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传输特性2

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光纤传输特性分析 摘 要：随着光纤传输技术的发展，各个领域都从中获益，光纤传输特性的重要作用日益凸显，本文即是从光纤的各个方面对其传输特性的研究。 关键字：光纤传输，衰减，色散，损耗。 1.引言

光纤传输技术的迅猛发展和广泛应用，为现代社会提供了一条信息高速公路，是光导纤维的简称，是一种能够传输光频电磁波的介质波导。光纤通信是以光波为载频、以光导纤维为传输介质的一种通信方式。光纤传输之所以在最近短短的十多年中能迅猛的发展，是因为与传统的信息传输方式相比较有十分独特的品质和特性。只有对其具备一定的基本的正确认识，才能有效合理地选用，并发挥它的最大性价比。 2.光纤的物理特性

1．光纤是光导纤维的简称。它是用石英玻璃或特制塑料拉成的柔软细丝，直径在几μm(约为可见光波长的10倍)到120μm。在实际应用中，石英玻璃光纤因传输损耗小而得到广泛应用。塑料光纤的损耗较大，可达到每公里几十分贝以上，但塑料比玻璃易于弯曲，可以做成粗光纤用于可见光显示、装饰等处。 2．典型结构如图1所示。

自内向外为纤芯、包层及涂覆层。包层的折射率略小于纤芯的折射率，按几何光学的全反射原理，光线被束敷在纤芯中传输。在包层的外面是5~40μm的涂覆层，其作用是增强光纤的机械强度，同时增加柔韧性。最外面常有100μm厚的缓冲层或套塑层。 3．按光纤中传输模式的多少，可分为多模光纤和单模光纤两类。通信用多模光纤的标准纤芯直径是50μm，单模光纤的纤芯直径取决于截止波长的设计，而不决定于标准值，一般说来取10μm以下的数值。至于包层直径，多模和单模光纤都以125μm为标准值。 3. 光纤传输的特点

1. 传输频带宽、信息容量大 光载波频率达 5╳1014MHZ，光纤的带宽为几万兆赫兹以上甚至更高，非常适合于高速率、大容量的数字信号传输。 2. 传输损耗低、中继距离长 1966年英籍华裔学者高锟(C.K.Kao) 和霍克哈姆(C.H.Hockhatn) 发表了关于传输介质新概念的论文，指出利用光纤进行信息传输的可能性和技术途径，奠定 了光纤通信的基础。当时石英纤维的传输损耗高达1000dB/km 以上。高锟等人指出，这样大的损耗不是石英纤维本身固有的特性，而是由于材料中的杂质，例如过渡金属(Fe.Cu等)离子的吸收产生的，目前的实用光纤均采用纯度很高的石英(SiO2) 材料，在 1550nm 附近，信号衰减至 0.2dB/km，已十分接近理论极限。它的中继距离可达数百 km，而且中继不需增加幅度均衡措施。 3. 抗干扰能力强 由于光纤为非金属的介质材料，因此它不受电磁、静电及人为干扰，光沿光纤没有大地电回路、没有接地问题、不受大地电流影响。由于纤芯的直径仅有 0.1mm左右，多根光纤组成的光缆，因相邻光纤之间几乎没有扰邻和邻扰，故信号传输质量得到有效保证。 4. 安全性、保密性高 由于信号以光波的形式在光纤中传输，没有电火花产生，特别适宜在易燃、易爆场合使用，又由于光纤的切断、连接技术和光通路的分路、融合技术要求较高，信号传输不会向外辐射，因此保密性能优良。 5. 易于采用多种复用技术特别是光的波分复用(WDW)、频分复用(FDM)、时分复用(TDM) 等, 可以充分利用光纤带宽。 6．资源丰富、取之不竭 光导材料(SiO2)与电导材料相比较，其资源异常丰富，光导材料的提纯技术比较容易实现。此外，光纤系统尺寸小、重量轻、易于敷设和处理，维护简便。 4．光纤的弱导性

