第六章 透光和导光材料

在多模光纤中模式色散是主要的，材料色 散相对较小，波导色散一般可以忽略。
单模光纤波导色散的作用不能忽略，它与 材料色散有同样的数量级。 波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如 纤心半径a，芯－包层折射率差。由此可改 变光纤的色散系数。 G.652G.653 G.655
光纤的损耗特性
光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定着 传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高和 对石英材料的研究。
纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封 闭在光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯 材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。目前通信 应用的光纤主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折 射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往 往在石英中掺入比石英折射率低的杂质。 刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆 弱的。为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品 提供的光纤都在刚拉制后经过一道套塑工序，在其 外表涂覆上一层甚至几层塑料层。通常光纤的套塑 方式有松套和紧套两种。涂覆可以提高光纤的抗拉 强度，同时改善其抗水性能。
基本光纤系统方框图：
发送单元
传输单元
接收单元
电E/光O转换
光纤
光O/电E转换
信号
光发 射机
光源
中继器
检测器
光接 收机
信号
连接器件
●光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体 产生杂散电场的影响。因此不受干扰，基本上 能防范电子间谍。 ● 尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的 芯径仅为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直 径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样可 以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥 挤问题。 ●光纤材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常丰 富。
2 n12 n2 2n12 n1 2 2n12
NA n0 sin a n n
2 1 2 2
θ
接收锥
数值孔径


NA表示光纤接收和传输光的能力。 NA（或θa）越大，表示光纤接收光的能力越强，光 源与光纤之间的耦合效率越高。
NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯
实际光源不是纯单色光，模内不同波长成分的光， 其时间延迟不同而产生的。
这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源
的谱线宽度。 合理设计成将零色散波长移到1550nm的色散移 位光纤，使1300nm和1550nm处色散皆为零的色散 平坦光纤，或1550nm处具有负色散值的色散补偿 光纤
色散的种类及其产生原因
波导色散

波导色散DW由于光纤中某一导模在不同光 波长下，相位常数（传播常数β）不同 波导色散取决于波导的结构参数和波长。 波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如 纤芯半径和芯－包层折射率差。根据光纤 的这种特性，可改变光纤的色散情况，进 行色散位移。
材料色散
材料色散DM是由于光纤的折射率随波长而改变，
单模光纤
圆柱空心波导中的模式
结论：低阶模能量集中在波 导中心，而模式阶数越高横 截面直径越大且能量分布越 分散
单模光纤中只有最低阶模式HE11 存在，它的光纤横向光斑图类似 于左上角的截面图：
光纤中光的传播
光纤中光的传播方式有两种：
a) 子午光线：光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播 a-1) 约束光线：约束在纤芯内部传播的光线 a-2) 非约束光线：将折射到纤芯外面 b) 斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不 与光纤的轴线相交
波动理论
麦克斯韦（Maxwell‘s Equations）方程组
磁场强度
电场强度 (2) 磁感应强度 电感应强度 (3) (4) (1)
Maxwell方程→柱坐标系下的Helmholtz方程→Ez,Er,E,Hz,Hr,H →不同 模式的导波特征方程
(G.652) (G.653) (G.655) (DCF)
•损耗定义:
若Pin是入纤的功率，则出纤功率Pout为： P out
Pin exp(L)
这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用 dB/km来表示：
Pout 10 (dB / km) log10 P L in
示例
对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的
波动理论
光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传 输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了解 光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。尤 其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能正 确处理单模光纤的问题。 在光波导理论中，更普遍地采用波动光学的方法，即把 光作为电磁波来处理，研究电磁波在光纤中的传输规律， 得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及截止条件。
光线理论
折射光 包层
θ2
n2
n1
θ2=90o
n2
n1
折射光
纤芯 入射光
θ1
1'
反射光
入射光
θc
n2 sin 2 n1 sin 1
光的反射与折射
c sin 1 (n2 / n1 )
光的全反射现象
光线理论
n0 sin a n1 sin n1 cos1
1 c
sin c n2 / n1
注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准
单模光纤和多模光纤 (续)
单模光纤 优点：不存在模间色散，带宽大，用于长途传输 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使 用半导体激光器激励
多模光纤 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输 模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同 模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽
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光纤传输信息具有许多优点： ●载频为3×1014Hz，约为电视通信所用超高频 的100000倍，从而使信息载带容量或带宽激增； ●传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的 放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下 光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百 公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继 器只能传输几公里。在理论上，光纤可以传送 107路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆 储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕， 其容量比金属同轴电缆大5个数量级。
f 3dB ln 2 1 187 2 2
光纤的带宽取决于均方根脉冲宽度
光纤的色散
色散的基本概念
色散的种类及其产生原因
色散的基本概念


