光纤与光缆精选PPT.ppt

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1、关于光纤与光缆第1页，讲稿共100张，创作于星期日多姿多彩的光纤2第2页，讲稿共100张，创作于星期日2.1.1 光纤的结构光纤的结构 光纤的基本结构一般是双层或多层的同心 圆柱体，其中心部分是纤芯，纤芯外面的部分 是包层，纤芯的折射率高于包层的折射率，从 而形成一种光波导效应，使大部分的光被束缚 在纤芯中传输，实现光信号的长距离传输。2.1 光纤的结构与分类第3页，讲稿共100张，创作于星期日光纤材料目前，通信光纤的纤芯和包层的主体材料都是石英玻璃，也就是SiO2。为了制作两种具有相似特性、而折射率只有一个很小差异的材料以便形成纤芯和包层，可以在SiO2中掺入各种氧化物。vGeO2纤芯，Si

2、O2包层；vP2O5纤芯，SiO2包层；vSiO2 纤芯，B2O3-SiO2包层；vGeO2-B2O3-SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层。注意：重要！注意：重要！4第4页，讲稿共100张，创作于星期日阶跃光纤与渐变光纤为什么采为什么采用这样的用这样的结构？结构？5第5页，讲稿共100张，创作于星期日2.1.2光纤的分类按剖面折射率分布不同分类:阶跃型光纤和渐变型光纤6第6页，讲稿共100张，创作于星期日按传播模式分类：单模光纤和多模光纤单模光纤尺寸：光纤的纤芯直径尺寸扩展到几个波长（通常是812个波长），并且使纤芯包层折射率差很小，只允许传输一个基模的光纤。纤芯直径2a=810m(无实际意

3、义)，包层直径2b=125m。优点：带宽极宽。应用：适用于大容量的光纤通信。多模光纤尺寸：远大于光波波长，能传输多个模式的光纤。纤芯直径2a=50m，包层直径2b=125m。优点：制造简单、接续容易。缺点：存在模式色散，带宽窄。应用：适应于较小容量的光纤通信。7第7页，讲稿共100张，创作于星期日短波长光纤：在600900nm范围内呈现低损耗的光纤。属早期产品，因其衰耗与色散都比较大，目前很少采用。长波长光纤：工作在10002000nm范围的光纤。具有低衰耗、宽带宽的特点，适合长距离、大容量的通信。目前使用的光纤全部是长波长光纤。按工作波长分类:短波长光纤（0.85 m）和长波长光纤（1.31

4、 m/1.55 m）8第8页，讲稿共100张，创作于星期日按光纤组分按光纤组分/制造材料分类制造材料分类 石英光纤 多组分玻璃光纤 石英芯塑料包层光纤 全塑料光纤 氟化物光纤 光子晶体光纤 按套塑类型分类按套塑类型分类 紧套光纤（有二次及三次涂敷）松套光纤(无二次、三次涂敷）二次、三次涂敷可以增加光纤机械强度，但由于涂敷层与光纤膨胀系数不同，低温下压迫光纤发生弯曲，增加了光纤损耗。第9页，讲稿共100张，创作于星期日1.预制棒的制备预制棒的制备2.1.3 光纤的制造工艺简介光纤的制造工艺简介 主要有管内化学汽相沉积法，如改进的化学汽相沉积法MCVD(Modified Chemical Vapo

5、ur Deposition)，等离子体汽相沉积法PCVD(Plasma Chemical Vapour Deposition)和管外化学汽相沉积法。而管外化学汽相沉积法又分为汽相轴向沉积法VAD(Vapour Phase Axial Deposition)和外汽相沉积法OVD(Outside Vapour Deposition)两种。第10页，讲稿共100张，创作于星期日例：改进化学汽相沉积法例：改进化学汽相沉积法(MCVD)在MCVD中，通过氯化硅(SiCl4)溶液、氯化锗(GeCl4)溶液和/或其他化学物质生成氧气。这种精心配制的混合物能管理各种物理和光学属性（折射率、延展系数、熔点等）。