光纤波导的弱导特性光纤波导的性质通常由纤芯和包层的折射率决定。 图 3(a)、(b)分别为两种典型的纤芯折射率剖面图。 a 为纤芯半径、n1为光纤轴线上的折射率、n2为光纤包层折射率。工程技术上定义△为纤芯和包层间的相对折射率差，即为:Δ=[1- (n2n1)2]/2。当△<0.01 时，可简化为Δ≈n1- n2n1上式称为光纤波导的弱导条件。从理论上讲，光纤的弱导特性是光纤与微波源波导之间的重要差别之一。工程中实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度均非常小，纤芯和包层只有很小的折射率差。因此弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构。 5.光纤的衰减和色散特性

1. 光纤的减衰 光纤的衰减是光纤的重要技术指标，它表明光纤对光能的传输损耗，对光纤信号传输距离起决定性的影响。通常光纤衰减系数 α定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即α=10Llog10p1p2(dB/km)，其中P1、P2分别为光纤的输入、输出光功率，L 为光纤的长度。 光纤的衰减主要有吸收损耗和散射损耗。 a吸收损耗 吸收损耗是由于光纤材料和其中的有害杂质对光能的吸收造成的，它们将光能以热能的形式消耗于光纤中。主要包括：光纤材料的本征吸收损耗，杂质的吸收损耗和原子缺陷吸收损耗。 （1）本征吸收损耗 本征吸收损耗是由于物质固有的吸收引起的损耗，按照吸收损耗机理又可分为紫外本征吸收与红外本征吸收。在紫外波段，构成光纤的基质材料会产生紫外电子跃迁吸收带。这种紫外吸收带尾段可延伸到光纤通信波段(0.7～1.6μm)，在1.3～1.55μm处将引起0.05dB/km的损耗，达到单模光纤总损耗的1/3，因此对于低损耗单模光纤必须设法加以消除。在红外波段光纤基质材料将产生振动或多声子吸收带，这种吸收带损耗在9.1μm，12.5μm1及21μm处峰值可达10的10次方dB/km，因此构成了石英光纤工作波长的上限。红外吸收带的带尾也向光纤通信波段延伸，但影响小于紫外吸收带。在λ=1 .55μm时，由红外吸收引起的损耗小于0.01dB/km，基本上可以忽略。 （2）杂质吸收损耗 这里的杂质是指由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，例如光纤材料中含有的过渡族金属离子如Fe2+，Co2+，Cu2+等，它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不同。由过渡族金属离子吸收引起的光纤损耗取决于它们的浓度，这些杂质是造成早期光纤损耗低的主要原凶，由于提纯技术的进步，过渡族金属离子目前含量已经降低到其影响可以忽略的程度。另外，氢氧根离子(OH-)的存在也会产生吸收损耗。早期光纤含有较多OH离子，其较大的吸收峰出现在1.4μm，0．95μm和0.725μm处。它们分别对应所在2 7μm主吸收峰一、二和三倍频光波长。由于多数吸收峰很锐利，所以在1.3μm和1.55μm波长附近有低损耗的窗口。值得一提的是，在1979年，超低损耗的单模光纤在1550nm的最低衰减已经达到0. 2dB/km。目前，损耗为0.18dB/km和0.17dB/km的光纤已投入使用。这种损耗已经很接近在这个波长上的极限0.154dB/km。1998年，美国朗讯公司研制了一种新的光纤制造技术，它能消除光纤玻璃中的OH离子，从而使光纤损耗完全由玻璃的特性所控制，“水吸收峰”基本上被消除了，从而使光纤在1280～1625nm的全部波长范围内都可以用于光通信。 （3）原子缺陷吸收损耗 原子缺陷吸收是由于材料受到热辐射或光辐射作用时会受激而产生原子的缺陷，造成对光的吸收，产生损耗。这种吸收损耗可达几百dB/km甚至几万dB/km。为此，光纤材料一般选择对辐射不敏感的石英玻璃，以避免原子缺陷吸收损耗。 b散射损耗 由于光纤制造工艺的不完善性导致光纤中存在某种远小于波长的不均匀性(例如折射率不均匀，掺杂离子浓度不均匀等)，光能在这些地方将产生散射，从而使光纤损耗增大。这种损耗也是光纤的固有损耗，并且决定光纤损耗的最小值。 光纤中存在着3种散射机理，即瑞利散射、受激拉曼散射和受激布里渊散射。第一种散射不产生频率的变化因此是线性散射，而后两种散射则是非线性的。 光纤材料在加热过程中，由于热骚动，使原子得到的压缩性不均匀，造成物质的密度不均匀，进而使折射率不均匀。这种不均匀在冷却过程中被固定下来，它的尺寸比光波波长要小。光在传输时遇到这些比光波波长小，带有随机起伏的不均匀物质时，改变了传输方向，产生散射，引起损耗。瑞利散射损耗与波长的四次方成反比，其经验公式为A/（λ的4次方），其中A为瑞利散射系数，它取决于纤芯与包层折射率差。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，为了避免或减少这种瑞利散射损耗，在进行光纤传输的技术方案设计时，首先应明确传输信号的波长，通过查阅制造厂家光纤性能参数，采用较长的工作波长，则可有效的减少这种损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。受激拉曼散射与受激布里渊散射是当光纤中传输功率大于某一阈值时才可能产生。对于1.06μm波长，75μm芯径，4dB/km损耗的光纤，出现拉曼散射与布里渊散射的功率阈值分别为500W与2.5W。故在室温下，常用的光纤通信光源入纤功率(1～10mW)并不足以产生非线性散射。但对于7.5μm芯径、0.4dB/km损耗的单模光纤，上述阈值功率分别为500mW与2.5mW。因此在足够低的温度与足够高的功率下，将出现受激拉曼散射与受激布里渊散射，它们是强光在光纤中引起的非线性散射损耗。这一损耗在多模光纤中由于光能密度较小，通常不会发生。而在单模光纤中，由于其纤芯直径较小，当光能密度足够大时，可能发生。在光纤系统中一旦出现这种损耗，可适当调小其光能密度，便可消除。根据以上分析和经验，光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为 α=

