第2章光纤与光缆.ppt

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1、232.1 2.1 光纤概述光纤概述2.2 2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性2.4 2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤几种常用于光纤通信系统的光纤章内容章内容4n光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性，任何信号均能以相同速度任何信号均能以相同速度无损无畸变无损无畸变地传输。地传输。n但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在但实际光纤通信系统中所

2、用的光纤都存在损耗损耗和色散和色散，当信号强度较高时还存在，当信号强度较高时还存在非线性非线性。n？在实际系统中，在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输光信号到底如何传输？其传输特性、传输能力究竟如何？特性、传输能力究竟如何？本章讨论的要点。本章讨论的要点。要点要点5 光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode,LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置

3、使用光敏元件检测脉冲。6 通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯的直径是15m50m，大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8m10m。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加一

4、保护层。7光纤的构造光纤的构造纤芯：高纯度纤芯：高纯度SiOSiO2 2+掺杂剂如掺杂剂如GeOGeO2 2等，等，2a2a：950950m m包层：高纯度包层：高纯度SiOSiO2 2+掺杂剂如掺杂剂如B B2 2O O3 3，2b2b：125 125 m m 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙纤芯纤芯和和包层包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。行不同的掺杂来实现。n纤芯掺入纤芯掺入GeGe和和P P 折射率折射率 n包层掺入包层掺入B B 折射率折射率 2.1 光纤概述光纤概述81

5、.根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：不同的折射率分布，传输特性完全不同不同的折射率分布，传输特性完全不同光纤的分类光纤的分类9三种主要类型光纤的比较三种主要类型光纤的比较10 阶跃型：阶跃型：光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输光纤的纤芯折射率高于包层折射率，使得输入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。入的光能在纤芯一包层交界面上不断产生全反射而前进。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。这种光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变

6、的，只有一个台阶，所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突所以称为阶跃型折射率多模光纤，简称阶跃光纤，也称突变光纤。变光纤。这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一这种光纤的传输模式很多，各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生时延差，使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频使光脉冲受到展宽。所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯，比如：工控。但单模光纤由于模间色散于短途低速通讯，比如

7、：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的很小，所以单模光纤都采用突变型。这是研究开发较早的一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。一种光纤，现在已逐渐被淘汰了。11 为了解决阶跃光纤存在的弊端，人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤，简称渐变光纤。12渐变型光纤：渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模变小，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。现在的多模

8、光纤多为渐变型光纤。渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为渐变光纤的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半均匀的。渐变光纤的纤芯折射率中心最大，沿纤芯半径方向逐渐减小。径方向逐渐减小。由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率由于高次模和低次模的光线分别在不同的折射率层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，层界面上按折射定律产生折射，进入低折射率层中去，因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐因此，光的行进方向与光纤轴方向所形成的角度将逐渐变小。渐变小。13 同样的过程不断发生，直至光在某一折射率同样的过程不断发生，直至光在某一折射率层

9、产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折层产生全反射，使光改变方向，朝中心较高的折射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向射率层行进。这时，光的行进方向与光纤轴方向所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其所构成的角度，在各折射率层中每折射一次，其值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。值就增大一次，最后达到中心折射率最大的地方。在这以后。和上述完全相同的过程不断重复在这以后。和上述完全相同的过程不断重复进行，由此实现了光波的传输。可以看出，光在进行，由此实现了光波的传输。可以看出，光在渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目渐变光纤中会自觉地进行调整，从而最终到达目的地，这叫做自聚焦

10、。的地，这叫做自聚焦。142、从材料角度分、从材料角度分:按照材料分，按照材料分，有有石英系光纤、多组分玻璃光石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤光纤等。等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。它的特点是传输波长范围宽，数值孔径大、芯径较大，机械强度大、弯曲性能好，容易与光源的耦合。因此在工业和医学领域的激光通信中得到广泛应用。15 塑料光纤塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。它的特点是制造成本低廉，接续简单，易于弯曲

11、，施工容易。造成本低廉，接续简单，易于弯曲，施工容易。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。舶内通信等。16 光纤的工作波长有短波长0.80.9m、长波长1.31.6m、超长波长光纤2m以上。光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85m的损耗为2.5dB/km,1.31m的损耗为0.35dB/km，1.55m的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65m以上的损耗趋向加大。由于氢氧根离子（OH）的吸收作用，0.901.30m和1.341.5

12、2m范围内都有损耗高峰，这两个范围未能充分利用。80年代起，倾向于多用单模光纤，而且先用长波长1.31m。3、按光纤的工作波长分：、按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。17常用光纤规格 单模：8/125m，9/125m，10/125m 多模：50/125m 欧洲标准 62.5/125m 美国标准 工业，医疗和低速网络：100/140m，200/230m 塑料光纤：98/1000m 用于汽车控制。184、按传输模式分：单模光纤和多模光纤。（1）多模光纤）多模光纤(Multi Mode Fiber)理论上讲，当光的传输媒体，即纤芯直径较大

13、远大于光波波长时，光将从不同的位置，以各种不同的角度进入媒体，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。每一个角度都定义了一条路径或一种模式，以这种方式传输光波的光纤称为多模光纤。19多模光纤：中心玻璃芯较粗多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或或62.5m)，包层外直径包层外直径125m，可传多种模式的光。但其模间，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光的光纤在纤在2KM时则只有时则只有300MB的带宽了。因此，多模的带宽了。因此，多模光

14、纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。20（2）单模光纤）单模光纤(Single Mode Fiber)在多模光纤中，光波以有限的模式向前在多模光纤中，光波以有限的模式向前传播，模式的具体数目是由纤芯所用媒体的传播，模式的具体数目是由纤芯所用媒体的直径和光的波长决定的。减少纤芯的直径可直径和光的波长决定的。减少纤芯的直径可以降低光线撞击边界面的角度数目，即模式以降低光线撞击边界面的角度数目，即模式数目减少了。如果纤芯直径减少到一定程度，数目减少了。如果纤芯直径减少到一定程度，光纤内将只有一种模式传播的光波，这就是光纤内将只有一种模式传播的光波，这就是单模

15、光纤（单模光纤（Single Mode FiberSingle Mode Fiber），），21单模光纤：中心玻璃芯很细单模光纤：中心玻璃芯很细(芯径一般芯径一般为为9 9或或10m)10m)，包层外直径，包层外直径125m125m，只能传，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。22 后来又发现在后来又发现在1.31m1.31

16、m波长处，单模光纤的材波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这就是说在相等。这就是说在1.31m1.31m波长处，单模光纤的总波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31m1.31m处正处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31m1.31m波长波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。1.31m1.31m常规单模光纤常规单模光纤的主要参数是由国际电信联的主要参数是由国际电信联盟盟ITUITUT T在在G652G652建议中确定的，因此这种光纤又建议中确定的，因此这种光纤又称称G652G652光纤光纤。23 我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很我们知道单模光纤没有模式色散所以具有很高的带宽，那么如果让单模光纤工作在高的带宽，那么如果让单模光纤工作在1.55m1.55m波波长区，不就可以实现高带宽、低损耗传输了吗？长