6、然后在特制车床车床中将蒸气导入合成硅合成硅或石英管石英管（覆层）内部。机床开始旋转后，将有一支喷枪在管外部上下移动。喷枪产生的高热将导致两个变化：l硅和锗与氧发生反应，生成二氧化硅硅和锗与氧发生反应，生成二氧化硅(SiO2)和二氧化锗和二氧化锗(GeO2)。l二氧化硅和二氧化锗在管内堆积熔合，形成玻璃。二氧化硅和二氧化锗在管内堆积熔合，形成玻璃。机床不断旋转，使得涂层均匀，模具平滑。通过在气体传输系统（阀组、管道、封口）中使用抗腐蚀塑料，并精确控制混合物的流速和成分，可以保持玻璃的纯度。预成形模具的制作过程是高度自动化的，制作时间需数小时。待预成形模具冷却后，还要检查质量控制（折射率）。第11

7、页，讲稿共100张，创作于星期日2.拉丝拉丝将预成形模具下部放入石墨炉（摄氏将预成形模具下部放入石墨炉（摄氏1900到到2200度），从末端开始熔化，熔化的液珠度），从末端开始熔化，熔化的液珠因重力落下。落下后，即冷却并形成细丝因重力落下。落下后，即冷却并形成细丝。将这些细丝穿过一系列涂层容器（缓冲涂层）将这些细丝穿过一系列涂层容器（缓冲涂层）和紫外固化炉，最后固定到牵引机控制的转轴和紫外固化炉，最后固定到牵引机控制的转轴上。牵引机从加热的预成形模具中缓缓拉出细上。牵引机从加热的预成形模具中缓缓拉出细丝，通过激光测微计测量细丝的直径，并将测丝，通过激光测微计测量细丝的直径，并将测量信息反馈给牵

8、引机，从而来精确地控制此过量信息反馈给牵引机，从而来精确地控制此过程。拉丝速度为程。拉丝速度为10到到20米米/秒，成品会被缠绕在线秒，成品会被缠绕在线轴上。线轴通常能承载长度超过轴上。线轴通常能承载长度超过2.2公里的光纤。公里的光纤。第12页，讲稿共100张，创作于星期日3.测试成品光纤测试成品光纤l拉伸强度必须能够承受至少6.9x108N/m2的压力。l折射率剖面决定数字光圈以及光学探测的屏幕l光纤几何特征纤芯直径、覆层规格以及涂层直径应一致l衰减性决定各种波长的光信号随距离变化的衰减程度l信息传输能力（带宽）每次可传输的信号量（多模光纤）l色散将通过纤芯的光的各种波长分解开来（对于带宽

9、尤其重要）l操作温度/湿度范围l衰减性的温度相关性l水下导光能力对于海底电缆尤其重要第13页，讲稿共100张，创作于星期日2.2 光纤传输原理光纤传输原理分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法：几何光学法几何光学法几何光学法几何光学法 麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法第14页，讲稿共100张，创作于星期日2.2.1 几何光学方法几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径数值孔径 时间延迟时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布空间分布和时间分布时间分布 几何光学法分析问题的两个角度几何光学法分

10、析问题的两个角度 突变型多模光纤突变型多模光纤 渐变型多模光纤渐变型多模光纤第15页，讲稿共100张，创作于星期日图2.4突变型多模光纤的光线传播原理1.突变型多模光纤突变型多模光纤数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径为简便起见，以突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯纤芯纤芯纤芯和包层包层包层包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。第16页，讲稿共100张，创作于星期日改变角度，不同相应的光线将在纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层

11、包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理全反射原理，存在一个临界角c。当c时，相应的光线将在交界面折射进入包层包层包层包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。第17页，讲稿共100张，创作于星期日根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数数数数值值值值孔孔孔孔径径径径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律斯奈尔定律斯奈尔定律斯奈尔定律NA=n0sinc=n1cosc，n1sinc=n2sin90(2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到式中=(n1-n2)/n1为纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层相对折射率差相对折

12、射率差相对折射率差相对折射率差。NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力，NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。对于无损耗光纤，在c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信号畸变越大，因而限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。(2.3)第18页，讲稿共100张，创作于星期日时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟根据图2.4，入射

13、角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程为l(oy)，在不大的条件下，其传播时间即时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟为式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最最大大入入射射角角(=c)和最最小小入入射射角角(=0)的光线之间时时时时间间间间延迟延迟延迟延迟差差近似为(2.4)(2.5)这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽，或称为信号畸变信号畸变信号畸变信号畸变。由此可见，突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的。第19页，讲稿共100张，创作于星期日20

