光纤PPT课件

光纤的典型结构是多 层同轴圆柱体由图31-1 所 示 ， 自 内 向 外 为纤芯、包层及涂覆 层。纤芯和包层合起 来构成裸光纤，光纤 的光学及传输特性主 要由它决定。涂覆层
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光纤按折射率分布来分类，一般可 分为阶跃型光纤和渐变型光纤。
(1) 阶跃型光纤
如果纤芯折射率(指数)n1半径方向保 持一定，包层折射率n2沿半径方向 也保持一定，而且纤芯和包层的折 射率在边界处呈阶梯型变化的光纤， 称为阶跃型光纤，又可称为均匀光 纤，它的结构如图3-1-2(a)所示。
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渐变折射率光纤可以降低模间色散，如 图3-2-2所示
选择合适的折射率分布就有可能使所有 光线同时到达光纤输出端。
相对折射指数差Δ和数值孔径NA是描 述光纤性能的两个重要参数。
1相对折射指数Δ
光纤纤芯的折射率和包层的折射率的 相差程度可以用相对折射指数差Δ来 表示
相对折射指数Δ很小的光纤称为弱导
(2) 渐变型光纤
如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包 层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤， 又称为非均匀光纤，它的结构如图3-1-2(b)所示。
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光线入射在纤芯与包层界面上会发 生全反射，当全反射的光线再次入 射到纤芯与包层的分界面时，它被 再次全反射回纤芯中，这样所有满 足θ1＞θc的光线都会被限制在纤芯中 而向前传输，这就是光纤传光的基 本原理。
第三章 光纤
3.1光纤概述 3.2光纤的导光原理 3.3相对折射指数差Δ和数值孔径NA 3.4阶跃型光纤的波动光学理论 3.5阶跃型光纤的标量模 3.6可导与截止 3.7渐变型光纤的理论分析 3.8光纤的损耗特性 3.9光纤的色散特性 3.10单模光纤 3.11光纤的传输带宽
1光纤结构
对于均匀单模光纤，基模场强在光 纤横截面上近似为高斯分布。通常， 将纤芯中场分布曲线最大值的1/e 处，所对应的宽度定义为模场直径， 用d表示。
3.11光纤的传输带宽
色散使沿光纤传输的光脉冲展宽，最终可能 使两个相邻脉冲发生重叠。重叠严重时使接收 机无法区分它们，造成误码(图3-11-1)。
定义相邻两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高 脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。
2截止时的特征 由导波截止的临界状态β= k0 n2，可得导 波截止时的归一化衰减常数为：
Wc=0 (3-6-3)
J m-1(U)=0 (3-6-4) (3-6-4)式称为截止时的特征方程
3 LPmn模可导的条件
LPmn模可导的条件为
V＞Vc(LPmn) (3-6-6)
单模传输条件为
0＜V＜2.40483
(3-6-7)
满足上公式(3-6-7)时，LP01能够传输，而 LP11以上所有模式处于截止状态
3.7渐变型光纤的理论分析
1最佳折射指数分布 由渐变型光纤导光原理可知，只要n(r)取得合适， 那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。 即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达 到相同的终端。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相 应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。
2数值孔径NA
表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义 为光纤的数值孔径，用NA表示。
数值孔径越大表示光纤捕捉射线的能力就 越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差Δ 很小，因此其数值孔径也不大。
对于阶跃型光纤，数值孔径为常数
对于渐变型光纤，由于纤芯中各处的折射 率是不同的因此各点的数值孔径也不相同。 我们把射入点r处的数值孔径称为渐变型光 纤的本地数值孔径用NA(r)表示。
3光纤损耗特性的分析
光纤损耗主要包括： (1) 材料的吸收损耗 (2) 光纤的散射损耗 (3) 辐射损耗
3.9光纤的色散特性
1什么是光纤色散 信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模 式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成 分有不同的传播速度，从而引起色散。
也可以从波形在时间上展宽的角度去理解， 即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间 上发生了展宽，这种观象就称为色散。
光纤的带宽特性如图3-11-2
对阶跃多模光纤，带宽主要受模间色散的 限制，仅数十MHz·km。
渐变多模光纤，当工作在1.3μm波长、采用 LD光源时，模间色散是主要的限制。
对单模光纤，影响带宽的是材料色散和波 导色散，单模光纤有最大的带宽距离积。
另外，梯度折射率分布的塑料多模光纤(芯 径 420μm) 已 达 到 2.5GHz 的 带 宽 ， 传 输 距 离 100m ， 光 源 为 647nmLD ， 预 期 可 达 到 10 ～ 20GHz带宽，距离100m。这种光纤可用于近 距离的局域网(LAN)中。
