第-章-光纤和光缆.ppt

2.1光纤结构和类型
2.1.1光纤结构
2.1.2光纤类型
2.2光纤传输原理
2.2.1几何光学方法
2.2.2光纤传输的波动理论
2.3光纤传输特性
2.3.1光纤色散
2.3.2光纤损耗
2.3.3光纤标准和应用
2.4光缆
2.4.1光缆基本要求
2.4.2光缆结构和类型
2.4.3光缆特性
2.5光纤特性测量方法
2.5.1损耗测量
2.5.2带宽测量
2.5.3色散测量
2.5.4截止波长测量2.1光纤结构和类型
2.1.1光纤结构
光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。
设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。模式截止由修正的贝塞尔函数的性质可知，当
式中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。
θ*=θ0cos(Az)
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。
1模截止值和远离截止值
这样就把分析光纤中的电磁场分布，归结为求解贝塞尔(Bessel)方程(2.
g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤的折射率分布。
2(b)，这种现象称为自聚焦(Self-Focusing)效应。
传输常数多模渐变型光纤传输常数的普遍公式为
模式远离截止: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
→∞时，→，要求在包层电磁场消逝为零，即→0，必要条件是w>0。
第二个下标μ是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序数，称为径向模数，它表示从纤芯中心(r=0)到纤芯与包层交界面(r=a)电场变化的半周期数。
当v≠0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为混合模(波)。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
式中，脚标1和2分别表示纤芯和包层的电磁场分量，A和B为待定常数，由激励条件确定。
当v=0时，电磁场可分为两类。
18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程为2.1.2光纤类型
光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。
实用光纤主要有三种基本类型，
突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）
渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）
单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）
相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤图2.2三种基本类型的光纤
(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤图2.3典型特种单模光纤
(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯主要用途：
突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平
实现了10Gb/s容量的100km的超大容量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。
三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。2.2光纤传输原理2.2.1几何光学方法
几何光学法分析问题的两个出发点
•数值孔径
•时间延迟
通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布
几何光学法分析问题的两个角度
•突变型多模光纤
•渐变型多模光纤图2.4突变型多模光纤的光线传播原理改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。
根据全反射原理，存在一个临界角θc。
•当θ<θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到
n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)
•当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)，如光线2，
•当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。
由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律
NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°(2.2)
n0=1，由式（2.2）经简单计算得到时间延迟根据图2.4，入射角为θ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θ不大的条件下，其传播时间即时间延迟为式中，n1和