《光纤通信》第二章讲课提纲

《光纤通信》第二章光纤光缆讲课提纲。

浙江传媒学院陈柏年。

一、光纤（fibel）：圆柱形介质光波导，作用是引导光能沿着轴线平行方向传输。

1、导光波（guided w**e）：光纤中携带信息、由纤芯和包层的界面引导前进的光波。

2、光纤的传导模：在光纤中既满足全反射条件又满足相位一致条件的光线束。

3、光纤的三层结构：（1）纤芯（core），（2）包层（coating），（3）涂覆层（jacket）：包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。

纤芯折射率为n1，包层折射率为n2，纤芯包层相对折射率差

4、光纤的分类：有多种分类的方法。

1）按照光纤截面折射率分布：sif（小容量、短距离，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传输），gif（中等容量、中等距离，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输）、双包层光纤（色散平坦光纤dff、色散移位光纤dsf）、三角芯光纤（非零色散长距离光纤）；

2）按照光纤中传输模式数量：mmf，smf（光线以直线形状沿纤芯轴线方向传输）；

3）按照按光纤的工作波长：短波长（850 nm）光纤，长波长（1310 nm、1550 nm）光纤；

4）按套塑（二次涂覆层）：松套光纤，紧套光纤。

二、光的两种传输理论。

一）光的射线传输理论

1、几何光学方法：基于射线方程，依据光线的斯奈耳反射定律和折射定律，研究光线的运动轨迹。

2、光纤的几何导光原理：光纤是利用光的全反射特性导光；

3、突变型折射率多模光纤主要参数：

1）光线轨迹：限制在子午平面内传播的锯齿形折线。光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。

2）光纤的临界角θc：只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内的光束才能在光纤中传播。

3）数值孔径na：入射媒质折射率与最大入射角（临界角）的正弦值之积。与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。

它表示光纤接收和传输光的能力， na通常为0.18～0.23。

4）光纤的时延差时延差大，则造成脉冲展宽和信号畸变，影响光纤的容量，模间色散增大。

4、渐变型折射率多模光纤主要参数：

1）光线轨迹：限制在子午平面内传播的周期曲线。轨迹曲线在光纤端面投影线仍是过园心的直线，但一般不与纤壁相交。

2）自聚焦效应：如果折射率分布恰当，有可能使不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输，同时达到光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期。

3）光纤的时延差δτ：比突变型光纤要小，减小脉冲展宽，增加传输带宽。

二）光纤波动传输理论。

1、波动光学方法：基于光纤波导中的电磁场方程，依据边界条件，研究光波的模式分布。

2、光纤模式：波导结构的固有电磁共振属性的表征。满足边界条件的电磁场波动方程的解，光纤中电磁场的稳态分布。

表示光纤中电磁场（传导模）沿光纤横截面的场形分布和沿光纤纵向的传播速度。一个满足电磁场方程和边界条件的电磁场结构。

光纤模式基本特征：

1）每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波；

2）每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件；

3）每一个模式具有确定的相速群速和横场分布；

4）光纤中光的传播常数决定电磁场分布形式（模式）；光纤中可能存在的模式有横电模te、横磁模tm及混合模he和eh等四套模式。

3、光纤的归一化工作参数：v2＝u2+w2

1）径向归一相位常数u：反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率；

2）径向归一衰减常数w：反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度，其值越大衰减越快。

3）归一化频率v：涉及光纤结构、工作波长和模式数目等诸多特性的重要综合参数，它是一个直接与光的频率成正比的无量纲的量，定量表示了光纤支持横模的能力。

4、色散曲线：根据本征值方程式，利用数值计算得到各导模传播常数β与光纤归一化频率v值的关系曲线。

1）“模式截止”：光纤包层**现辐射模，纤芯中导波模截止；

2）“远离截止”：光纤包层中不出现辐射模，导波模紧紧束缚于纤芯中很好传输。

3）模式中下角标含意：第一下标称为方位角模数，它表示纤芯沿方位角绕一圈电场变化的周期数；第二下标称为径向模数，表示从纤芯中心到纤芯与包层交界面电场变化的半周期数。