(2)
对于单模光纤，波导的作用不能忽略。对于 某模式的电磁波而言，传播常数β可以由U、 V和W推出，在不同的频率下，相位常数β不 同，使得群速不同而引起色散，这种色散称
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模式色散是指不同模式的电磁 波在光纤中传播，群速不同而 引起的色散。可以用光纤中传 输的最高模式与最低模式之间 的时延差来表示。
光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的 色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间 干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因 此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统 容量和加大传输距离是非常重要的。
引起光纤色散的原因很多，由于信号不是单一频 率而引起的色散有材料色散和波导色散，由于信 号不是单一模式所引起的色散称为模式色散。
通常选取平方律型分布形式 (3-7-2)式称为渐变 型光纤的最佳折射指数分布。
2渐变型光纤的标量近似解法
渐变型光纤的标量近似解(3-7-5)式表明： ① 场随r增加而迅速减小； ② 场是振荡型的，随m，n而不同。 ③ 如果p=m+n相同则βmn相同。 说明所有模式构成模式群，p相同的模式是互相 简并的。即p相同的模式群，βmn相同，或者说 以相同的速度传输。
3.8光纤的损耗特性
1.衰减系数 损耗是光纤的一个重要传输参量，是光纤传 输系统中继距离的主要限制因素之一。 损耗的大小可以用衰减常数α定义。 通常α表示成dB/km为单位的形式。 。
2光纤通信的低损耗窗口 光纤的损耗谱特性如图3-8-1所示
由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通
① 第一低损耗窗口短波长0.85μm ② 第二低损耗窗口长波长1.31μm附近； ③ 第三低损耗窗口长波长1.55μm附近； 实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在 0.85μm 时 约 为 2.5dB/km ； 在 1.31μm 时 约 为 0.4dB/km；在1.55μm时仅为0.2dB/km，已接近 理论值(理论极限为0.15dB/km)。
不同的m和n值，场分布和传输特性不同。 见图3-5-1。
光纤中只传输一种标量模LP01的光纤为单 模光纤，传输两种以上标量模的光纤为多模 光纤。
3.6可导与截止
1可导与截止的概念 传输常数β的变化范围为k0 n1＞β＞k0 n2时， 导波应限制在纤芯中，以纤芯和包层的界面来 导行，沿轴线方向传输。称为电磁波可导。 否则辐射损耗增大，使光波能量不再有效地 沿光纤轴向传输，这时，即认为出现了辐射模， 导波处于截止状态。
求解式(3-4-6)，满足芯包界面边界条件， 即是光纤的标量解。
3.5阶跃型光纤的标量模 1标量解
采用标量近似解法，可以得到在阶 跃型光纤中电磁场的场解。
见公式（3-5-1）~（3-5-4）
2特征方程
在纤芯和包层的界面上，由电磁场理论可知， 电场和磁场的轴向分量都是连续的，即
Ez1=Ez2
Hz1=Hz2
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0＜V＜2.40483 (3-10-1) 上式称为单模光纤的单模传输条件。
4、 (1) 衰减系数α 对于单模光纤在1.31μm附近α约为0.35dB/km，在 1.55μm附近，α可降至0.2dB/km以下。 (2) 截止波长λc 所谓截止波长，一般指的是LP11模的截止波长
(3) 模场直径d
3.10 单模光纤
1、什么是单模光纤 单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单 一基模的光纤。
在单模光纤中不存在模式色散，因此它具有 相当宽的传输频带，适用于长距离、大容量的 传输，近年来，单模光纤光纤折射率分布形式 (2) 下凹型单模光纤
可得在弱导波情况下的公式（3-5-5）或（35-6）称为特征方程
3归一化变量 解方程过程中已经引入了两个常数U和W。 由U和W可以得出两个比较重要的基本参量： 归一化传播常数b和归一化频率V。b和V定 义为
这两个常数决定于光纤的结构和波长。
4标量模
在弱导波近似情况下得到的为标量模，标 量模可认为矢量模的线性叠加，所以标量模 是 简 并 模 。 标 量 模 又 称 线 性 偏 振 模 (Linearly Polarized mode)可以用LPmn来表示。
3.4阶跃型光纤的波动光学理论
1光纤传输光波的波动方程
光纤材料是各向同性介质，光 波在光纤中的传输满足麦克斯 韦方程组。在无源空间电场强 度E和磁场强度H满足亥姆霍兹
方程：
2标量近似解法
通信光纤中的纤芯和包层折射率差很小， 光纤中的光线几乎与光纤轴平行。这种波 非常接近TEM波，其电磁场的轴向分量Ez 和Hz非常小，而横向分量Et和Ht很强。 设横向电场沿y轴偏振，横向场即是Ey， 则它满足下面的标量波动方程：
2色散的程度描述 时延差Δτ可以表示光纤的色散程度：
Δτ=DΔλL
式中：D为色散系数，单位为ps/(nm·km)， Δλ为光源谱宽，L为传输的距离 时延差越大，色散越严重。
3材料色散和波导色散
(1) 材料色散
它是由于材料折射率随光波长非线性变化引 起的色散
在λ0=1.27μm时，时延差最小，这个波长称 为材料的零色散波长。