光纤传输理论及特性.ppt

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1、光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信第2章 光纤传输理论及特性 三峡大学理学院三峡大学理学院1光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信本章内容、重点和难点本章内容 光纤、光缆的结构和类型。光纤的导光原理。光纤的传输特性。第2章 光纤和光缆2光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信与光纤有关的问题：与光纤有关的问题：光波如何进入光纤以及光波在光纤中如何传播，内容涉及光光波如何进入光纤以及光波在光纤中如何传播，内容涉及光纤模式的激励纤模式的激励(光的入射光的入射)、模式分布（传播轨迹）、传播速度、模式分布（传播轨迹）、传播速度（光线时延）、模场分布、传输损耗、畸变、偏振特性等；（光线时延）、模场分布、传输损耗、畸变、

2、偏振特性等；研究方法研究方法 *粒子说：射线光学（几何光学），解释反射、折射，适用粒子说：射线光学（几何光学），解释反射、折射，适用大大 尺寸光学现象尺寸光学现象-多模光纤。多模光纤。*波动说：波动理论（波动光学），解释干涉、衍射现象，波动说：波动理论（波动光学），解释干涉、衍射现象，适用小尺寸光学现象适用小尺寸光学现象-单模光纤。单模光纤。第2章 光纤和光缆3光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1 光纤、光缆的结构和类型 2.1.1 光纤的结构光纤的结构 1.光纤结构光纤结构4光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1 光纤的结构和类型 （1）纤芯：纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。纤芯位于光纤的中

3、心部位。直径直径d1=4m50m，单模光纤的芯部为，单模光纤的芯部为4m10m，多，多模光纤的纤芯为模光纤的纤芯为50m。纤芯的成分是高纯度纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是），作用是提高纤芯对光的折射率提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。），以传输光信号。（2）包层：包层：包层位于纤芯的周围。包层位于纤芯的周围。直径直径d2=125m，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如而掺杂剂（如B2O3）的作用则是）的作用则是适当降低包层对光的折射率适当降低包层对光的折射率

4、（n2），），使之略低于纤芯的折射率，即使之略低于纤芯的折射率，即n1n2，它使得光信号封闭在纤芯中它使得光信号封闭在纤芯中传输传输。5光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1 光纤的结构和类型 （3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。层和二次涂覆层。一次涂覆层一一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层缓冲层一般为性能良好的填充油膏；一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用涂覆的作用是是保

5、护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加，同时又增加了了光纤的机械强度与可弯曲性光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约后的光纤其外径约0.9或或0.25mm。通常所说的光纤为此种光纤。通常所说的光纤为此种光纤。6光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1 光纤的结构和类型 紧套光纤与松套光纤紧套光纤与松套光纤 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，

6、松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在纤可以在套管中自由活动套管中自由活动。图2-2 套塑光纤结构7光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1 光纤的结构和类型 2光纤的折射率分布与光线的传播光纤的折射率分布与光线的传播 图图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。所示为两种典型光纤的折射率分布情况。一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图图2-3（a）、（）、（b）所示。）所示。图2-3 光纤的折射率分布8光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信 2.1 光纤的结构和类型

7、光在光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别的传播轨迹分别如图如图2-5和图和图2-6所示。所示。图2-5 光在阶跃折射率多模光纤中的传播图2-6 光在渐变折射率多模光纤中的传播9光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.2 光纤的分类 1单模与多模光纤单模与多模光纤 传播模式传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播轨迹轨迹进行传播。如图进行传播。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式。所示。

8、这些不同的光束称为模式。图2-4 光在阶跃折射率光纤中的传播10光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.2 光纤的分类 （1）多模光纤）多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约）远大于光波波长时（约1m），光纤传输的过程中会存在着），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。式，这样的光纤称为多模光纤。（2）单模光纤）单模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）较小，与光波长在同一）较小，与光波长在同一数量级，如芯径数量级，如芯径d1 在在4m10m范围，这时，