4）“弱导光纤”：纤芯与包层相对折射率差很小（δ<0.01）的光纤。

5）“线偏振模（lp）”：将弱导条件下传播常数相等的多个模式简并概括起来而得到的简化分析模式。场的横向分量线偏振，且远大于纵向分量。

6）模式数量：，g为纤芯的折射率分布参数。

三、单模光纤smf：只能传播一种模式（基模）的光纤。

1、单模传输条件（截止条件）：

当v<2.405时，光纤中传播的只有唯一he11(lp01)一个基模存在（由两个偏振态简并而成），其余模式全部截止。

2、截止波长λc：光纤中光不能传播的最短波长。只有当λ>λc时，光纤中才是单模传输。

3、模场直径w0：纤芯中径向场分布曲线中心轴处最大值的1/e处所对应的径向宽度。

4、单模光纤的类型：

1）g.652光纤（std常规单模光纤／标准单模光纤）：零色散波长1310nm，工作波长1310 / 1550nm。

2）g.653光纤（dsf色散位移光纤）：零色散波长1550nm，工作波长1550nm，单信道长距离传输。

3）g.654光纤（截止波长光纤／低损耗光纤）：零色散波长1310nm，工作波长1550nm损耗最小，长距离无再生海底光缆系统。

4）g.655光纤（nz-dsf非零色散位移光纤）：1550nm最小损耗，色散较小，波分复用系统。

5）dff色散平坦光纤：1310 ~ 1550 nm波长范围内呈现低的色散，尤其适用于波分复用系统。

6）dcf色散补偿光纤：补偿常规光纤工作于1310 nm或1550 nm处所产生的较大的正色散。

四、光纤传输特性。

一）光纤色散。

1、色散：不同的电磁波以不同的相速度和群速度在介质中传播的物理现象，是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。

2、色散影响：造成光信号传输波形的失真（畸变）。时域造成脉冲展宽，频域限制传输带宽。

3、色散系数d：单位波长间隔（1纳米）的光经单位距离（1公里）光纤后的时延值。

4、光纤色散种类。

1）模间色散：不同模式的相移常数不同。

2）材料色散：光纤材料折射率随传输光波波长而变化。

3）波导色散：光纤波导参量的不同形成信号波长范围内不同的群时延差。

材料色散、波导色散合称为色度色散。

二）光纤损耗。

1）损耗系数α：单位距离（1公里）光信号能量衰减的分贝值。

2）光纤损耗的机理。

吸收损耗：粒子吸收传导光的能量。

散射损耗：非传播方向上的散射造成传导光失去能量。

辐射损耗：微弯曲所产生的光辐射造成传导光能量损失。

3）光纤的三个低损窗口：850nm、1310 nm、1550 nm。

五、光缆。1、光缆基本结构：缆芯（芯线和加强件）和护层（对缆芯的机械保护和环境保护）。

2、光缆结构分类：

1）层绞式：把松套光纤绕在中心加强件周围绞合。

2）骨架式：把紧套光纤或一次被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内。

3）束管式：一次被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围。

4）带状式：将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，再将几层光纤带叠放在一起构成缆芯。

3、光缆的敷设方法：（1）管道敷设，（2）直埋敷设，（3）架空敷设，（4）水下敷设。

4、光缆的型号：由光缆的型式代号和光纤规格代号两部分组成。

5、光缆特性：拉力特性、压力特性、弯曲特性、温度特性。

六、光纤特性测量方法。

一）光纤的特性参数。

1、几何特性：包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度；

2、光学特性：主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长；

3、传输特性：主要有损耗、带宽和色散。

二）光纤损耗测量三种方法。

1、剪断法：采用稳态注入条件方式，被测光纤放置在注入装置的输出和光检测器之间，通过测量入口p1和出口功率p2并计算损耗系数的基本测量方法。使用仪器简单，测试精度高，但具有破坏性，因此不能在现场测量中使用。

2、插入法：采用稳态注入条件方式，在注入并计算损耗系数装置的输出和光检测器的输入之间分别用1～2m长的短光纤直接连接测量p1和插入被测光纤测量p2，根据两种结果计算损耗系数。

3、后向散射法：通过检测反向传输到输入端的背向散射光和菲涅尔反射光功率变化来确定光纤损耗系数，并判断光纤断点位置和光纤长度。测量仪器称为光时域反射仪（otdr）。

三）光纤带宽测量。

1、测量方法：（1）时域脉冲法，（2）频域扫频法。

2、频域扫频法：先分别测量光纤的频率响应h1（f）db和h2（f）db，然后得到光纤频率响应h（f）db＝h1（f）db－h2（f）db，由6 db的电带宽确定光纤带宽。

四）光纤色散测量。

1、测量方法：（1）相移法，（2）脉冲时延法，（3）干涉法。

2、相移法：一种通过测量不同波长下同一正弦调制信号的相移得出群延时与波长的关系，进而计算色散系数的一种方法。（1）用角频率ω分别调制光波λ1和λ2测量相位ф1和ф2，（2）得到相位差δф＝2－ф13）再由定义公式δτ/求出色散系数。

五）光纤截止波长测量。

1、测量方法：（1）传输功率法，（2）脉冲时延法，（3）近场法。

2、传输功率法测量：利用低次阶模lp11基模lp01光纤弯曲损耗的灵敏程度，测量弯曲损耗和波长关系曲线r（λ）得到0.1db和r（λ）的交点，确定截止波长λc。

《光纤通信》第二章讲课提纲

光纤第二章通信

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