14、第20页，讲稿共100张，创作于星期日习题习题 第21页，讲稿共100张，创作于星期日式中，n1和n2分别为纤纤芯芯中中心心和包包层层的折射率，r和a分别为径径向向坐坐标标和纤纤芯芯半半径径，=(n1-n2)/n1为相对折射率差相对折射率差，g为折射率分布指数折射率分布指数 g g，0 0的极限条件下，式(2.6)表示突变型多模光纤突变型多模光纤的折射率分布 g g=2=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐渐变变型型多多模模光光纤纤的折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小 2.渐变型多模光纤渐变型多模光纤渐渐变变型型多多模模光光纤纤具

15、有能减减小小脉脉冲冲展展宽宽、增增加加带带宽宽的的优优点点。渐变型光纤折射率分布的普遍公式为n11-=n2ra0ran(r)=(2.6)第22页，讲稿共100张，创作于星期日由于渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数数数数值值值值孔孔孔孔径径径径不同，所以要定义局部数值孔径局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径最大数值孔径最大数值孔径最大数值孔径NANAmaxmax第23页，讲稿共100张，创作于星期日式中，为特定光线的位置矢量，s为从某一固定参考点起的光线长度。选用圆柱坐标(r,，z)，把渐变型多模光纤渐变型多模光纤的子午面(r-z)示

16、于图2.5。射线方程的解射线方程的解射线方程的解射线方程的解用几何光学方法几何光学方法几何光学方法几何光学方法分析渐变型多模光纤渐变型多模光纤渐变型多模光纤渐变型多模光纤要求解射线方程，射线方程一般形式为(2.7)图2.5渐变型多模光纤的光线传播原理第24页，讲稿共100张，创作于星期日如式(2.6)所示，一般光纤相对折射率差相对折射率差都很小，光线和中心轴线z的夹角也很小，即sin。由于折射率分布具有圆对称性圆对称性圆对称性圆对称性和沿轴线的均匀性沿轴线的均匀性沿轴线的均匀性沿轴线的均匀性，n与和z无关。在这些条件下，式(2.7)可简化为(2.8)(2.7)n11-=n2ra0ran(r)=

17、(2.6)第25页，讲稿共100张，创作于星期日解这个二阶微分方程，得到光线的轨迹光线的轨迹光线的轨迹光线的轨迹为r(z)=C1sin(Az)+C2cos(Az)(2.10)式中，A=，C1和C2是待定常数，由边界条件确定。设光线以0从特定点(z=0,r=ri)入射到光纤，并在任意点(z,r)以*从光纤射出。由方程(2.10)及其微分得到(2.9)C2=r(z=0)=riC1=(2.11)把式(2.6)和g=2代入式(2.8)得到第26页，讲稿共100张，创作于星期日由图2.5的入射光得到dr/dz=tanii0/n(r)0/n(0)，把这个近似关系代入式(2.11)得到由出射光线得到dr/d

18、z=tan*/n(r)，由这个近似关系和对式(2.10)微分得到*=-An(r)risin(Az)+0cos(Az)(2.12b)取n(r)n(0)，由式(2.12)得到光线轨迹光线轨迹的普遍公式为把C1和C2代入式(2.10)得到r(z)=ricos(Az)+(2.12a)第27页，讲稿共100张，创作于星期日 r*=cos(Az)-An(0)sin(Az)cos(Az)r1(2.13)第28页，讲稿共100张，创作于星期日由此可见，渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0，其周期=2/A=2a/，取

19、决于光纤的结构参数(a,)，而与入射角0无关。自自自自聚聚聚聚焦焦焦焦效效效效应应应应为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0,ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到(2.14a)*=0cos(Az)(2.14b)这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，见图2.5和图2.2(b)，这种现象称为自聚焦自聚焦自聚焦自聚焦(Self-Focusing)(Self-Focusing)效应效应效应效应。第29页，讲稿共100张，创作于星期日如图2.5，设在光线传播轨迹上任意点(z,r)的速度为v(r)，其径向分量径向分量径向分量径向分量那么光线从O点到P点的

