光纤通信--光纤和光缆.pptx

2.1光纤结构和类型2.2光纤传输原理2.3光纤传输特性2.4光缆2.5光纤特性测量方法第2章光纤和光缆图2.1示出光纤的外形。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图2.2示出其横截面的结构和折射率分布光线在纤芯传播的路径以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下。突变型多模光纤（StepIndexFiberSIF）如图2.2(a)纤芯折射率为n1保持不变到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播特点是信号畸变大。渐变型多模光纤（GradedIndexFiberGIF）如图2.2(b)在纤芯中心折射率最大为n1沿径向r向外围逐渐变小直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播特点是信号畸变小。模光纤（SingleModeFiberSMF）如图2.2(c)折射率分布和突变型光纤相似纤芯直径只有8~10μm光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并）所以称为单模光纤其信号畸变很小。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。渐变型多模光纤和单模光纤包层外径2b都选用125μm。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）单模光纤实际上根据应用的需要可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性可以在图2.2(c)常规单模光纤的基础上设计许多结构复杂的特种单模光纤。最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3这些光纤的特征如下。双包层光纤如图2.3(a)所示折射率分布像W形又称为W型光纤。这种光纤有两个包层内包层外直径2a′与纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3调整a值可以得到在1.3~1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤（DispersionFlattenedFiberDFF）或把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤（DispersionShiftedFiberDSF）。图2.3典型特种单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯三角芯光纤如图2.3(b)所示纤芯折射率分布呈三角形这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55μm有微量色散有效面积较大适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用康宁公司称它为长距离系统光纤这是一种非零色散光纤。椭圆芯光纤如图2.3(c)所示纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。以上各种特征不同的光纤其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大相应的带宽只有10~20MHz·km只能用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。渐变型多模光纤的带宽可达1~2GHz·km适用于中等容量（34~140Mb/s）中等距离（10~20km）系统。大容量（565Mb/s~2.5Gb/s）长距离(30km以上)系统要用单模光纤。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平。1.55μm色散移位光纤实现了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。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤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用几何光学方法分析光纤传输原理我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。1.突变型多模光纤数值孔径为简便起见以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射率分别为n1和n2空气的折射率n0=1纤芯中心轴线与z轴一致如图2.