光纤通信课件

m
t L
2

0 d n
2
c d0
2
0
或
Dm
m 0

0 d n
c d0
2
,可测量得到的参数。
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3．光纤的材料色散
（4）数例 a.在短波长段（λ =0.84μ m） LED：谱宽 Δλ 0= 3.5× 10-8m，则 LD ：谱宽Δλ 0= 10-9 m，则
m 3 . 5 ns / Km ；
n2 ( n0 )
n1 (n2 )
折射角 1 临界入射角
C
临界角 全反射受导射线
0 max
受导射 线区域
非受导 射线区
n 0 sin 0 n 1 sin 1
sin 0 n 1 sin(


2
C ) n1 1 n 2 n1

2

1 2
n1

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2.色散的影响
（1）矩形数字脉冲经信道传输后变成高斯形或高斯形 脉冲变成更宽的高斯形脉冲都会判决错误造成误码或 造成码间干扰后造成误码。 （2）光纤的色散可等效为信道宽度或传输容量的限制 造成脉冲展宽。 （3）光纤色散主要包括三种机理：材料色散、波导色 散、模式色散。
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3．光纤的材料色散

虽可用减少NA的方法减小模式色散，但光信号能 量耦合减小。现多用渐变折射率分布方法。
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5．光纤的模式色散（模间色散）

用几何光学观点看，高阶模式相当于在光纤中长路 径传输，低阶模式在光纤中短路径传输。已知光信 号群速度与折射率成反比：
c n1
故而合适的径向折射率分布光纤，即当n1的分布为 里面大外面小时，不同模式群速度等效传输路径 不同时，将会长路径射线传输快，短路径传输慢， 减小了时间差，模式色散影响减小。
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5．光纤的模式色散（模间色散）

折射率沿径向r的分布函数一般表达式：
r n ( r ) n 1 1 2 a

1/2
其中，n1为纤芯最大折射率，a为纤芯半径，Δ 为相 对折射率差，α 为折射率分布系数，r为径向半径。
α =1三角形分布；α =2抛物线分布；α =∞ 阶跃分布
i）基本呈“U”字形，有杂质 吸收多峰，光纤通信选择了 最低谷段； ii）在0.85m、1.31m、 1.55m有最低损耗，形成3个 低损耗窗口。 iii）现代技术减小杂质和OH 根离子吸收后，形成光滑U字 形，称“全波光纤”。
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3．瑞利散射损耗（Rayleigh Scatter）
（1）目前认为，在减小杂质损耗后，瑞利散射是最主 要的损耗。 （2）瑞利散射是指光由散射中心向四方均匀散射的情 况。当光纤中存在与波长可比拟或小于波长的组分和 密度不规则区域时，造成瑞利散射损耗。

渐变型（梯度型） 光纤（GI，Graded Index）

5
2.光纤传输特性的分析方法
（1）建立在几何光学基础上的射线分析法：简单、 直观，可提供清晰直观的多模光传输的物理图象。 将每一模式描述为与Z轴成一定角度传输的光射线， 而不同模式对应不同的角度。 （2）建立在波动光学基础上的模式分析法：复杂， 但可提供特别是单模光纤传输状况的更精细描述。 基本方法为用麦克斯韦方程组求解单模光波导。
（3）现已证明，瑞利散射损耗与4成反比： RS
A
4
B
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4．微弯损耗 及其它损耗

微弯损耗
当光纤存在微弯时，如成缆和使用不良时，引 起散射造成损耗，基本属于瑞利散射损耗。

其它损耗
（1）拉丝效应损耗：拉丝速度、温度、材料不 同，损耗不同。 （2）外射线辐射损耗：核射线损耗(如β 、γ 射 线 )。
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2.1光纤的基本传输特性
一、概述（光纤的基本结构、分析方法及 传输特性 ） 二、光纤的传输原理及基本参数 三、光纤的传输损耗 四、光纤的色散
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1.色散的起因
由于光源发出的并不是单色光，同时调制信号有 一定的带宽，送进光纤的并不是单色光。

光纤中的信号能量是由不同的频率成分和模式构 成的，它们有不同的传播速度，从而引起比较复 杂的色散现象。
（1）因光纤对不同波长折射率不同[n=n(λ )]，从而 波速不同（υ =c/n），造成的脉冲展宽效应。
（2）对实用光源，总有一定发光谱宽度。IM调制后的 光脉冲可视为各光谱分量均受到脉冲调制，即光脉冲 是各谱分量的组合，但各分量波速不同，到达传输终 点时间不同，造成脉冲展宽。

