光纤传输理论及传输特性.ppt
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1、光纤通信与数字传输光纤通信与数字传输南京邮电大学南京邮电大学南京邮电大学南京邮电大学 通信与信息工程学院通信与信息工程学院通信与信息工程学院通信与信息工程学院第二章第二章 光纤传输理论及传输特性光纤传输理论及传输特性 在在在在光光光光纤纤纤纤通通通通信信信信系系系系统统统统中中中中,光光光光纤纤纤纤是是是是光光光光波波波波的的的的传传传传输输输输介介介介质质质质。光光光光纤纤纤纤的的的的材材材材料料料料、构构构构造造造造和和和和传传传传输输输输特特特特性性性性对对对对光光光光纤纤纤纤通通通通信信信信系系系系统统统统的的的的传传传传输质量起着决定性的作用。输质量起着决定性的作用。输质量起着决定性
2、的作用。输质量起着决定性的作用。本本本本章章章章在在在在介介介介绍绍绍绍光光光光纤纤纤纤光光光光缆缆缆缆的的的的结结结结构构构构和和和和类类类类型型型型的的的的基基基基础础础础上上上上,分分分分别别别别用用用用波波波波动动动动理理理理论论论论和和和和射射射射线线线线光光光光学学学学理理理理论论论论对对对对光光光光纤纤纤纤中中中中的的的的模模模模式式式式和和和和传传传传光光光光原原原原理理理理进进进进行行行行分分分分析析析析,并并并并对对对对光光光光纤纤纤纤的的的的衰衰衰衰减减减减和和和和色色色色散散散散等等等等传传传传输输输输特性进行详细的介绍。特性进行详细的介绍。特性进行详细的介绍。特性进行
3、详细的介绍。2 2第二章第二章 光纤传输理论及传输特性光纤传输理论及传输特性2.1 2.1 2.1 2.1 光纤、光缆的结构和类型光纤、光缆的结构和类型光纤、光缆的结构和类型光纤、光缆的结构和类型2.2 2.2 2.2 2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程电磁波在光纤中传输的基本方程电磁波在光纤中传输的基本方程电磁波在光纤中传输的基本方程2.3 2.3 2.3 2.3 阶跃折射率光纤模式分析阶跃折射率光纤模式分析阶跃折射率光纤模式分析阶跃折射率光纤模式分析2.4 2.4 2.4 2.4 单模传输单模传输单模传输单模传输2.5 2.5 2.5 2.5 射线光学理论射线光学理论射线光学理论射线光学
4、理论2.6 2.6 2.6 2.6 光纤传输特性光纤传输特性光纤传输特性光纤传输特性 3 32.1 2.1 光纤、光缆的结构和类型光纤、光缆的结构和类型2.1.1 2.1.1 2.1.1 2.1.1 光纤结构光纤结构光纤结构光纤结构2.1.2 2.1.2 2.1.2 2.1.2 光纤型号光纤型号光纤型号光纤型号 2.1.3 2.1.3 2.1.3 2.1.3 光缆及其结构光缆及其结构光缆及其结构光缆及其结构4 42.1.1 2.1.1 光纤的结构光纤的结构 光光光光纤纤纤纤的的的的基基基基本本本本结结结结构构构构有有有有以以以以下下下下几几几几部部部部分分分分组组组组成成成成:折折折折射射射射
5、率率率率(n n n n1 1 1 1)较较较较高高高高的的的的纤纤纤纤芯芯芯芯部部部部分分分分、折折折折射射射射率率率率(n n n n2 2 2 2)较较较较低低低低的的的的包包包包层部分以及表面涂覆层。结构如图层部分以及表面涂覆层。结构如图层部分以及表面涂覆层。结构如图层部分以及表面涂覆层。结构如图2-12-12-12-1所示。所示。所示。所示。为为为为保保保保护护护护光光光光纤纤纤纤,在在在在涂涂涂涂覆覆覆覆层层层层外外外外有有有有二二二二次次次次涂涂涂涂覆覆覆覆层层层层(又又又又称称称称塑料套管)。塑料套管)。塑料套管)。塑料套管)。5 56 6图图2-1 2-1 通信光纤及其基本结