20、时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟为(2.15)渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤具有自自自自聚聚聚聚焦焦焦焦效效效效应应应应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟时间延迟也近似相等。图2.5渐变型多模光纤的光线传播原理第30页，讲稿共100张，创作于星期日和突突变变型型多多模模光光纤纤的处理相似，取0=c(rm=a)和0=0(rm=0)的时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟差差为，由式(2.16)得到(2.16)(2.17)由图2.5可以得到n(0)cos0=n(r)cos=n(rm)cos0，又v(r)=c/n(r)，利用这些条件，再把式(2.6)

21、代入，式(2.15)就变成第31页，讲稿共100张，创作于星期日2.2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论的两个出发点光纤传输的波动理论的两个出发点 波动方程和电磁场表达式波动方程和电磁场表达式波动方程和电磁场表达式波动方程和电磁场表达式 特征方程和传输模式特征方程和传输模式特征方程和传输模式特征方程和传输模式光纤传输的波动理论的两个角度光纤传输的波动理论的两个角度 多模渐变型光纤的模式特性多模渐变型光纤的模式特性多模渐变型光纤的模式特性多模渐变型光纤的模式特性 单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性第32页，讲稿共100张，创作于星期

22、日式中，E和H分别为电电电电场场场场和磁磁磁磁场场场场在直角坐标中的任一分量，c为光速。选用圆柱坐标(r，z)，使z轴与光纤中心轴线一致，如图2.6所示。将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程波动方程波动方程波动方程为(2.18a)(2.18b)(2.19)1.波动方程和电磁场表达式波动方程和电磁场表达式设光纤没有损损耗耗，折折射射率率n变化很小，在光纤中传播的是角频率为的单单色色光光，电磁场与时间t的关系为exp(jt)，则标量波动标量波动标量波动标量波动方程为第33页，讲稿共100张，创作于星期日图2.6光纤中的圆柱坐标第34页，讲稿共100张，创作于星期日磁场分

23、量磁场分量磁场分量磁场分量Hz的方程和式(2.19)完全相同，不再列出。解方程(2.19)，求出Ez和Hz，再通过麦麦麦麦克克克克斯斯斯斯韦韦韦韦方方方方程程程程组组组组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场电场电场电场和磁场磁场磁场磁场。把Ez(r,z)分解为Ez(r)、Ez()和Ez(z)。设光沿光纤轴向(z轴)传输，其传输常数为，则Ez(z)应为exp(-jz)。由于光纤的圆对称性圆对称性圆对称性圆对称性，Ez()应为方位角方位角方位角方位角 的周期函数，设为exp(jv)，v为整数。现在Ez(r)为未知函数，利用这些表达式，电场z分量可以写成Ez(r,z)=Ez(r)ej(v-z)(

24、2.20)把式(2.20)代入式(2.19)得到第35页，讲稿共100张，创作于星期日式中，k=2/=2f/c=/c，和f为光的波长和频率。这样就把分析光纤中的电电电电磁磁磁磁场场场场分分分分布布布布，归结为求解贝塞尔贝塞尔贝塞尔贝塞尔(Bessel)Bessel)方程方程方程方程(2.21)。设纤芯(0ra)折射率n(r)=n1，包层(ra)折射率n(r)=n2，实际上突突突突变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤和常规单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤都满足这个条件。为求解方程(2.21)，引入无量纲参数u u,ww和V V。(2.21)第36页，讲稿共100张，创作于星期日因为光

25、光光光能能能能量量量量要要要要在在在在纤纤纤纤芯芯芯芯(0ra)(0ra)中中中中传传传传输输输输，在在在在r=0r=0处处处处，电电电电磁磁磁磁场场场场应应应应为为为为有有有有限限限限实实实实数数数数；在在在在包包包包层层层层(ra)(ra)，光光光光能能能能量量量量沿沿沿沿径径径径向向向向r r迅速衰减，当迅速衰减，当迅速衰减，当迅速衰减，当rr时，时，时，时，电磁场应消逝为零电磁场应消逝为零电磁场应消逝为零电磁场应消逝为零。根据这些特点，式(2.23a)的解应取v阶贝贝贝贝塞塞塞塞尔尔尔尔函函函函数数数数Jv(ur/a)，而式(2.23b)的解则应取v阶修正的贝贝贝贝塞塞塞塞尔函数尔函数

