第二章 光纤

1. 第二章 光纤

2. 光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（SiO2），是通信网络的优良传输介质，得到广泛的应用。光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（SiO2），是通信网络的优良传输介质，得到广泛的应用。 • 和电缆相比，光纤具有信息传输容量大，中继距离长，不受电磁场干扰，保密性能好和使用轻便等优点。 • 随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断扩展。光纤通信在高速率长距离干线网和用户接入网方面的发展潜力都很大。 • 为保证光纤性能稳定，系统运行可靠，必须根据实际使用环境设计各种结构的光纤和光缆。 • 本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和光缆的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。

3. 2.1 光纤结构和类型 • 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导; • 根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型两种; • 作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，它们是多模光纤和单模光纤。

4. 阶跃多模光纤结构 • 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导 • 阶跃(SI，Step Index)多模光纤折射率 n1在纤芯保持不变，到包层突然变为 n2

5. 渐变多模光纤 • 渐变(GI, Graded Index)多模光纤折射率不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为 n2

6. 图2.1.1 实用光纤三种基本类型

7. 光纤拉丝装置

8. 光纤结构 • 纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，含量达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等，以提高纤芯的折射率。 • 纤芯直径约为 8 m ~100 m。 • 包层材料一般也为SiO2，外径为125 m，作用是把光强限制在纤芯中。 • 为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在纤芯传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离,并起一定的机械保护作用。

9. 2.1.1 多模光纤 • 可以传播数百到上千个模式的光纤，称为多模(MM, Multimode)光纤。 • 根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。

10. 多模光纤的模间色散 • 代表各模的光线以不同的路经在纤芯内传输，在传输速度相同的情况下(均为c/n1, c是自由空间光速)，到达终点所需的时间也不同。 • 光线经接收机内的光电探测器变成各自的光电流，这些光电流在时域内叠加后，从而使输出脉冲相对于输入脉冲展宽了。

11. 渐变多模光纤（GI）性能介于SI光纤和单模光纤之间渐变多模光纤（GI）性能介于SI光纤和单模光纤之间 • 阶跃（SI）多模光纤的主要缺点是存在大的模间色散，光纤带宽很窄； • 而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所以带宽很宽。 • 但是随之出现的问题是，因单模光纤芯径很小，所以把光耦合进光纤很困难。 • 那么能否制造一种光纤，既没有模间色散，带宽较宽，芯径较大，又使光耦合容易，这就是渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。

12. 渐变多模光纤---色散较小 • 渐变(GI, Graded Index)多模光纤折射率 n1不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为 n2。 • 这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。 • 色散较小的理由：虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输，但是这种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢，因折射率最大；越远离轴线，到达终点传输的距离越长，但传输速度越快，这样到达终点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。

13. 2.1.2 单模光纤---色散最小 • 只能传播一个模式的光纤称为单模光纤 • 标准单模(SM, Single Mode)光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有（9~10）m • 光线沿轴线直线传播, 色散使输出脉冲信号展宽最小。

14. 单模光纤结构

15. 表2.1.1 阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性比较

16. 光 纤 种 类 为调整工作波长或色散特性，改变折射率分布，可以设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有： • 多模光纤(G.651) 普通单模光纤(G.652) • 色散移位光纤(G.653) 非零色散移位光纤（G.655） • 色散补偿光纤 在1.55m衰减最小的光纤（G.654） • 全波光纤。

17. 2.2 光纤传输原理 • 2.2.1 斯奈尔定律和全反射

18. 图1.3.1 光波从折射率较大的介质入射进入折射率较小的介质，在边界反射和折射

19. 光纤波导传输光的原理---临界角

20. 图2.2.2 光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况 •  i<  c 的光线将有部分光能进入包层泄漏出去, 如图2.2.2 (a)所示。 • 当  i =  c 时，光线在波导内以  c 入射到纤芯与包层交界面，并沿交界面向前传播 ( 折射角为 t )，如图2.2.2 (b)所示。 • 当入射角超过临界角（ i >  c）时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫做全反射 (TIR，Total Internal Reflection), 如图2.2.2 (c) 所示，这就是多模光纤波导传输光的原理。

21. 光纤传输--全反射条件

22. 2.2.2 传输条件 • 全反射条件 我们已经知道, 光波从折射率较大的介质入射进入折射率较小的介质时，在边界将发生反射和折射, 当入射角超过临界角时，将发生全反射。 • 相干加强条件 对于特定的光纤结构，只有满足一定条件的电磁波可以在光纤中进行有效的传输。这些特定的电磁波称为光纤模式。 • 光纤中可传导的模式数量取决于光纤的具体结构和折射率的径向分布。如果光纤中只支持一个传导模式，则称该光纤为单模光纤 • 相反，支持多个传导模式的光纤称为多模光纤

23. 图2.2.3 不同入射角的光线 • 光线在光纤端面以不同角度从空气入射到纤芯，不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线，在射入光纤时，产生的折射光线才能在光纤中传输。 • 假如在光纤端面的入射角是 ，在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是 。此时，  >  c(临界角)的光线将发生全反射，而 <  c的光线将进入包层泄漏出去。 • 于是，为了光能够在光纤中传输，入射角必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生全发射而返回纤芯，并以曲折形状向前传播。

24. 全反射条件

25. 数值孔径(NA)