6、构通信光纤及其基本结构无无论论何何种种光光纤纤,其其包包层直径都是一致的层直径都是一致的涂涂覆覆层层的的主主要要作作用用是为光纤提供保护是为光纤提供保护纤芯和包层仅在折射纤芯和包层仅在折射率等参数上不同,结率等参数上不同,结构上是一个完整整体构上是一个完整整体光纤的分类光纤的分类o 按折射率分布按折射率分布按折射率分布按折射率分布o 按二次涂覆层结构按二次涂覆层结构按二次涂覆层结构按二次涂覆层结构o 按材料按材料按材料按材料o 按传导模式按传导模式按传导模式按传导模式7 78 81.1.按纤芯折射率分布:按纤芯折射率分布:阶跃折射率分布和渐变折射率分布阶跃折射率分布和渐变折射率分布阶跃阶跃阶跃
7、阶跃型型型型(SISI)渐变渐变渐变渐变型型型型(GIGI)2 2 按光纤的二次涂覆层结构按光纤的二次涂覆层结构o 紧套结构光纤紧套结构光纤紧套结构光纤紧套结构光纤uu光纤的二次涂敷(即塑料套管)与一次涂敷是紧密光纤的二次涂敷(即塑料套管)与一次涂敷是紧密光纤的二次涂敷(即塑料套管)与一次涂敷是紧密光纤的二次涂敷(即塑料套管)与一次涂敷是紧密接触的,光纤在套管中不能松动(图接触的,光纤在套管中不能松动(图接触的,光纤在套管中不能松动(图接触的,光纤在套管中不能松动(图2-42-42-42-4)o 松套结构光纤松套结构光纤松套结构光纤松套结构光纤uu光纤的二次涂敷与一次涂敷是留有空间的(一般充光
8、纤的二次涂敷与一次涂敷是留有空间的(一般充光纤的二次涂敷与一次涂敷是留有空间的(一般充光纤的二次涂敷与一次涂敷是留有空间的(一般充油膏),光纤在套管中可以松动(图油膏),光纤在套管中可以松动(图油膏),光纤在套管中可以松动(图油膏),光纤在套管中可以松动(图2-52-52-52-5)9 93.3.按光纤主要材料按光纤主要材料o SiOSiOSiOSiO2 2 2 2光纤光纤光纤光纤*o 塑料光纤塑料光纤塑料光纤塑料光纤o 氟化物光纤氟化物光纤氟化物光纤氟化物光纤*SiOSiOSiOSiO2 2 2 2是目前最主要的光纤材料是目前最主要的光纤材料是目前最主要的光纤材料是目前最主要的光纤材料101
9、04.4.按光纤中的传导模式按光纤中的传导模式*o 单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤o 多模光纤多模光纤多模光纤多模光纤*传导模式的概念将在模式分析部分介绍传导模式的概念将在模式分析部分介绍传导模式的概念将在模式分析部分介绍传导模式的概念将在模式分析部分介绍11112.1.2 2.1.2 光纤型号光纤型号p目前目前目前目前ITU-TITU-TITU-TITU-T规定的光纤代号有规定的光纤代号有规定的光纤代号有规定的光纤代号有n nG.651G.651G.651G.651光纤(多模光纤);光纤(多模光纤);光纤(多模光纤);光纤(多模光纤);n nG.652G.652G.652G.652光纤(常
10、规单模光纤);光纤(常规单模光纤);光纤(常规单模光纤);光纤(常规单模光纤);n nG.653G.653G.653G.653光纤(色散位移光纤);光纤(色散位移光纤);光纤(色散位移光纤);光纤(色散位移光纤);n nG.654G.654G.654G.654光纤(低损耗光纤)光纤(低损耗光纤)光纤(低损耗光纤)光纤(低损耗光纤)n nG.655G.655G.655G.655光纤(非零色散位移光纤)。光纤(非零色散位移光纤)。光纤(非零色散位移光纤)。光纤(非零色散位移光纤)。p根根根根据据据据我我我我国国国国国国国国家家家家标标标标准准准准规规规规定定定定,光光光光纤纤纤纤类类类类别别别别的