26、尔函数尔函数Kv(wr/a)。u2=a2(n21k2-2)(0ra)w2=a2(2-n22k2)(ra)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)利用这些参数，把式(2.21)分解为两个贝塞尔微分方程贝塞尔微分方程贝塞尔微分方程贝塞尔微分方程：(2.22)(0ra)(ra)(2.23a)(2.23b)第37页，讲稿共100张，创作于星期日因此，在纤芯纤芯纤芯纤芯和包层包层包层包层的电场电场电场电场Ez(r,z)和磁场磁场磁场磁场Hz(r,z)表达式为Ez1(r,z)(0ra)Hz1(r,z)=Ez2(r,z)Hz2(r,z)(00。如果w0，电磁场电磁场电磁场电磁场将在包层包层包层包层振荡，

27、传输模式传输模式传输模式传输模式将转换为辐射模式辐射模式辐射模式辐射模式，使能量从包层包层包层包层辐射出去。w=0(=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止模式截止模式截止模式截止。其u、w和值记为uc、wc和c，此时V=Vc=uc。对于每个确定的v值，可以从特征方程(2.26)求出一系列uc值，每个uc值对应一定的模式，决定其值和电磁场电磁场电磁场电磁场分布。第45页，讲稿共100张，创作于星期日当v=0时，电电电电磁磁磁磁场场场场可分为两类。一类只有Ez、Er和H分量，Hz=Hr=0，E=0，这类在传输方向无磁场的模式称为横磁模横磁模横磁模横磁模(波)，记为TM0。

28、另一类只有Hz、Hr和E分量，Ez=Er=0，H=0，这类在传输方向无电场的模式称为横横横横电电电电模模模模(波)，记为TE0。当v0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为混合模混合模混合模混合模(波波波波)。混合模也有两类，一类EzHz，记为HEv，另一类HzEz，记为EHv。下标v和都是整数。第一个下标v是贝塞尔函数的阶数，称为方方方方位位位位角角角角模模模模数数数数，它表示在纤芯沿方位角绕一圈电场变化的周期数。第二个下标是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序数，称为径径径径向向向向模模模模数数数数，它表示从纤芯中心(r=0)到纤纤纤纤芯芯芯芯与包层包层包层包层交界面(r=a)电场变化的半周期

29、数。第46页，讲稿共100张，创作于星期日模模模模式式式式远远远远离离离离截截截截止止止止当V时，w增加很快，当w时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止模式远离截止，其u值记为u。波动方程和特征方程的精确求解都非常繁杂，一般要进行简化。大多数通信光纤的纤芯与包层相对折射率差都很小(例如1)由HEv+1和EHv-1组成，包含4重简并。若干低阶LPv模简化的本本本本征征征征方方方方程程程程和相相相相应应应应的的的的模模模模式式式式截截截截止止止止值值值值u uc c和远远远远离离离离截截截截止止止止值值值值u u 列于表2.1，这些低阶模式和相应的V值范围列于表2.2，图2.9示出四

30、个低阶模式的电磁场矢量结构图电磁场矢量结构图电磁场矢量结构图电磁场矢量结构图。第48页，讲稿共100张，创作于星期日Uc J0(uc)=0v=1 uc 0J1(uc)=0v=0 远离截止值截止值uc 本征方程 本征方程方位角模数表表2.1 模截止值和远离截止值模截止值和远离截止值第49页，讲稿共100张，创作于星期日LP01 HE11LP11 HE21 TM01 TE01 LP02 HE12LP12 HE22 TM02 TE02LP03 HE13LP13 HE23 TM03 TE0302.4052.4053.8323.8325.5205.5207.0167.0168.6548.65410.17

31、3低阶模式低阶模式V值范围值范围表表2.2 低阶（低阶（v=0和和v=1）模式和相应的）模式和相应的V值范围值范围第50页，讲稿共100张，创作于星期日3.多模渐变型光纤的模式特性多模渐变型光纤的模式特性传输常数传输常数传输常数传输常数 多模渐变型光纤多模渐变型光纤多模渐变型光纤多模渐变型光纤传输常数的普遍公式为(2.31)式中，n1、g和k前面已经定义了，M是模式总数模式总数模式总数模式总数，m()是传输常数大于的模式数模式数模式数模式数。经计算(2.32a)(2.32b)第51页，讲稿共100张，创作于星期日由式(2.32)看到：对于突变型光纤突变型光纤突变型光纤突变型光纤，g，M=V2/