9、光纤只允许范围，这时，光纤只允许一一种模式（基模）种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。光纤称为单模光纤。11光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.2 光纤的分类 2多模光纤的型号多模光纤的型号 ITU-T建议规范了建议规范了G.651多模光纤，国标中多模光纤，国标中A1a 50/125um型型使用较多，具有如下特点：使用较多，具有如下特点：在在1.31m处最小色散，处最小色散，1.55m处有最小损耗。处有最小损耗。芯径粗，衰耗较大，存在模间色散，传输带宽受限芯径粗，衰耗较大，存在模间色散，传输带宽受限数值孔径数值孔径

10、NA大，因而耦合效率高大，因而耦合效率高大芯径可允许较大光功率传输利于用户网光功率分配，不会出大芯径可允许较大光功率传输利于用户网光功率分配，不会出现非线性。现非线性。价格比价格比G.652光纤高光纤高*在在数据链路、用户接入网数据链路、用户接入网中普遍应用中普遍应用12光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.2 光纤的分类 3单模光纤的型号单模光纤的型号 ITU-T建议规范了建议规范了G.652、G.653、G.654和和G.655单模光纤单模光纤 （1）G.652光纤光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色），是指色散零点（即色散为零的波

11、长）在散为零的波长）在1 310nm附近的光纤，具有如下特点：附近的光纤，具有如下特点：1310nm色散（色散（13ps.nm-1.km-1),衰减衰减0.34dB/km;1550nm色散（色散（17ps.nm-1.km-1),衰减衰减0.20dB/km;成本低，大多数已安装的光纤均为成本低，大多数已安装的光纤均为G.652，低损耗，低损耗;大有效面积，有利于克服非线性效应大有效面积，有利于克服非线性效应;色散斜率大，大色散系数，色散受限距离短色散斜率大，大色散系数，色散受限距离短;可用可用G.652+DCF方案升级扩容，但成本高方案升级扩容，但成本高;13光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.

12、1.2 光纤的分类图2-8 G.652光纤的折射率 G.652折射率分布如图折射率分布如图2-8所示。图（所示。图（a）表示的阶跃折射率设）表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图（计称为匹配包层型，图（b）表示的为凹陷包层型设计。）表示的为凹陷包层型设计。14光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.2 光纤的分类 （2）G.653光纤光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在），是指色散零点在1 550nm附近的光纤，它相对于附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。由于不适用于所以叫色散位移

13、光纤。由于不适用于DWDM系统系统,已经被市场淘汰已经被市场淘汰!（3）G.654光纤光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减。的衰减。G.654光纤主要应用于海底光纤通信光纤主要应用于海底光纤通信。（4）G.655光纤光纤 由于由于G.653光纤的色散零点在光纤的色散零点在1 550nm附近，附近，DWDM系统在零系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从的位置从1 550nm附近移开一定波长数附近移开一定波长数

14、,即即非零色散位移光纤非零色散位移光纤（NDSF）。15光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.3 光缆及其结构 1光缆的结构光缆的结构 光缆由光缆由缆芯、护层和加强芯缆芯、护层和加强芯组成。组成。（1）缆芯）缆芯 缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。（2）护层）护层 护层主要是对已成缆的护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用光纤芯线起保护作用，避免受外界机械，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为力和环境损坏。护层可分为内护层内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层外护层（多用铝带和聚乙烯组成的（多用铝带

15、和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等）。外护套加钢丝铠装等）。（3）加强芯）加强芯 加强芯主要承受加强芯主要承受敷设安装时所加的外力敷设安装时所加的外力。16光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.3 光缆的结构 2各种典型结构的光缆各种典型结构的光缆 （1）层绞式结构光缆）层绞式结构光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆古典光缆。图图2-20图图2-24所示是目前在所示是目前在市话中继和长途线路市话中继和长途线路上采用的上采用的几种层绞式结构光