27. NA表示光纤接收和传输光的能力 • NA (或sinmax)越大，光纤接收光的能力越强。 • 从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在 max 内的入射光都能在光纤中传输。NA 越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。 • 但 NA 越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的 NA。

28. n 2 B y L i g h t l A = 2 d a n z q 1 k x k q 1 q E b C n 2 相干加强条件在光纤中传输的光线必须与它自己相长干涉，否则相消干涉将相互抵消

29. (HE11)电力线和磁力线在光纤波导中的分布

30. 2.3 光纤传输特性 • 衰减 • 色散 • 带宽 • 非线性 在传输高强度光功率时，还要考虑光纤的非线性影响

31. 2.3.1 衰减 • 光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。

32. 衰减系数

33. 引起衰减的原因 • 光纤是熔融SiO2制成的，光信号在光纤中传输时，由于吸收、散射和波导缺陷等机理产生功率损耗，从而引起衰减。 • 吸收损耗是可以改善的。 目前由于超纯石英光纤工艺的改进，已消除了这一波长附近的损耗峰，使(1 350~1 450)nm波段的损耗也降低到0.3 dB/km左右，该波段就是光纤传输的第五个窗口，它位于第二个窗口和第三个窗口之间。这种能够在1200 ~ 1650nm整个范围内都可用来进行DWDM光纤通信的光纤就是全波光纤

34. 图2.3.2 典型光纤衰减谱

35. 2.3.2 色散 • 各模群速度不等引起脉冲展宽 • 色散种类： 模式色散 色度色散 偏振模色散

36. 光纤中的光速要比真空中的光速慢 n 倍 • 在光纤中的光速 v = c/n，折射率为 n • 光纤波导中的光速要比真空中的光速慢 n 倍。 • 玻璃的 n = 1.5，因而在光纤中的光速度要比在真空中的慢 33 %。

37. 图1.2.4 波长略不相同的两个光波沿同一方向传输时干涉产生一个幅度以群速度运动的波包 • 实际上没有纯单色光，我们必须考虑波长稍微互不相同的一组光波沿z方向传输的情况。 • 当两个频率相差的正弦波干涉时，它们相互作用的结果将产生一个光包络，即一个以中心频率的振荡场，其幅度被频率为的低频电场调制，最大幅度以波矢量k运动，其速度称为群速度。

38. 1．各模群速度不等引起脉冲展宽

39. 各模群速度不等引起脉冲展宽 • 模的次数越高,其角度越大，g=  cos  越小，传播就需要更多的时间。 • 所以群速度和光纤模式有关，模数不同，其群速度也不同。 • 由于高阶模的传播速度比低阶模的慢，因而在入射端输入的光脉冲中，次数越高的模越滞后。

40. 2．光纤色散种类 • 模式色散 • 色度色散 • 偏振模色散。 色度色散又分为材料色散和波导色散。对于多模光纤，模式色散是主要的，材料色散相对较小，波导色散一般可以忽略。对于单模光纤，由于只有一个模式在光纤中传输，所以不存在模式色散，只有色度色散和偏振模色散，而且材料色散是主要的，波导色散相对较小。对于制造良好的单模光纤，偏振模色散最小。

41. 图2.3.5 多模光纤模式色散 • 模式色散是由于在多模光纤中，不同模式的光信号在光纤中传输的群速度不同，引起到达光纤末端的时间延迟不同，经光电探测后各模式混合使输出光生电流脉冲相对于输入脉冲展宽

42. 多模光纤各模传输路径不同引起脉冲展宽

43. （2）色度色散（或色散） • 色度色散是由于不同波长(颜色)的光以不同的速度在光纤中传输引起不同的时间延迟而产生的。 • 色度色散(Chrometic Dispersion)又分为材料色散和波导色散，常简称为色散。

44. 图2.3.6 色散引起单模光纤输出脉冲展宽  • 所有光源都是在一定波长范围  内发射的非单色光，当各种波长的光进入纤芯后，由于波长与折射率有关，所以在光纤波导中的光以不同的群速度在纤芯内传输，波长短的波速度慢，波长长的波速度快，所以它们到达光纤末端的时间也不同，导致输出脉冲展宽。 • 图中  表示光纤的传输延迟， 表示由于光纤色散引起的输出脉冲展宽。

45. 色散对光纤所能传输的最大比特速率B 的影响可利用相邻脉冲间不产生重叠的原则来确定

46. 图2.3.7 标准光纤、色散移位光纤、非零色散移位光纤、色散平坦光纤和色散补偿光纤的色散特性

47. 图2.3.8 几种单模光纤的结构和折射率分布 • 由于波导色散与光纤的几何尺寸有关，可以设计不同结构的波导来改变零色散波长 0，例如可减小纤芯半径和增加掺杂浓度，使 0 移到光纤损耗最小的 1550 nm 波长，这种光纤就是色散移位光纤，如图2.3.7所示。 • 改进单模光纤结构和参数的设计, 也可以获得在 1550 nm 具有负色散值大的色散补偿光纤，还可以得到在 1300 nm 和 1550 nm 两个波长的色散都为零的色散平坦光纤。

48. 色散平坦光纤的色散系数和折射率分布

49. 偏振模色散

50. 2.3.3 最大归零比特速率图2.3.9 最大比特速率由色散引起的脉冲展宽决定