32、2；对于平方律渐变型光纤平方律渐变型光纤平方律渐变型光纤平方律渐变型光纤，g=2，M=V2/4。根据计算分析，在渐变型光纤渐变型光纤渐变型光纤渐变型光纤中，凡是径向模数径向模数径向模数径向模数 和方位角模数方位角模数方位角模数方位角模数v v的组合满足q=2+v (2.33)的模式，都具有相同的传输常数，这些简并模式称为模式群模式群模式群模式群。q称为主主主主模模模模数数数数，表示模式群的阶数，第q个模式群有2q个模式，把各模式群的简并度加起来，就得到模式数m()=q2。模式总数M=Q2，Q称为最大主模数最大主模数最大主模数最大主模数，表示模式群总数。用q和Q代替m()和M，从式(2.31)得

33、到第q个模式群的传输常数(2.34)第52页，讲稿共100张，创作于星期日光光光光强强强强分分分分布布布布多多多多模模模模渐渐渐渐变变变变型型型型光光光光纤纤纤纤端面的光光光光强强强强分分分分布布布布(又称为近场)P(r)主要由折折折折射射射射率率率率分分分分布布布布n(r)n(r)决定，(2.35)式中P(0)为纤芯中心(r=0)的光强，C为修正因子。第53页，讲稿共100张，创作于星期日4.单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性单模条件和截止波长单模条件和截止波长单模条件和截止波长单模条件和截止波长从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止模

34、式截止模式截止模式截止，模式数目模式数目模式数目模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模基模基模基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件单模传输条件单模传输条件单模传输条件为V=2.405或c=由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临临临临界界界界波波波波长长长长cc，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为截截截截止止止止波波波波长长长长。由此得到(2.36)第54页，讲稿共100张，创作于星期日 光强分布和模场半径光强分布和模场半径光强分布和模场半径光强分布和模场半径

35、通常认为单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤基模HE11的电磁场分布近似为高斯分布高斯分布高斯分布高斯分布式中，A为场的幅度，r为径向坐标，w0为高斯分布1/e点的半宽度，称为模场半径模场半径模场半径模场半径。实际单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤的模模模模场场场场半半半半径径径径w0是用测量确定的，常规单单单单模模模模光光光光纤纤纤纤用纤芯半径a归一化的模模模模场场场场半半半半径径径径的经验公式为(r)=Aexp(2.37)0.65+1.619V-1.5+2.879V-6=0.65+0.434+0.0149(2.38)w0/a与V(或/c)的关系示于图2.10。图中是基模HE11的注入效率注入效率

36、注入效率注入效率。由图可见，在3V1.4(0.8/c96%。第55页，讲稿共100张，创作于星期日图2.10用对LP01模给出最佳注注注注入入入入效效效效率率率率的高斯场分布时，归一化模模模模场场场场半半半半径径径径w0/a和注入效率与归一化波长/c或归一化频率V的函数关系第56页，讲稿共100张，创作于星期日2.3.1 光纤的损耗 光波在光纤中传输，随着传输距离的增加，而光功率强度光波在光纤中传输，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，称为逐渐减弱，光纤对光波产生衰减作用，称为光纤的损耗光纤的损耗 。即便是在理想的光纤中都存在损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗本征

37、损耗。本征损耗。光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于：光纤的损耗限制了光信号的传播距离。光纤的损耗主要取决于：1.1.吸收损耗吸收损耗2.2.散射损耗散射损耗3.3.弯曲损耗（辐射损耗）弯曲损耗（辐射损耗）2.32.3光纤的传输特性光纤的传输特性57第57页，讲稿共100张，创作于星期日吸收损耗v原子缺陷吸收：原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成。由于光纤材料的原子结构的不完整造成。v非本征吸收：非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子由过渡金属离子和氢氧根离子(OHOH)等杂质对光等杂质对光的吸收而产生的损耗。的吸收而产生的损耗。v本征吸收损耗：本征吸收损耗：由制

38、造光纤材料本身由制造光纤材料本身 (如如SiOSiO2 2)的特性所决定，的特性所决定，包括紫外吸收、红外吸收包括紫外吸收、红外吸收。即便波导结构非常完美而且材料不含。即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收。任何杂质也会存在本征吸收。58第58页，讲稿共100张，创作于星期日原子缺陷吸收 在光纤的制造过程中光纤材料受到某种在光纤的制造过程中光纤材料受到某种热激励热激励造成结构的造成结构的不完善或在使用时暴露在强粒子的不完善或在使用时暴露在强粒子的光辐射光辐射下将会发生某个共价下将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时晶格很容易在光场的作用下产生键断裂而产生原子缺陷，此时晶格