11、的的的代代代代号号号号应应应应如如如如下下下下规定:规定:规定:规定:n n光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示,即用大写光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示,即用大写光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示,即用大写光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示,即用大写A A A A表表表表示多模光纤,大写示多模光纤,大写示多模光纤,大写示多模光纤,大写B B B B表示单模光纤,再以数字和小写字母表示单模光纤,再以数字和小写字母表示单模光纤,再以数字和小写字母表示单模光纤,再以数字和小写字母表示不同种类光纤。见表表示不同种类光纤。见表表示不同种类光纤。见表表示不同种类光纤。见表2-12-12-12-1
12、及表及表及表及表2-22-22-22-2。12121313表表2-1 2-1 多模光纤类型多模光纤类型 类型折射率分布纤芯直径(um)包层直径(um)材料A1a渐变折射率50125二氧化硅A1b渐变折射率62.5125二氧化硅A1c渐变折射率85125二氧化硅A1d渐变折射率100140二氧化硅A2a阶跃折射率100140二氧化硅A2b阶跃折射率200240二氧化硅A2c阶跃折射率200280二氧化硅A3a阶跃折射率200300二氧化硅芯塑料包层A3b阶跃折射率200380二氧化硅芯塑料包层A3c阶跃折射率200430二氧化硅芯塑料包层A4a阶跃折射率980-9901000塑料A4b阶跃折射率
13、730-740750塑料A4c阶跃折射率480-490500塑料1414表表2-2 2-2 单模光纤类型单模光纤类型类类型型名称名称材料材料标标称工作波称工作波长长(nm)(nm)B1.1B1.1非色散位移非色散位移二氧化硅二氧化硅1310 1310,15501550B1.2B1.2截止波截止波长长位移位移二氧化硅二氧化硅15501550B2B2色散位移色散位移二氧化硅二氧化硅15501550B3B3色散平坦色散平坦二氧化硅二氧化硅1310 1310,15501550B4B4非零色散位移非零色散位移二氧化硅二氧化硅1540 1540 15651565G.652G.652光纤(非色散位移光纤)光
14、纤(非色散位移光纤)*ppG.652G.652G.652G.652光光光光纤纤纤纤是通信网中是通信网中是通信网中是通信网中应应应应用最广泛的一种用最广泛的一种用最广泛的一种用最广泛的一种单单单单模光模光模光模光纤纤纤纤n nG.652AG.652AG.652AG.652A光光光光纤纤纤纤,支持,支持,支持,支持10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/s系系系系统传输统传输统传输统传输距离超距离超距离超距离超过过过过400km400km400km400km,支持支持支持支持40Gbit/s40Gbit/s40Gbit/s40Gbit/s系系系系统传输统传输统传输统传输距离达
15、距离达距离达距离达2km2km2km2kmn nG.652BG.652BG.652BG.652B光光光光纤纤纤纤,支持,支持,支持,支持10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/s10Gbit/s系系系系统传输统传输统传输统传输距离距离距离距离3000km3000km3000km3000km以上,以上,以上,以上,支持支持支持支持40Gbit/s40Gbit/s40Gbit/s40Gbit/s系系系系统传输统传输统传输统传输距离距离距离距离80km80km80km80km以上以上以上以上n nG.652CG.652CG.652CG.652C光光光光纤纤纤纤,基本属性同,基本属性同,基本属性
