光纖傳輸原理及特性

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1、第2章光纖傳輸原理及傳輸特性本章內(nèi)容提要：光纖和光纜的結(jié)構(gòu)與類型光纖的傳輸原理分析光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)(光學(xué)和幾何特性)光纖傳輸特性光纖的非線性效應(yīng)光纖的機(jī)械與溫度特性2.1光纖和光纜的結(jié)構(gòu)及類型光纖與光纜的結(jié)構(gòu)光纖？光纜？所謂“光纖”就是工作在光頻下的一種圓柱體介質(zhì)波導(dǎo)，它引導(dǎo)光能沿著軸線平行方向傳輸。所謂“光纜”就是由多根光纖和加強(qiáng)構(gòu)件以及外護(hù)層構(gòu)成。2.1.1．光纖結(jié)構(gòu)及類型1.光纖結(jié)構(gòu)圖2-1光纖結(jié)構(gòu)2.光纖分類按模式來分1)多模光纖（Step-IndexFiber/Graded-IndexFiber）2)單模光纖：①雙包層光纖②三角芯光纖圖2-3典型特

2、種單模光纖SiO2+GeO2SiO2+FSiO2③橢圓芯光纖：保偏單模光纖。④熊貓光纖：保偏狀態(tài)；⑤蝴蝶光纖：保偏狀態(tài)光纖的用途？有：多模光纖G.651（MMF）、單模光纖G.652（常規(guī)單模光纖）、G.653光纖（色散位移光纖）、G.654光纖（低損耗光纖）、G.655光纖（非零色散位移光纖）和G.656光纖。還有其他相關(guān)的單模光纖，如色散平坦光纖（DFF）和色散補(bǔ)償光纖（DCF）。各種光纖的適用范圍及特性見表2.1和表2.23)按ITU-T已提出的規(guī)范建議，光纖類別光纖類型適用范圍G.651光纖工作在850nm的短波長窗口，對于四次群以下的光纖通信系

3、統(tǒng)較為實(shí)用。常用于局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)鏈路G.652光纖在1310nm波長性能最佳，是目前應(yīng)用最廣泛光纖。主要應(yīng)用在1310nm波長區(qū)開通長距離622Mbit/s及其以下系統(tǒng)，在1550nm波長區(qū)開通2.5Gbit/s，10Gbit/s和n×2.5Gbit/s波分復(fù)用系統(tǒng)G.653光纖在1550nm工作波長衰減系數(shù)和色散系數(shù)均最小。主要用于長距離、高速率，如10Gbit/s以上系統(tǒng)，其缺點(diǎn)是易受非線性影響，并產(chǎn)生較嚴(yán)重的四波混頻效應(yīng)（FWM），它不支持波分復(fù)用系統(tǒng)G.654光纖在1550nm波長衰減系數(shù)最小，抗彎曲性能好。主要用于長距離海底系統(tǒng)G.655光纖在15

4、50nm處有低色散保證，有抑制FWM等非線性效應(yīng)，使得其能用在EDFA和DWDM系統(tǒng)，傳輸速率在10Gbit/s以上G.656光纖進(jìn)一步擴(kuò)大可利用的波長范圍以增加波道數(shù)，在G.655基礎(chǔ)上人們想到了利用S+C+L三個(gè)波段光纖。2002年由日本NTT公司和CLPAJ公司提出G.656光纖的基本規(guī)范。與G.655不同是在1540~1625nm波段，色散系數(shù)為2~14ps/（nm.km）DFF光纖優(yōu)點(diǎn)是在1310~1550nm波段內(nèi)為低色散?？膳cG.652光纖配合使用，降低光纖總色散DCF光纖優(yōu)點(diǎn)是在1550nm內(nèi)有很大的負(fù)色散，主要用于與G.652光纖配合使用

5、由1310nm擴(kuò)容升級(jí)至1550nm時(shí)進(jìn)行色散補(bǔ)償表2.1各種光纖適用范圍3).以纖芯折射率n1(r):階躍型光纖;漸變型光纖幾種典型的光纖折射率分布圖O2O2O2O2O2O2石英光纖的主要原料為：纖芯和包層本體材料：SiCL4纖芯和包層摻雜用劑：GeO2、P2O5、GeCL4、B2O3、POCL3和F等纖芯材料：SiO2或SiO2+GeO2包層材料：SiO2+B2O3或SiO2+F。2.1.2．光纜結(jié)構(gòu)分類按纜芯結(jié)構(gòu)不同光纜可分為以下4種1．層絞式光纜圖2-6層絞式光纜2.骨架式光纜圖2-7骨架式光纜3.中心束管式光纜圖2-8中心束管式光纜圖4.帶狀式

6、光纜圖2-9帶狀結(jié)構(gòu)光纜圖2.2光纖傳輸原理分析光纖屬于介質(zhì)圓波導(dǎo),分析導(dǎo)光原理很復(fù)雜,可用兩種理論進(jìn)行即射線理論和波動(dòng)理論.首先采用射線理論分析導(dǎo)光原理然后用波動(dòng)理論討論導(dǎo)光原理2.2.1用射線理論分析光纖的傳輸原理1.基本光學(xué)定律光在均勻介質(zhì)(折射率n不變)中是沿直線路徑傳播的.其傳播的速度為：v=c/n(2.1)式中，C=3×108m/s，是光在真空中的傳播速度，n是介質(zhì)的折射率(空氣的折射率為1.00027，近似為1，玻璃的折射率為1.45左右)獨(dú)立傳輸定律在線性介質(zhì)中(光纖為線性介質(zhì)),來自不同方向的光線即使在空中相交也能互不影響,按各自原有方向

7、繼續(xù)前進(jìn).反射定律和折射定律(1)反射定律θ1=θ’1(2)折射定律θ1θ’1θ2n2=1n1=1.45θ1=θcθ2=900若n1>n2,則入射角θ1<折射角θ2當(dāng)θ2=90°時(shí)對應(yīng)的入射角θ1=臨界角θc只要θ1>θc，入射光出現(xiàn)全反射，光被限制在n1介質(zhì)里傳播。若光從n2向n1入射，光線是否能出現(xiàn)全反射？2.光纖中光的傳播當(dāng)一束光線從光纖端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，光纖中有兩種運(yùn)行的光線：一種是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與中心軸相交兩次，這種光線常稱為子午線，含光纖中心軸的固定平面就稱為子午面，如圖2-11（a）所示。另一種是光

8、線在傳播過程中，其傳播時(shí)的軌跡不在同一個(gè)平面內(nèi)，并不與光纖中心軸相