16、缆的示意图（截面）。几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。17光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.3 光缆的结构 图2-21 12芯松套层绞式直埋光缆图2-20 6芯紧套层绞式光缆18光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.3 光缆的结构 （2）骨架式结构光缆）骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成，的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成，抗侧压力性能好抗侧压力性能好。我国采用的我国采用的骨架式结构骨架式结构光缆，都是采用如图光缆，都是采用如图2-24所示的结构。所示的结构。19光纤通信光

17、纤通信光纤通信光纤通信2.1.3 光缆的结构 （3）束管式结构光缆）束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围加强芯配置在套管周围而构成。光纤位于缆芯，受压小，而构成。光纤位于缆芯，受压小，在水下和海底光缆中应用较多在水下和海底光缆中应用较多。图图2-26所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。20光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.3 光缆的结构 （4）带状结构光缆）带状结构光缆 把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也

18、可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。如图如图2-27、2-28所示。所示。图2-27 中心束管式带状光缆图2-28 层绞式带状光缆21光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.1.3 光缆的结构 （5）单芯结构光缆）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图2-29所示。所示。这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤单芯软光缆的

19、光纤。图2-29 单芯软光缆22光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.5.1 射线方程 *射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光的传播现象很有效，而且对的传播现象很有效，而且对光纤半径远大于光波长的多模光纤光纤半径远大于光波长的多模光纤能提能提供良好的近似。供良好的近似。当光波长可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法当光波长可以忽略时，用射线去代表光能量传输线路的方法称为称为射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何射线光学。在射线光学中，把光用几何学来考虑，所以也称为几何光学。光学。射线光学是忽略波长（

20、射线光学是忽略波长（0）时的波动理论。）时的波动理论。由波动方程推出光程函数的射线方程，有斯涅尔（由波动方程推出光程函数的射线方程，有斯涅尔（Snell）定律）定律:23光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信1阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤 全反射全反射 分析入射角分析入射角:imax 数值孔径数值孔径NA 定义端面入射临界角的正弦为阶跃折射率光纤的数值孔径定义端面入射临界角的正弦为阶跃折射率光纤的数值孔径NA2.5.2 光纤的传光原理24光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信 *NA表示光纤接收和传输光的能力。表示光纤接收和传输光的能力。*NA越大，光纤接收光的能力越强，纤芯对能量的束缚越强，光越大，光纤

21、接收光的能力越强，纤芯对能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。纤抗弯曲性能越好。*NA与与的关系：相长关系，但的关系：相长关系，但太大易导致模间色散。太大易导致模间色散。NA的计算的计算 例：例：=0.01=0.01，n n1 1=1.5=1.52.5.2 光纤的传光原理25光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2渐变折射率光纤渐变折射率光纤 自聚焦自聚焦 以不同的条件进入光纤的以不同的条件进入光纤的射线有不同的轨迹，近轴处射线有不同的轨迹，近轴处光的速度慢，远轴处光的速光的速度慢，远轴处光的速度快，但度快，但都具有同样的轴向速度，同时到达光纤轴上的某点，都具有同样的轴向速度，同时到达光纤轴上的某点，

22、即所即所有光线都具有相同的空间周期有光线都具有相同的空间周期L，称自聚焦。，称自聚焦。实现自聚焦的条件：实现自聚焦的条件：精确自聚焦光纤的折射率为双曲正割分布，实用多为平方率分精确自聚焦光纤的折射率为双曲正割分布，实用多为平方率分布，具有很小的模间色散。布，具有很小的模间色散。空间周期：空间周期：2.5.2 光纤的传光原理26光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信3自聚焦透镜（补充）自聚焦透镜（补充）G-Lens工作原理工作原理 C-Lens Vs.G-LensC-Lens Vs.G-Lens *打破日本打破日本NSGNSG自聚焦透镜长达自聚焦透镜长达1010年的专利垄断年的专利垄断 *发明者：大学