16、同,基本属性同G.652AG.652AG.652AG.652A,但在,但在,但在,但在1550nm1550nm1550nm1550nm处处处处衰减衰减衰减衰减系数更低,且消除了系数更低,且消除了系数更低,且消除了系数更低,且消除了1380nm1380nm1380nm1380nm附近的水吸收峰,即系附近的水吸收峰,即系附近的水吸收峰,即系附近的水吸收峰,即系统统统统可以可以可以可以工作在工作在工作在工作在1360nm1360nm1360nm1360nm1530nm1530nm1530nm1530nm波段波段波段波段n nG.652DG.652DG.652DG.652D光光光光纤纤纤纤,属性与,属
17、性与,属性与,属性与G.652BG.652BG.652BG.652B基本相同,衰减系数与基本相同,衰减系数与基本相同,衰减系数与基本相同,衰减系数与G.652CG.652CG.652CG.652C相同,即系相同,即系相同,即系相同,即系统统统统可以工作在可以工作在可以工作在可以工作在1360nm1360nm1360nm1360nm1530nm1530nm1530nm1530nm波段波段波段波段1515G.652xG.652x光纤的色散和衰减光纤的色散和衰减*1616G.657G.657光纤光纤*1717ppG.657G.657光光光光纤纤纤纤(接入网用抗弯(接入网用抗弯(接入网用抗弯(接入网用
18、抗弯损损损损失失失失单单单单模光模光模光模光纤纤纤纤)n nG.657AG.657A光光光光纤纤纤纤:“弯曲提高弯曲提高弯曲提高弯曲提高”光光光光纤纤纤纤,要求必,要求必,要求必,要求必须须须须与与与与G.652DG.652D规规规规范范范范的的的的标标标标准兼容,最小弯曲半径准兼容,最小弯曲半径准兼容,最小弯曲半径准兼容,最小弯曲半径10mm10mm。已在国内的。已在国内的。已在国内的。已在国内的FTTHFTTH工工工工程中得到比程中得到比程中得到比程中得到比较较较较好的推广好的推广好的推广好的推广应应应应用。用。用。用。n nG.657BG.657B光光光光纤纤纤纤:“弯曲冗余弯曲冗余弯曲
19、冗余弯曲冗余”光光光光纤纤纤纤,不要求与,不要求与,不要求与,不要求与G.652DG.652D规规规规范的范的范的范的标标标标准兼容,最小弯曲半径可降低到准兼容,最小弯曲半径可降低到准兼容,最小弯曲半径可降低到准兼容,最小弯曲半径可降低到7.5mm7.5mm。G.657BG.657B的技的技的技的技术术术术要求和制造工要求和制造工要求和制造工要求和制造工艺艺艺艺要求更高,也已开始要求更高,也已开始要求更高,也已开始要求更高,也已开始应应应应用。用。用。用。n n符合符合符合符合G.657G.657标标标标准的光准的光准的光准的光纤纤纤纤可以以接近可以以接近可以以接近可以以接近铜缆铜缆铜缆铜缆敷
20、敷敷敷设设设设方式在室内方式在室内方式在室内方式在室内进进进进行安装,降低了行安装,降低了行安装,降低了行安装,降低了对对对对施工人施工人施工人施工人员员员员的技的技的技的技术术术术要求,同要求,同要求,同要求,同时时时时有助于提有助于提有助于提有助于提高光高光高光高光纤纤纤纤的抗老化性能。的抗老化性能。的抗老化性能。的抗老化性能。ppG.657G.657光光光光纤纤纤纤被被被被认为认为认为认为是是是是FTTHFTTH室内光室内光室内光室内光缆应缆应缆应缆应用上的用上的用上的用上的优选优选优选优选。2.1.3 2.1.3 光缆及其结构光缆及其结构 光光光光缆缆缆缆是是是是以以以以光光光光纤纤纤