光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于 不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。 光纤的色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离 和容量。 色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不 同波长成分传输同样距离而产生的时间差。单位：ps/nm.km
单模光纤和多模光纤 (续)
一根光纤是不是单模传输，与 (1) 光纤自身的结构参数 和 (2) 光纤中传输的光波长有关。 当光纤芯径的几何尺寸远大于光波波长时，光纤传输的 过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。 反之，当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级 时，光纤只允许一种模式在其中传播，即单模传输。 因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。 例如，对于常用的通信波长 (1550 nm)，单模光纤芯径为8~12 mm，而多模光纤芯径 > 50 mm。
信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示 ）
光纤结构示意图
光纤芯线结构
光导纤维传输点光源示 意图
光纤的构造

纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：9~50μm 包层：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125 μm 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙 纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的 掺杂来实现。 纤芯掺入Ge和P 折射率 包层掺入B 折射率
单模光纤和多模光纤
光的传播模式：一定频率，一定偏振状态，一定的传播方向。 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤 纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射 光的一个传播模式
单模光纤(Signal Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤 多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式进行传播
纤芯 core：折射率较高，用来传送光；
包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形
成全反射条件； 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击， 保护光纤。
光纤的尺寸
外径一般为125um(一根头发平均100um) 内径：单模9um 多模50/62.5um
125
9
125 50
125 62.5
损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能 的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损耗 为3dB/km，这表示传输1km后信号光功率将损 失50％，2km后损失达75％(损失了6dB)。之 所以可以这样进行运算，是因为用分贝表示的 损耗具有可加性。
光在阶跃光纤中的传播轨迹
2 2 2 折射率差 (n1 n2 ) / 2n1
2 n0 sin a n12 n2
光学参数
数值孔径 NA n0 sin a n n
2 1 2 2
2 n12 n2 2n12 n1 2 2n12
数值孔径（Numeric Aperture）
光纤的传输原理

光线理论（几何光学方法）
把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解
释光在光纤中传播的物理现象

波动理论 （波动光学方法）
把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分
布的模式来解释光在光纤中的传播现象
几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光纤 的传输特性和传输原理有更精确的分析

z=0
z=L
色散
色散的种类及其产生原因

色散类型 •模间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速 度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有）
•波导色散 ：传播常数随频率变化
•材料色散 ：折射率随频率变化 •偏振模色散PMD
波长色散
模式色散

模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下 传播速度不同，使传播时延不同而产生的色 散。 只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决 于光纤的折射率分布。
将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:
n1 n11 n12 n13 n2
光线理论
理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：
(z)
2 A sin a Z 1
n2
n1
光在渐变光纤 以不同角度入 射的光线族皆 以正弦曲线轨 迹在光纤中传 播，且近似成 聚焦状
第六章 透光和导光材料
光纤通讯
Electrical to Light Light to Electrical
Input 目标：电输出 = 电输入
Output
1 光导纤维材料
光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤 芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有 极高的透过率。目前应用的光纤是以SiO2为主要原料 的纤维，其纤芯芯径为数µ m到数百µm。光线进入光 纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信 息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。 1966年，英籍华人高昆(K．C．Kao)和他的同事 Hockham以及法国的Werts根据介质波导理论提出光 纤传输线的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达 1000dB／km，但他们指出如采用石英玻璃等作介质， 可使其损耗降低到20dB ／km。（光纤的损耗:损耗指光

P n2 n1 Q r P n1 O
0
n2
Q
O
阶跃光纤和梯度光纤
阶跃光纤
梯度光纤
梯度光纤可以减小模间色散：沿着轴心传播的光经历的路程短 但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。
光纤的的传输特性

色散 损耗 光纤非线性效应
光纤的带宽
光纤带宽的定义是频率响应H(f)和零频率响应H(0) 的比值下降一半(3dB)的频率，即： H(f3dB)/ H(f) =1/2 其中H(f)=F{Pout(t)} 可得：
曲特性越好。 NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更
大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须
适当选择NA。 单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。
输入 NA 输入 NA 高数值孔径NA 低数值孔径NA
输出
输出
光线理论
光在渐变光纤中传播的定性解释
n2 n15 n14 n13 n12 n11 n1