（3）材料色散系数：
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5．光纤的模式色散（模间色散）

分析得到，α =2的抛物线分布最佳，现渐变光纤常 用。经推导，α =2的多模渐变光纤的模式色散系数 理论值为：


g

t L

5 6

2
n1 c
或

5
1
3
NA 4
64 n 1 c
实际光纤比理论值大些，为：

g

1 8 n1 c
3
NA 4

数例
当n1 =1.5，Δ =0.01时，则▽ g= 62.5ps/Km （很 小 ） 。 相 当 于 ： 当 L=10Km 时 ， 最 高 工 作 码 速 率 1600Mb/s，比阶跃多模光纤的2Mb/s大得多。

如光纤中传输的模式不止一个，则叫做多模光纤。多模 光纤标准尺寸为125/50、125/62.5、140/100等。

4
1.光纤(Optical fiber)的基本结构
（3）光纤折射率分布

折射率必须满足n1> n2（光密→光疏媒质）。 光纤折射率分布有十多种，最常用和最基本的分布为:

阶跃型光纤（SI， Step index）
2

n1 n 2 n1
为纤芯与包层的“相对折射率差”。
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2.光纤端面的耦合条件

最大接收角：受导射线的临界状态端面入射角 0
数值孔径：
数例
sin max n 1
max



2 NA



光纤通信用光纤的NA：0.18-0.240.02,相应的 θ max:9°-15° ,即最大接收圆锥角2θ max:18°-30°； 非通信用，如能量耦合为主光纤的NA可增加到0.5。
光在阶跃型光纤中的传播途径
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1.阶跃（SI）光纤的全反射传输原理
（2）全反射

临界角 C ：
n 1 sin C n 2 sin

2

纤内全反射传输条件： ①n1>n2光由光密射向光疏媒质； ②θλ>θC入射角大于临界角; ③射线在光纤子午面内。
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2.光纤端面的耦合条件
端面
n0 1
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1.阶跃（SI）光纤的全反射传输原理 （1）子午线和斜射线
光纤中的射线：(a)子午线；(b)斜射线
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1.阶跃（SI）光纤的全反射传输原理 （2）全反射
包层n2
非受导折线进入包层，渐逝光
C
纤芯n1 ( n2 )
C 受导
全反射 全反射 渐逝光
C 非受导
临界线（临界角） sin C n2 / n1
（1）光纤主要由三层组成：纤芯、包层及护套。
光纤的中心区域称为 纤芯 ，其材料为SiO2， 折射率为n1，直径为 2a； 周边区域称为 包层 ， 其材料为SiO2，折射 率为n2，直径为2b； 包层外起结构保护作 用的为 护套 （涂敷层， 套层），其材料为树 酯或SiO2。
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1.光纤(Optical fiber)的基本结构
（2）光纤对光本征吸收来源之一 ：材料中原子跃迁 电荷转移造成吸收，吸收峰在紫外谱段（0.16m） ， 吸收曲线尾巴在通信谱段。 （3）来源之二：材料中分子振动造成的吸收，吸收峰 在红外谱段（8～12m），脱尾也在通信谱段。 （4）本征吸收谱为“U”字形。
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2．杂质吸收
材料中的金属离子（铁、铜、钒、钴、铬、镍等）、氢 氧根离子的离子跃迁造成光吸收。即使各杂志含量很少，也 在通信谱段形成各自的吸收峰。 本征和杂质吸收造成光纤有典型的基本吸收谱：
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5．光纤的模式色散（模间色散）
（3）模式色散造成的脉冲展宽取决于最快、最慢模式 传输的时间差Δ t。已导出（可用几何光学方法），模 式色散系数为：

s
t L

n1 c
或

1 2 n1c
( NA )
2
（4）数例
当 n1 = 1 . 5 ， Δ =0.01 时 ， 则 ▽ s=50ns/Km。 相 应 的 当 L=10Km时，最高工作码速率fbmax=2Mb/s。 （5）渐变折射率（GI）光纤：
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3.光纤主要传输特性
（1）损耗：光波损耗是限制无中继通信距离 的重要因素之一； （2）色散：光纤的色散引起传输信号的畸变， 使通信质量下降，从而限制了通信容量和通 信距离。
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2.1光纤的基本传输特性
一、概述（光纤的基本结构、分析方法及 传输特性 ） 二、光纤的传输原理及基本参数 三、光纤的传输损耗 四、光纤的色散
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7．模间耦合变换的影响和扰模
（1）实际光纤中存在模式间的耦合变换，在经过一定长度 后才能建立稳态的导模传输。模式结构变化的原因：