23、新秀发明者：大学新秀-罗勇（原长春精密光学机械学院）罗勇（原长春精密光学机械学院）19981998年，罗勇在福建华科公司提出对普通的透镜基础上加以改年，罗勇在福建华科公司提出对普通的透镜基础上加以改进，从而取代自聚焦透镜的设想进，从而取代自聚焦透镜的设想,于于19991999年末通过了国际年末通过了国际BellcoreBellcore标准认证，出口海外。标准认证，出口海外。2.5.2 光纤的传光原理27光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信4光纤中的模式总数光纤中的模式总数 WKBJ分析渐变光纤中的导模总数为：分析渐变光纤中的导模总数为：平方折射率分布光纤（平方折射率分布光纤（=2）：）：阶跃折射率

24、分布光纤（阶跃折射率分布光纤（=）：）：2.5.2 光纤的传光原理 *光纤的芯径光纤的芯径a越大，相对折射率越大，相对折射率越大，工作频率越高，越大，工作频率越高，光纤中传播的模式就越多！光纤中传播的模式就越多！28光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程分析方法分析方法29光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.2.麦克斯韦方程组和波动方程微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场矢量。对于矢量。对于无源的，均匀的，各向同性的无源的，均匀的，各向同性的介质，麦克斯韦方程组可介质，麦克斯韦方程组可表示如下

25、：表示如下：式中式中为哈密顿算符，为哈密顿算符，“”代表取旋度，代表取旋度，“.”代表取散代表取散度。度。30光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.2.2 麦克斯韦方程组和波动方程31光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.2.3 基本导波方程 光波导光波导(光纤光纤)结构选择结构选择Z Z轴为纵向轴轴为纵向轴,能量沿能量沿+Z+Z方向传播方向传播,纵向纵向传播常数传播常数,介电常数介电常数(x,y)(x,y)与与Z Z轴无关轴无关。场方程的形式化简。场方程的形式化简。波动方程波动方程波动方程波动方程亥母霍亥母霍亥母霍亥母霍兹方程兹方程兹方程兹方程直角直角直角直角/柱面坐柱面坐柱面坐柱面坐标波动方程

26、标波动方程标波动方程标波动方程32光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.3 阶跃折射率光纤的模式分析 采用波动理论来分析阶跃折射率光纤，得到光纤中传播的各种采用波动理论来分析阶跃折射率光纤，得到光纤中传播的各种模式模式的表示方法。讨论各模式的的表示方法。讨论各模式的截止条件截止条件，引入线性极化模的概念，引入线性极化模的概念 用于分析的阶跃折射率光纤模型如图用于分析的阶跃折射率光纤模型如图2-7所示。假设包层的半径所示。假设包层的半径b 足够大，则包层内电磁场按指数幂衰减，并在包层和空气的界面足够大，则包层内电磁场按指数幂衰减，并在包层和空气的界面处趋于处趋于0，这样就可以把光纤作为两种介质的，

27、这样就可以把光纤作为两种介质的边界问题边界问题进行分析。进行分析。33光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.3.1 矢量分析法 矢量分析法，矢量分析法，就是把电磁场作为矢量场来求解。用这种方法来就是把电磁场作为矢量场来求解。用这种方法来分析光纤可以精确的分析分析光纤可以精确的分析光纤中的各种模式，各模式的截止条件等光纤中的各种模式，各模式的截止条件等。（侧重于根据精确矢量模式分析导出符合某种特定要求（满足特定（侧重于根据精确矢量模式分析导出符合某种特定要求（满足特定模式传输模式传输/截止条件）的截止条件）的光纤参数光纤参数）在光纤的纤芯和包层两个区域内，从柱面坐标的修正波动方程在光纤的纤芯和包层

28、两个区域内，从柱面坐标的修正波动方程中解出中解出Ez、Hz，然后再求场的横向分量，然后再求场的横向分量E、Er、H、Hr表达式。表达式。用分离变量法求解，可得电、磁场的用分离变量法求解，可得电、磁场的贝塞尔方程贝塞尔方程：34光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.3.1 矢量分析法 1、特征方程、特征方程 考虑到场在纤芯和包层中的考虑到场在纤芯和包层中的传输以及边界条件传输以及边界条件，可得特征方程：，可得特征方程：35光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.3.1 矢量分析法 对于确定的光源和光纤，对于确定的光源和光纤，波长、波长、a、折射率是已知的、折射率是已知的，故场特征，故场特征参量参量u、