39、很容易在光场的作用下产生振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为振动，从而吸收光能，引起损耗，其峰值吸收波长约为630 630 nmnm左右。左右。1 rad(Si)=0.01 J/kg59第59页，讲稿共100张，创作于星期日非本征吸收 原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较强的非本原材料将在光纤的制造过程中引入杂质，带来较强的非本征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、征吸收。有害杂质主要有过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等金属离子和锰、铬等金属离子和OHOH。OHOH吸收峰吸收峰解决方法：解决方法：(1)(1)对制造光纤的材料进行严格对制造光纤的材料进行严

40、格的的化学提纯化学提纯，比如材料达到，比如材料达到99.9999999%99.9999999%的纯度的纯度(2)(2)制造工艺制造工艺上改进，如避免上改进，如避免使用氢氧焰加热使用氢氧焰加热(汽相轴向沉积汽相轴向沉积法法)60第60页，讲稿共100张，创作于星期日本征吸收(1)(1)紫外吸收紫外吸收 光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激发光纤中传输的光子流会将光纤材料中的电子从低能级激发到高能级，同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。该损到高能级，同时光子流中的能量被电子吸收而引起损耗。该损耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。耗与光纤中非晶体材料的带隙相关。(2)(2)红外吸收红外吸

41、收 由于光纤中传播由于光纤中传播的光波与晶格相互作的光波与晶格相互作用时，一部分光波能用时，一部分光波能量传递给晶格，使其量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起振动加剧，从而引起的损耗。的损耗。z晶格晶格光传播方向光传播方向kEx61第61页，讲稿共100张，创作于星期日光纤吸收损耗曲线掺GeO2的低损耗、低OH含量石英光纤OH0.154 dB/km几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较几种掺杂成分不同的光纤的损耗比较62第62页，讲稿共100张，创作于星期日散射损耗 光纤中由于密度不均、折射率的变化以及结构上的不完善，会发生散射现象。光纤中由于密度不均、折射率的变化以及结构上的不完善，会发生散射现象

42、。v瑞利散射：瑞利散射：尺度小于光波长的材料密度的不均匀对入射光产生的本征散射，短波尺度小于光波长的材料密度的不均匀对入射光产生的本征散射，短波长的光容易发生这种散射长的光容易发生这种散射 造成原因造成原因 分子密度分布不均匀；掺杂分子导致折射率不均匀分子密度分布不均匀；掺杂分子导致折射率不均匀v波导散射：波导散射：由波导缺陷导致的散射由波导缺陷导致的散射 造成原因造成原因 纤芯和包层的界面不完整、圆度不均匀以及残留气泡和裂痕等引起的散射（目纤芯和包层的界面不完整、圆度不均匀以及残留气泡和裂痕等引起的散射（目前的制造工艺基本可以克服波导散射）前的制造工艺基本可以克服波导散射）本征散射和本征吸收

43、一起构成了损耗的理论最小值本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值63第63页，讲稿共100张，创作于星期日产品级典型的光纤损耗谱多模光纤的损耗大于单模光纤：多模光纤的损耗大于单模光纤：-为获得较大的数值孔径，多模光纤中掺杂的浓度高为获得较大的数值孔径，多模光纤中掺杂的浓度高-由于纤芯由于纤芯-包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤64第64页，讲稿共100张，创作于星期日弯曲损耗宏弯：宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲微弯：微弯：光纤轴线产生微米级的高频弯曲光纤轴线产生微

44、米级的高频弯曲高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模高阶模比低阶模容易发生宏弯损耗，因此有时可用弯曲的办法滤掉高阶模消逝场消逝场q qq qq q q qcq qRCladdingCore场分布场分布宏弯：宏弯：当曲率半径减小时，当曲率半径减小时，辐射损耗呈指数增加辐射损耗呈指数增加65第65页，讲稿共100张，创作于星期日微弯损耗微弯的原因：微弯的原因：光纤的生产过程中的带来的不均光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：导致的后果：造成能量辐射损耗造成