式中，A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW(λ)，IRW(λ)和UV(λ)分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。 3个损耗较低的波段890nm、1310nm和1550nm称为光纤通信的3个“窗口”。其中890nm窗口波长范围600nm~900nm，主要用于多模光纤，传输损耗较大(平均损耗2dB/km)，一般适用于短距离的接入网环境，如光纤通道(FC)业务；1310nm窗口波长区的可用波长下限主要受限于光纤截止波长和光纤衰减系数，上限主要受限于1 385nm处OH根吸收峰的影响。工作范围为1260nm～1360nm，平均损耗0.3dB/km～0.4dB/km。1550nm窗口波长区的下限主要受限于1385nm处OH根吸收峰的影响，而上限主要受限于红外吸收损耗和弯曲损耗的影响。工作波长位于1460nm～1625nm，平均损耗0.19dB/km～0.25dB/km。1550nm窗口的损耗最低，可用于SDH信号的短距离和长距离通信。同时，由于目前常用的光放大器EDFA在该窗口具有良好的增益平坦度，因此，1550nm窗口也适用于DWDM系统。 c辐射损耗 光纤在实际应用中不可能避免的要产生弯曲，从而产生辐射损耗。光纤弯曲产生的损耗可以分为3种：微弯损耗、过渡弯曲损耗和宏弯损耗。其中宏弯损耗是由光纤实际应用中必须的盘绕、曲折等引起的宏观弯曲导致的损耗；过渡弯曲损耗是光纤由直到弯曲的突变中产生的损耗；微弯源于光纤几何形状的非理想性，例如芯包层分界面不规则、气泡、直径起伏及轴向偏差等。其他形式的微弯由一些外部影响引起，例如压迫、拉紧或缠绕引起的机械力，源于这些机制的散