29、W和和可通过特征方程确定，并可通过特征方程讨论模式截可通过特征方程确定，并可通过特征方程讨论模式截止条件和对模式的分类：止条件和对模式的分类：36光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.3.1 矢量分析法2、模式分类讨论模式分类讨论 模式：模式：mn所对应的一种所对应的一种场的空间分布场的空间分布，在传播过程中只有相，在传播过程中只有相位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，该位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，该空间分布称为空间分布称为模式模式。光纤的电磁场模式不同于平面波导，一般。光纤的电磁场模式不同于平面波导，一般Ez、Hz都不为零。都不为零。n当当m=0m=0时：时：n当当m0

30、时，时，Z向上既有向上既有Ez分量，又有分量，又有Hz分量，称之为混合模分量，称之为混合模注：注：m是贝塞尔函数的阶数。是贝塞尔函数的阶数。n是贝塞尔函数的根排列的序数。是贝塞尔函数的根排列的序数。37光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信矢量分析法3、模式截止条件及分析模式截止条件及分析 对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。对每一个传播模来说，在包层中它应该是衰减很大，不能传输。如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而如果一个传播模，在包层中不衰减，也就是表明该模是传过包层而变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。变成了辐射模，则就认为该传播模被截止了。所以一

31、个传播模在包所以一个传播模在包层中的衰减常数层中的衰减常数W=0时，表示导模截止。时，表示导模截止。由模式分析导出的截止由模式分析导出的截止条件是光纤通信最重要的基条件是光纤通信最重要的基础结论之一础结论之一，也是前述的指，也是前述的指导光纤参数和结构设计的前导光纤参数和结构设计的前提条件。提条件。38光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信矢量分析法W=0,模式截止分析模式截止分析 m=0,有有TE0n和和TM0n两种模式两种模式,且相互且相互简并简并.n=1时时,u=2.40483,TE01模截止模截止;n=2时时,u=5.52008,TE02模截止模截止;m=1,有有HE1n和和EH1n两种模式

32、两种模式.n=1时时,u=0,HE11模截止模截止,其他模式截止时其他模式截止时HE11仍能传输仍能传输,基模基模;n=2时时,u=3.8371,HE12模截止模截止;m1,有有HEmn和和EHmn两种模式两种模式.W,远离截止分析远离截止分析 HE11模远离截止的模远离截止的u值在值在02.40483之间之间.其它模远离截止的其它模远离截止的u值大于值大于2.40483.39光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.3.2 弱导光纤和线性极化模1、弱导光纤的特征方程弱导光纤的特征方程 阶跃折射率光纤中场的波动方程和特征方程的阶跃折射率光纤中场的波动方程和特征方程的精确求解精确求解都非常都非常复杂。

33、而在实际的光纤通信中，由于光纤包层的折射率复杂。而在实际的光纤通信中，由于光纤包层的折射率n2仅略低于仅略低于纤芯层的折射率纤芯层的折射率n1，即它们的相对折射率差即它们的相对折射率差 (n1-n2)/n21，这样的光纤称之为，这样的光纤称之为弱导光纤弱导光纤。在弱导光纤中场的纵向分量和横向分量相比是很小的，电磁场在弱导光纤中场的纵向分量和横向分量相比是很小的，电磁场几乎是横向场，几乎是横向场，电磁场也几乎是线性极化的（电磁场也几乎是线性极化的（Ez、Hz都近似为都近似为0）。故可以用标量近似法来分析阶跃折射率光纤中的模式。在故可以用标量近似法来分析阶跃折射率光纤中的模式。在c，则为单模光纤，