21、纤为为为为主主主主要要要要通通通通信信信信元元元元件件件件,通通通通过过过过加加加加强强强强件和外护层组合成的整体。件和外护层组合成的整体。件和外护层组合成的整体。件和外护层组合成的整体。光光光光缆缆缆缆是是是是依依依依靠靠靠靠其其其其中中中中的的的的光光光光纤纤纤纤来来来来完完完完成成成成传传传传送送送送信信信信息息息息的的的的任任任任务务务务,因因因因此此此此光光光光缆缆缆缆的的的的结结结结构构构构设设设设计计计计必必必必须须须须要要要要保保保保证证证证其其其其中中中中的的的的光光光光纤纤纤纤具具具具有有有有稳稳稳稳定的传输特性。定的传输特性。定的传输特性。定的传输特性。1818光缆的分类
22、方法光缆的分类方法 按成缆光纤类型按成缆光纤类型按成缆光纤类型按成缆光纤类型l l多模光纤光缆和单模光纤光缆多模光纤光缆和单模光纤光缆多模光纤光缆和单模光纤光缆多模光纤光缆和单模光纤光缆 按缆芯结构按缆芯结构按缆芯结构按缆芯结构l l中心束管、层绞、骨架和带状中心束管、层绞、骨架和带状中心束管、层绞、骨架和带状中心束管、层绞、骨架和带状 按加强件和护层按加强件和护层按加强件和护层按加强件和护层l l金属加强件、非金属加强、铠装金属加强件、非金属加强、铠装金属加强件、非金属加强、铠装金属加强件、非金属加强、铠装 按使用场合按使用场合按使用场合按使用场合l l长途长途长途长途/室外、室内、水下室外
23、、室内、水下室外、室内、水下室外、室内、水下/海底等海底等海底等海底等 按敷设方式按敷设方式按敷设方式按敷设方式l l架空、管道、直埋和水下架空、管道、直埋和水下架空、管道、直埋和水下架空、管道、直埋和水下1919光缆的结构(成缆方式)光缆的结构(成缆方式)o 层绞式层绞式层绞式层绞式o 骨架式骨架式骨架式骨架式o 中心束管式中心束管式中心束管式中心束管式o 带状式带状式带状式带状式20202121光缆结构示意图光缆结构示意图层绞式层绞式中心束管式中心束管式带状式带状式松套层绞式铠装光缆松套层绞式铠装光缆2222松套层绞式直埋光缆松套层绞式直埋光缆2323金属加强自承式光缆金属加强自承式光缆2
24、424微束管室内室外光缆微束管室内室外光缆*2525微微束束管管室室内内室室外外光光缆缆适适合合大大楼楼和和多多层层住住宅宅楼楼的的管管道道引引入入使使用用,适适合合室室内内和和室室外外两两种种环环境境,芯芯数数一一般般为为12123232。微微束束管管松松套套光光纤纤为为半半干干式式结结构构,便于室内光缆分支和施工。便于室内光缆分支和施工。分支型室内布线光缆分支型室内布线光缆*2626与与分分支支型型室室内内布布线线光光缆缆类类似似,还还有有一一种种束束状状室室内内布布线线光光缆缆,使使用用0.9mm0.9mm紧套光纤,干式结构,纤芯密度高,重量轻。紧套光纤,干式结构,纤芯密度高,重量轻。分
25、分支支型型室室内内布布线线光光缆缆采采用用单单芯芯子子单单元元光光缆缆结结构构,适适合合在在大大楼楼竖竖井井内内中中长长距距离离上上的的多多处处分分纤纤终终端端,每每条条光光缆缆子子单单元元均均可可用用现现场场连连接接器器直直接接与与终终端端相相连连接接。光光缆缆为为全全介介质质结结构构,具具有有优优良良的的防防火火阻阻燃燃性性能能。抗抗拉拉强强度度和和防防火火等等级级满满足足室室内内垂垂直直/水水平平布布线线光光缆缆的的等等级级要要求求。芯芯数数有有4/6/8/12/244/6/8/12/24多种。多种。室内室内8 8字布线光缆(普通蝶形光缆)字布线光缆(普通蝶形光缆)*2727室室内内“8
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