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第二章 光纤传输的基本理论

第二章 光纤传输的基本理论


分
形 式
E 电场强度矢量 H 磁场强度矢量 D 电位移矢量
磁感应强度矢量
D dS dV B
B dS 0
S
S

J 传导电流密度矢量
式中，D E；B H ；，分别为介质的介电常数 和磁导率。
是自由电荷体密度。
1
a
2 3
o1z源自图 2.2.3 光纤中的子午光线
图中n１、n２分别为纤芯和包层的折射率。要使光完全限制在光纤 内传输，光线在纤芯包层分界面上的入射角 须满足： 。 即：
n2 n2 sin 0 ， 0 arcsin( ) n1 n1 n2 2 ) n1
0
或 sin 0 1 (
x 包层n 2 r 纤芯n 1

z
y
图 光纤中的圆柱坐标
E ( H )各分量的含义
Ez ( H z )： 光纤轴（纵）向分量
r x
Er ( H r )：光纤端面径向分量
E ( H )：光纤端面沿圆周方向分量
y

z
1 E 2 E ( E ) 0 2 (3) t (3)、(4)的解为 2 1 H 2 H ( ) H 0 2 (4) t E (r , , z, t ) E (r , ) exp[ j (t z )] (5) H (r , , z, t ) H (r , ) exp[ j (t z )] (6)
2
1 E 2 E ( E ) 0 2 (3) t 2 1 H 2 H ( ) H 0 2 (4) t
二、光纤传输基本理论..

二、光纤传输基本理论..


（1）几何光学射线法 当光线芯径远大于光波波长 0 时，可近似认为 0 0 , 从而将光波近似看成由一根光线所构成。因此，可以用几何 光学的方法来分析光线的入射、传播(轨迹)，以及时延(色散) 和光强分布等特性。 优点：简单直观，在分析芯径较粗的多模光纤时可以得到较 精确的结果； 缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合，以及光 场分布等现象。而且当工作波长于芯径可比较(单模光纤)，误 差较大。
霍兹方程进行空间坐标纵、横分离，令 x, y, z x, y eiz
•上式代入亥姆霍兹方程(2-4)式，得
2 2 2 2 2 2 x , y x , y x , y x, y 0 t 2 z
2 6
上式就是光纤波导中光传播时遵从的波导场方程。这是波动 理论方法的最基本方程。显然，它也是一个典型的本征方程。 当给定波导的边界条件时,求解波导场方程可得本征解及相应
的本征值。通常将本征解定义为“模式”.
• 模式和基本特征
a) 每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波; b) 每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件; c) 模式具有确定的相速群速和横场分布. d) 模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。给定 的波导中能够存在的模式及其性质是已确定了的,外界 激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改 变模式的固有性质。
• 当导模的本征值 n1k0 时，导模场紧紧束缚于纤芯中
传输，称之为导模“远离截止”。每一个导模都对应于 一合适的V值使其远离截止，称之为导模的“远离截止条
件”。
• 直观的理解：光纤包层中出现辐射模，则导波“截
止”，不出现辐射模，则导模“远离截止”。
传输介质的分类和特征