34、该光纤只能，则为单模光纤，该光纤只能传输基模；如果传输基模；如果c，就不是单模光纤，光纤中除了基模外，还能，就不是单模光纤，光纤中除了基模外，还能传输其它高阶模。传输其它高阶模。45光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.4 单模传输2.模场直径模场直径 单模光纤中基模（单模光纤中基模（HE11模）场强在光纤的横截面内有一特定的模）场强在光纤的横截面内有一特定的分布（如下图），该分布与光纤的结构有关。光功率被约束在光纤分布（如下图），该分布与光纤的结构有关。光功率被约束在光纤横截面的一定范围内。也就是说，单模光纤传输的光能不是完全集横截面的一定范围内。也就是说，单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯

35、内，而是有中在纤芯内，而是有相当部分在包层中传播相当部分在包层中传播。所以，不用纤芯直径来作为衡量单模光纤中功率分布的参数，所以，不用纤芯直径来作为衡量单模光纤中功率分布的参数，而用所谓的而用所谓的模场直径作为描述单模光纤传输光能集中程度的参数模场直径作为描述单模光纤传输光能集中程度的参数。近似计算公式有：近似计算公式有：对于对于1310nm单模光纤单模光纤n1=1.45,=0.36%,则则d=9.59um46光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.4 单模传输模场直径47光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.6 光纤的传输特性 光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变，因而输光信号经过一定距

36、离的光纤传输后要产生衰减和畸变，因而输出信号和输入信号不同，光脉冲信号不仅幅度要减小，而且波形要出信号和输入信号不同，光脉冲信号不仅幅度要减小，而且波形要展宽，继而引起码间干扰等现象。展宽，继而引起码间干扰等现象。信号衰减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在信号衰减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在损耗损耗、色色散散和和非线性非线性因素。因素。光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散光纤的传输特性主要是指光纤的损耗特性和色散特性，另有机械特性和温度特性。损耗和色散是光纤的最主要的传特性，另有机械特性和温度特性。损耗和色散是光纤的最主要的传输特性，它们限制了系统的传输距离和传输容量。输特

37、性，它们限制了系统的传输距离和传输容量。本节要讨论光纤损耗和色散的本节要讨论光纤损耗和色散的机理和特性机理和特性。48光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信Bit 1Bit 2Bit 1Bit 2Bit 1Bit 2Bit 1Bit 2Bit 1Bit 249光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信1光纤的损耗特性光纤的损耗特性 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗（或衰减）光纤的损耗（或衰减）。在光。在光纤通信系统中，当入纤的光功率和接收灵敏度给定时，光纤的

38、衰减纤通信系统中，当入纤的光功率和接收灵敏度给定时，光纤的衰减将是限制无中继传输距离的重要因素。将是限制无中继传输距离的重要因素。当工作波长为时，当工作波长为时，L公里长光纤公里长光纤A()的衰减，及光纤每公里的衰减，及光纤每公里()衰衰减用下式表示：减用下式表示：造成光纤中能量损失的原因是造成光纤中能量损失的原因是吸收损耗、散射损耗和辐射损耗吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。2.6.1 光纤的损耗特性50光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2光纤的吸收损耗光纤的吸收损耗 吸收损耗是由于光纤的材料和所含杂质对光能的吸收所引起的吸收损耗是由于光纤的材料和所含杂质对光能的吸收所引起的本征吸收本征吸收 由材

39、料由材料固有固有吸收所引起的。物质中存在着紫外光区域光谱的吸收吸收所引起的。物质中存在着紫外光区域光谱的吸收和红外光区域的吸收。和红外光区域的吸收。吸收损耗与光波长吸收损耗与光波长有关。有关。紫外吸收紫外吸收使一些处于低能级的电子会吸收紫外光波的能量而跃迁使一些处于低能级的电子会吸收紫外光波的能量而跃迁到高能状态（到高能状态（0.16um为峰值），尾巴延伸到光通信波段。短波长区为峰值），尾巴延伸到光通信波段。短波长区达达1dB/km，长波长区约，长波长区约0.05dB/km，决定工作波长的下限决定工作波长的下限。而红外吸收而红外吸收是由分子振动引起的。即光纤基质材料是由分子振动引起的。即光纤基

