光纤通信的基本原理.ppt

光纤通信的基本原理
本章内容
光纤的结构与分类
光纤传光原理
光纤中的传输模式
光纤中的传输损耗
光纤的色散特性
光纤的物理机械特性



按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如右图所示。
光纤的折射率分布

阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1>n2, n1=~, n2=~。
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。


短波长光纤：～µm（）
长波长光纤：～µm（）
超长波长光纤： > 2µm
短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和卤化物光纤等。

（二次被覆）分类
按套塑（二次被覆）分类可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。
紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。
松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。

-T建议分类
(常规单模光纤)
在1310 nm工作时，理论色散值为零。
在1550 nm工作时，传输损耗最低。
(色散位移光纤)
零色散点从1310 nm移至1550 nm，同时1550 nm处损耗最低。
(衰减最小光纤)
纤芯纯石英制造，在1550 nm处衰减最小()， 用于长距离海底传输。
(非零色散位移光纤)
引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输。
ITU-T：国际电信联盟远程通信标准化组织(ITU-T for ITU Telecommunication
Standardization Sector), 它是国际电信联盟管理下的专门制定远程通信相关国际标准的组织。

分析光纤的传输原理有两种方法：
几何光学法：将光看成一条条的几何射线来分析，也称射线理论。 应用条件：光波的波长远小于光纤的几何尺寸，只适用于多模光纤。
波动光学法：光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组求解，也称模式理论。 它既可用于多模光纤，也可用于单模光纤

阶跃型光纤的传输原理
①光线 2 以θc角从光纤端面入射，折射线在纤芯/包层边界恰好满足全反射（折射角为90°），相应光线将以Ψc 入射到交界面，并沿交界面向前传播。

②光线 1 以θ角从光纤端面入射，折射角为θ1，若在包层/纤芯边界满足： Ψ1> Ψc（全反射临界角)，则光线 1 以之字形折线在纤芯中传播，直至能量损失殆尽或从光纤中另一端射出。

③光线 3 在光纤端面的入射角较大，致使到达芯/包界面时不满足该处全反射条件，此光线折射进入包层。这种光线的能量经过不长光纤的传输（约几百米）便损失掉了。

始终被束缚在纤芯区中的光线被称为“传导模”，或简称“导模”光线，根据斯奈尔(Snell)定律,有
n0Sinθ ＝ n1Sinθ1＝ n1CosΨ1
光线 3被称为“包层模”或“辐射模”光线，它对光纤通信无效。
由上述三种光线轨迹可知，只有在半锥角为θ≤ θc的圆锥内的入射的光束才能在光纤中传播， θc称为临界端面入射角，2θc称为受光角。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径，用NA表示。根据定义和斯奈尔定律:


数值孔径NA是表达光纤接受和传输光的能力的参数，它与光纤的纤芯、包层折射率有关，而与光纤尺寸无关。
NA或θc越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在2θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。
ITU—T(CCITU)规定：
NA＝0