传输介质的分类和特征

传输介质的分类和特征传输介质是指用于传输信息的物质或设备，其分类可以根据不同的特征进行划分。

下面将介绍传输介质的常见分类和特征。

一、根据物理性质分类：1.有线传输介质：有线传输介质是指需要物理线缆来传输信号和数据的介质。

常见的有线传输介质有以下几种：（2）同轴电缆：同轴电缆是指由中心导体、绝缘层、屏蔽层和外部绝缘层构成的一种电缆。

常用于电视、广播等传输。

（3）光纤：光纤是一种由纯净的玻璃或塑料制成的用于传输光信号的介质。

由于其具有高速、大容量和抗干扰性等特点，常用于长距离的高速数据传输。

2.无线传输介质：无线传输介质是指通过电磁波在空气中传输信号和数据的介质。

常见的无线传输介质有以下几种：（1）无线电波：无线电波是通过调制电磁波的频率、振幅和相位等特性来传输信息的一种无线传输介质。

广泛应用于无线电通信、广播、雷达等领域。

（2）红外线：红外线是指波长较长但仍能被人眼所感知的一种电磁辐射。

常用于遥控器、红外传输等领域。

（3）微波：微波是一种具有较高频率和较短波长的电磁波，常用于无线局域网、雷达、卫星通信等。

二、根据传输方式分类：1.广播传输介质：广播传输介质是指通过广播频道统一发送信号和数据，由接收设备接收。

常见的广播传输介质有无线电波、卫星信号等。

2.点对点传输介质：点对点传输介质是指在两个终端间建立专用通信线路，通过该线路直接传输信号和数据。

常见的点对点传输介质有双绞线、光纤等。

三、根据传输速率分类：2.中速传输介质：中速传输介质指传输速率适中的介质。

常用于局域网、广播电视等领域，如双绞线、同轴电缆等。

3.高速传输介质：高速传输介质指传输速率较高的介质。

常用于对数据传输速率要求较高、距离较远的场景，如光纤、微波等。

四、根据传输距离分类：1.近距离传输介质：近距离传输介质指传输距离较短的介质。

常用于局域网、家庭网络等小范围内的通信，如双绞线、红外线等。

2.远距离传输介质：远距离传输介质指传输距离较远的介质。

2 微带传输线负载特性矢网测量

2 微带传输线负载特性矢网测量

实验二、微波传输线负载特性矢量网络分析仪测量2.1 实验目的1. 了解基本传输线、微带线的特性。

2．熟悉网络参量测量，掌握矢量网络分析仪的基本使用方法。

2.2 实验原理考虑一段特性阻抗为Z o 的传输线，一端接信号源，另一端则接上负载，如图所示，并。

并假设此传输线无耗，且传输系数γ=jβ，则传输线上电压及电流可用下列二式表示：U (z )=U +e −βz +U −e βzI (z )=I +e −βz −I −e βzLZ zz ββ--+LL Z -=0=Z图 传输线电路1、负载端（z =0）处情况电压及电流为U =U L =U ++U −I =I L =I +−I − 而Z 0I +=U +，Z 0I −=U −，公式可改写成 I L =10(U +−U −) 可得负载阻抗为Z L =U L I L =Z 0(U ++U −U +−U −) 定义归一化负载阻抗为z L =ZL ̅̅̅=Z L 0=1+ΓL L其中定义 ΓL 为负载端的电压反射系数ΓL =U −U +=Z L ̅̅̅−1ZL ̅̅̅+1=|ΓL |e jφL 当Z L =Z 0或为无限长传输线时，ΓL =0，无反射波，是行波状态或匹配状态。

当Z L 为纯电抗元件或处于开路或者短路状态时，|ΓL |=1，全反射，为驻波状态。

当Z L 为其他值时，|ΓL |≤1，为行波驻波状态。

线上任意点的反射系数为ΓL =|ΓL |e jφL −j2βz定义驻波比 VSWR 和回拨损耗 RL 为VSWR =1+|ΓL |1−|ΓL |RL =−20lg |ΓL |2、输入端（z =−L ）处情况反射系数 Γ（z ）应改成Γ（L ）=U −e −jβL +jφβL =U −+e −j2βL =ΓL e −j2βL 输入阻抗为Z in =Z 0Z L +jZ 0tan （βL ）Z 0+jZ L tan （βL ）由上式可知：（1）当L →∞时，Z in →Z 0。