40、质材料SiO2的的Si-O键键因振动吸收能量，因振动吸收能量，产生振动或多声子吸收带损耗，产生振动或多声子吸收带损耗，构成石英光纤工构成石英光纤工作波长的上限。作波长的上限。2.6.1 光纤的损耗特性51光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信掺杂剂与杂质离子引起的吸收掺杂剂与杂质离子引起的吸收 SiO2的光纤材料中含有一定的掺杂剂（如锗的光纤材料中含有一定的掺杂剂（如锗Ge，硼，硼B，磷，磷P等）等）和跃迁金属杂质（如铁和跃迁金属杂质（如铁Fe，铜，铜Cu，铬，铬Cr等）。这些成分的存在把等）。这些成分的存在把紫外吸收尾部转移到更长的波长上去。所含的杂质离子，在相应的紫外吸收尾部转移到更长的波长上去

41、。所含的杂质离子，在相应的波长段内有强烈的吸收。杂质含量越多，损耗越严重。波长段内有强烈的吸收。杂质含量越多，损耗越严重。O-H键的基本谐振波长为键的基本谐振波长为2.73um，与，与Si-O键的谐振波长相互影响，键的谐振波长相互影响，产生一系列的吸收峰，如产生一系列的吸收峰，如0.95/1.24/1.39um，在峰之间的低耗区构成，在峰之间的低耗区构成三个工作窗口三个工作窗口。可以改进工艺技术，降。可以改进工艺技术，降OH-离子的浓度，目前可达离子的浓度，目前可达10-9以下。以下。2.6.1 光纤的损耗特性52光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.6.1 光纤的损耗特性53光纤通信光纤通信光

42、纤通信光纤通信3光纤的散射损耗光纤的散射损耗瑞利散射瑞利散射 瑞利散射是由于光纤内部瑞利散射是由于光纤内部的密度不均匀引起的，从而使的密度不均匀引起的，从而使折射率沿纵向产生不均匀折射率沿纵向产生不均匀，其不均匀，其不均匀点的尺寸比光波长还要小。光在光纤中传输时，遇到这些比波长小，点的尺寸比光波长还要小。光在光纤中传输时，遇到这些比波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生了散射带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生了散射 瑞利散射大小瑞利散射大小R=A/4，对短波长窗口影响大。，对短波长窗口影响大。波导散射损耗波导散射损耗 光纤纤芯直径沿轴向光纤纤芯直径沿轴向不均匀不

43、均匀(表面畸变或粗糙表面畸变或粗糙)，或微小气泡，或微小气泡，将，将产生导模与辐射模的耦合，产生导模与辐射模的耦合，形成其它传输模和辐射模形成其它传输模和辐射模，引起附加的，引起附加的能量损耗。可忽略。能量损耗。可忽略。2.6.1 光纤的损耗特性54光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信4光纤的辐射损耗光纤的辐射损耗 光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲。光纤受到某种外力作用时，会产生一定曲率半径的弯曲。弯曲弯曲后的光纤会使光的传播途径改变。一些传输模变为辐射模，后的光纤会使光的传播途径改变。一些传输模变为辐射模，引起能引起能量的泄漏导致的损耗称为辐射损耗。量的泄漏导致的损耗称为辐射损耗

44、。受力弯曲有两类：受力弯曲有两类：（1）曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，称为宏弯曲率半径比光纤直径大得多的弯曲，称为宏弯，例如当光缆，例如当光缆拐弯时，就会产生这样的弯曲；拐弯时，就会产生这样的弯曲；在研项目在研项目：“深溪沟黄草坪座落体深部变形的深溪沟黄草坪座落体深部变形的OTDR监测技术监测技术”（2）光缆成缆时产生的随机性弯曲引起的附加损耗，一般很小。）光缆成缆时产生的随机性弯曲引起的附加损耗，一般很小。2.6.1 光纤的损耗特性55光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.6.1 光纤的损耗特性切割 导引锥结构盘绕 下植56光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.6.2 光纤的色散特性1光的色散

