之一。q损耗的大小可以用衰减常数定义。q通常表示成dB/km为单位的形式。第22页，本讲稿共38页2光纤通信的低损耗窗口光纤通信的低损耗窗口光纤的损耗谱特性如图3-8-1所示第23页，本讲稿共38页v由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通信系统的三个低损耗窗口：第一低损耗窗口短波长0.85m附
10、近；第二低损耗窗口长波长1.31m附近；第三低损耗窗口长波长1.55m附近；v实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在0.85m时 约 为 2.5dB/km；在 1.31m时 约 为0.4dB/km；在1.55m时仅为0.2dB/km，已接近理论值(理论极限为0.15dB/km)。第24页，本讲稿共38页3光纤损耗特性的分析l光纤损耗主要包括：l(1)材料的吸收损耗l(2)光纤的散射损耗l(3)辐射损耗第25页，本讲稿共38页3.9光纤的色散特性光纤的色散特性q1什么是光纤色散q信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成分有不同的传播速度，从而引起色散。q也可
11、以从波形在时间上展宽的角度去理解，即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间上发生了展宽，这种观象就称为色散。第26页，本讲稿共38页v光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统容量和加大传输距离是非常重要的。v引起光纤色散的原因很多，由于信号不是单一频率而引起的色散有材料色散和波导色散，由于信号不是单一模式所引起的色散称为模式色散。第27页，本讲稿共38页2色散的程度描述色散的程度描述v时延差可以表示光纤的色散程度：=DL式中：D为色散系数，单位为ps/(nmkm)，为
12、光源谱宽，L为传输的距离时延差越大，色散越严重。第28页，本讲稿共38页3材料色散和波导色散材料色散和波导色散(1)材料色散材料色散v它是由于材料折射率随光波长非线性变化引起的色散在0=1.27m时，时延差最小，这个波长称为材料的零色散波长。(2)波导色散波导色散v对于单模光纤，波导的作用不能忽略。对于某模式的电磁波而言，传播常数可以由U、V和W推出，在不同的频率下，相位常数不同，使得群速不同而引起色散，这种色散称为波导色散。第29页，本讲稿共38页4模式色散模式色散v模式色散是指不同模式的电磁波在光纤中传播，群速不同而引起的色散。可以用光纤中传输的最高模式与最低模式之间的时延差来表示。第30
13、页，本讲稿共38页3.10 单模光纤单模光纤q1、什么是单模光纤、什么是单模光纤q单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基模的光纤。q在单模光纤中不存在模式色散，因此它具有相当宽的传输频带，适用于长距离、大容量的传输，近年来，单模光纤通信系统得到迅速发展第31页，本讲稿共38页l2、单模光纤的折射率分布、单模光纤的折射率分布l(1)阶跃型单模光纤折射率分布形式l(2)下凹型单模光纤l3、单模传输条件、单模传输条件l0V2.40483(3-10-1)l上式称为单模光纤的单模传输条件。第32页，本讲稿共38页4、单模光纤的特征参数、单模光纤的特征参数(1)衰减系数衰减系数对 于 单 模 光 纤
14、在 1.31m附 近 约 为 0.35dB/km，在1.55m附近，可降至0.2dB/km以下。(2)截止波长截止波长c所谓截止波长，一般指的是LP11模的截止波长第33页，本讲稿共38页(3)模场直径模场直径d对于均匀单模光纤，基模场强在光纤横截面上近似为高斯分布。通常，将纤芯中场分布曲线最大值的1/e处，所对应的宽度定义为模场直径，用d表示。第34页，本讲稿共38页3.11光纤的传输带宽光纤的传输带宽q色散使沿光纤传输的光脉冲展宽，最终可能使两个相邻脉冲发生重叠。重叠严重时使接收机无法区分它们，造成误码(图3-11-1)。第35页，本讲稿共38页v定义相邻两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。v光纤的带宽特性如图3-11-2第36页，本讲稿共38页第37页，本讲稿共38页v对阶跃多模光纤，带宽主要受模间色散的限制，仅数十MHzkm。v渐变多模光纤，当工作在1.3m波长、采用LD光源时，模间色散是主要的限制。v对单模光纤，影响带宽的是材料色散和波导色散，单模光纤有最大的带宽距离积。v另外，梯度折射率分布的塑料多模光纤(芯径420m)已达到2.5GHz的带宽，传输距离100m，光源为647nmLD，预期可达到1020GHz带宽，距离100m。这种光纤可用于近距离的局域网(LAN)中。第38页，本讲稿共38页