45、能量辐射损耗高阶模功率损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模低阶模功率耦合到高阶模减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套减小微弯的一种办法是在光纤外面一层弹性保护套66第66页，讲稿共100张，创作于星期日宏弯和微弯对损耗的附加影响弯曲损耗随模场直径增加显著增加弯曲损耗随模场直径增加显著增加光纤弯曲带来额外损耗光纤弯曲带来额外损耗宏弯损耗宏弯损耗微弯微弯损耗损耗基本损耗基本损耗 增加，增加，V减少减少67第67页，讲稿共100张，创作于星期日光纤损耗的计算 前面的讨论说明多种导致光纤损耗的原因。一般来说光信号在前面的讨论说明多种导致光纤损耗的原因。一般来说光信号在光纤中传播的时候，其功

46、率随距离光纤中传播的时候，其功率随距离 L L 的增加呈指数衰减：的增加呈指数衰减：那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的那么，评价光纤损耗特性可以通过损耗系数来衡量。光纤的损耗系数定义为：损耗系数定义为：其中其中L为光纤长度，为光纤长度，Pin和和Pout分别为输入和输出光功率。一般标分别为输入和输出光功率。一般标准单模光纤在准单模光纤在1550 nm的损耗系数为的损耗系数为0.2 dB/km。68第68页，讲稿共100张，创作于星期日第二传输窗口第二传输窗口第一传输窗口第一传输窗口1300130015501550850850紫外吸收紫外吸收红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射0.

47、20.22.52.5损损 耗耗 (dB/km)(dB/km)波波 长长 (nm)(nm)OHOH离子吸收峰离子吸收峰第三传输窗口第三传输窗口在在1.551.55 m m处处最小损耗约最小损耗约为为0.20.2dB/kmdB/km常用单模光纤的损耗69第69页，讲稿共100张，创作于星期日2.3.2光纤的色散光纤的色散色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，引起的信号失真色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，引起的信号失真色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，引起的信号失真色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，引起的信号失真，最终影最终影最终影最终影响通信距离和容量。响通信距离和容量。响通信距离和容量。响通信距离和容量。

48、70第70页，讲稿共100张，创作于星期日模内色散模内色散 (群速率色散群速率色散/波长色散波长色散)-材料色散材料色散n(n()折射率随频率变化折射率随频率变化折射率随频率变化折射率随频率变化：每种光源都有一定的谱宽，而光纤材料对每种光源都有一定的谱宽，而光纤材料对不同的频率成分的折射率不同，从而不同的频率成分在光纤中传播的群速度不同。不同的频率成分的折射率不同，从而不同的频率成分在光纤中传播的群速度不同。-波导色散波导色散 ()传播常数随频率传播常数随频率传播常数随频率传播常数随频率：信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度，从而导致

49、色散。它的大小取决于波导尺寸和纤芯包层的折射率差。同的传播速度，从而导致色散。它的大小取决于波导尺寸和纤芯包层的折射率差。模间色散：模间色散：不同传播模式在光纤中具有不同的传播路径和速率，造成模间色散。不同传播模式在光纤中具有不同的传播路径和速率，造成模间色散。（仅限（仅限于多模光纤）于多模光纤）偏振模色散：偏振模色散：环境因素造成光不同偏振态的传播时延差。环境因素造成光不同偏振态的传播时延差。色散类型：71第71页，讲稿共100张，创作于星期日模内色散fA(1)(1)光源输出都有一光源输出都有一定的谱宽定的谱宽 1 2 3 1 2 3(2)(2)单模光纤中传播模单模光纤中传播模80%80%能

50、量在纤芯能量在纤芯 20%20%能量在包层能量在包层色散的直接后果是色散的直接后果是产生码间干扰，给产生码间干扰，给信号的最后判决造信号的最后判决造成困难成困难72第72页，讲稿共100张，创作于星期日群速率色散(GVD)信号分量的群速率是频率信号分量的群速率是频率/波长的函数：波长的函数：即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L L，频率分量，频率分量w w经历的延时为：经历的延时为：假设输入脉冲的谱宽假设输入脉冲的谱宽D Dw w不太宽，那么脉冲展宽的多少可以由下式不太宽，那么脉冲展宽的多少可以由下式决定：决定：GVD 参数参数73