45、光的色散 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的色）的光呈现的折射率折射率n不同不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。同，最终使不同颜色的光在空间上散开。自然光的色散57光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.6.2 光纤的色散特性2光纤的色散特性光纤的色散特性 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些光脉

46、冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率频率成分和模式成分和模式到达光纤终端有先有后，使得到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽光脉冲发生展宽，这就是，这就是光纤的色散，如图所示。色散一般用光纤的色散，如图所示。色散一般用时延差时延差来表示，即不同频率的来表示，即不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。色散引起的脉冲展宽示意图58光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.6.2 光纤的色散特性 3光纤的色散分类光纤的色散分类色散可分为材料色散、模式色散、波导色散和偏振模色散。色散可分为材料色散、模式色散、波导色散和偏振模色散。（1）材料色

47、散材料色散 由于材料本身由于材料本身折射率随频率折射率随频率而变，于是信号各频率的群速度不同，而变，于是信号各频率的群速度不同，引起色散。引起色散。（2）模式色散模式色散 在多模传输下，光纤中各模式在在多模传输下，光纤中各模式在同一光源频率下传输系数同一光源频率下传输系数不同，不同，因而群速度不同而引起色。是因而群速度不同而引起色。是多模光纤中的主要色散多模光纤中的主要色散。59光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.6.2 光纤的色散特性 （3）波导色散）波导色散 由于由于光纤波导结构光纤波导结构引起的色散称为波导色散。对于光纤中某一引起的色散称为波导色散。对于光纤中某一模式本身，在不同频率下，

48、传输系数不同，群速不同引起的色散。模式本身，在不同频率下，传输系数不同，群速不同引起的色散。（4）偏振模色散）偏振模色散 输入光脉冲激励的输入光脉冲激励的两个正交的偏振模式两个正交的偏振模式之间的群速度不同而引之间的群速度不同而引起的色散。起的色散。注注:*材料色散和波导色散发生在同一模式内材料色散和波导色散发生在同一模式内,称模内色散称模内色散;而模而模式色散和偏振模色散又称为模间色散。式色散和偏振模色散又称为模间色散。*模式色散主要存在于多模光纤。单模光纤无模式色散，只有模式色散主要存在于多模光纤。单模光纤无模式色散，只有材料色散和波导色散。当波长在材料色散和波导色散。当波长在1.31m附

49、近，色散接近为零。附近，色散接近为零。*由于光源不是单色的，且总有一定的谱宽，这就增加了材料由于光源不是单色的，且总有一定的谱宽，这就增加了材料色散和波导色散的严重性。色散和波导色散的严重性。60光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信 4单模传输时的色散及时延失真单模传输时的色散及时延失真 （1）材料色散）材料色散 以以0为中心的模的群时延和群折射率可由下式给出：为中心的模的群时延和群折射率可由下式给出：能量在光纤中传输距离为能量在光纤中传输距离为L，在波长，在波长=1-2中，能量传播到达中，能量传播到达的时间差为：的时间差为：2.6.2 光纤的色散特性61光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信 定义色散

50、系数为定义色散系数为:色散系数的物理含义是指经单位长度光纤传输后，单位光波长色散系数的物理含义是指经单位长度光纤传输后，单位光波长间隔对应的群时延差。间隔对应的群时延差。故由于材料色散导致的时延差，其色散系数定义为：故由于材料色散导致的时延差，其色散系数定义为：光谱线宽光谱线宽，传输距离为，传输距离为L后的材料色散（时延差）为：后的材料色散（时延差）为：2.6.2 光纤的色散特性62光纤通信光纤通信光纤通信光纤通信2.6.2 光纤的色散特性 （2）波导色散）波导色散:由于某一传输模的由于某一传输模的群速度（传播常数群速度（传播常数）随光波长）随光波长而变所引起而变所引起的脉冲展宽称为波导色散。