多模光纤中，高阶模式比低阶模式衰减大，传 输中模数减小。
光纤不可能是理想圆介质波导，不均匀性使各 阶模式间耦合变换。
（2）考虑到上述二物理现象，实际光纤色散造成脉冲展宽 公式中，用“特征长度”（有效长度） L′代替L。 对短光纤：L′=L； 对长光纤： L′=Lγ 。 γ 为“带宽距离指数”，γ =0.5～0.9（常用0.7）。
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7．模间耦合变换的影响和扰模
（3）扰模 随着光纤轴向均匀性的差异和光纤所处的状态不同， 达到平衡模分布的长度也不一样，一般可从几百米到几千 米不等。为了传输线路上光纤中是稳态模式和减少不稳态 模式的光纤长度，采用光纤扰模器。常用的类型有柱状扰 模器和SGS（阶跃－梯度－阶跃）光纤型扰模器。
m 0 . 1 ns / Km
。
b.在长波长段（λ =1.3μ m）
因材料色散系 数Dm接近零，故 对任何光源得 材料色散均近 于零。这是使 用 长 波 长 1.3μ m的最大 优点。
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4．光纤的波导色散
（1）同一模式的相位常数β随波长λ而变，从而引起的 色散称为波导色散。
（2）波导色散的大小可以和材料色散相比拟，在感兴趣 的波长区域内，波导色散均为负值。其幅度由纤芯直径 2a 、相对折射率差Δ 及剖面 形状等决定。一般讲，纤芯 愈小， Δ 愈大，波导色散也愈负。
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6．单模光纤的零色散区
（1）单模光纤中为单一模式，无模式色散，只有材料 色散和波导色散，故而色散低，带宽（容量）大。 （2）在长波长区域， 材料色散和波导色散 分别可出现正、负值， 在λ =1.31μ m处可对 消为零。 （3）在光纤通信谱段0.8~1.6μ m中，1.55μ m是最低损耗 窗口，而1.31μ m是零色散区。故而改变波导色散值，使 零色散区移至1.55μ m，形成在1.55μ m最低衰减和色散， 为“色散移位”光纤。
（2）按传输模式的多少，光纤分为单模光纤和多模光纤 所谓模式是指能够独立存在的电磁场的场结构形式，许 多模式的线性组合构成了光波导中总的场分布。

一个模式，实际上是光波导的光场沿横截面分布的一种 场图。从几何光学角度看，每一个模式是与z轴成一定角 度传输的光束相联系的，不同的模式对应不同的角度。

当光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤 的纤芯直径极小，其标准尺寸为125/7~9μ m；

NA的影响
NA↗：耦合进光纤的能量↗ 模式加多→等效的带宽↘→容量↘
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Hale Waihona Puke Baidu
2.1光纤的基本传输特性
一、概述（光纤的基本结构、分析方法及 传输特性 ） 二、光纤的传输原理及基本参数 三、光纤的传输损耗 四、光纤的色散
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1.材料的本征吸收
（1）通信光纤以SiO2 为基础材料，人为微量掺杂GeO2、 P5O2、B2O3、F2 等。以MCVD法等将气态材料沉积收缩为 光纤预制棒、拉丝、涂敷制成。
（3）在一定波长范围内，波导色散与材料色散具有相反 的符号。改变光纤的折射率发布和剖面结构参数，可以改 变波导色散的值，从而在所希望的波长上实现总零色散。 （4）多模系统中，模式占主要地位，波导色散可忽略； 而单模系统中，无模式色散，波导色散必须考虑。
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5．光纤的模式色散（模间色散）
（1）多模光纤通信系统中，光纤中光信号以多种模式 传输。 （2）光信号中不同模式的光有不同的纤中群速度，造 成色散（展宽）。
第二章 光纤通信的传输媒质—光纤
• • • • 2.1光纤的基本传输特性 2.2单模光纤 2.3光缆 2.4光纤技术的发展
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2.1光纤的基本传输特性
一、概述（光纤的基本结构、分析方法及 传输特性 ） 二、光纤的传输原理及基本参数 三、光纤的传输损耗 四、光纤的色散
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1.光纤(Optical fiber)的基本结构