光通信技术 教学课件 ppt 作者 韩太林 第3章

1、第3章 光通信信道 【知识要点】,光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。和电缆相比，光纤具有信息传输容量大、中继距离长、不受电磁场干扰、保密性能好等优点。本章从应用的角度，首先介绍光纤的结构与类型；然后用射线光学理论和波动光学理论重点分析光在阶跃型光纤中的传输情况，简要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号；最后介绍大气吸收、散射、湍流及云层等对光通信的影响。本章不仅是深入学习光纤通信其他内容的基础，而且也是读者今后正确、灵活应用光纤通信的基础。,3.1光纤的结构与类型,光纤是一种工作在光波段的介质波导，可将光波约束在波导内部和表面，并引导光波沿光纤轴传播的介质光波导，一般是双层或多层的同心圆柱体。其中，心部分是直径为2a的纤芯，纤芯向外分别是包层（直径为2b）和涂敷层，如图3.1所示。纤芯的折射率高于包层的折射率，从而构成一种光波导结构，使大部分的光被束缚在纤芯中传输。,图3.1光纤的结构,光纤按照传导的模式划分可分为单模光纤和多模光纤。能够传输多种模式（基模和高阶模）的光纤叫多模光纤，而只能传输一种模式（基模）的光纤叫单模光纤。多模光纤的纤芯较粗，可以很容易将光功率注

2、入到光纤，并且较容易将相同的光纤连接在一起，同时可以使用制造工艺简单、价格低廉、不需要外围电路和长寿命的LED作为光源。其缺点是存在较严重的模间色散，使其传输速率低、距离短，整体的传输性能差。但成本低，一般用于建筑物内或地理位置相邻的环境中；单模光纤的纤芯相应较细，传输频带宽、容量大、传输距离长，但需LD作为光源，成本较高，通常在建筑物之间或地域分散的环境中使用。,按照折射率分布划分，光纤可分为阶跃折射率分布光纤（阶跃光纤）和渐变折射率分布光纤（渐变光纤）。图3.2所示从上到下分别为阶跃单模光纤、阶跃多模光纤和多模渐变光纤的折射率分布以及光线在其中的传播路径。在单模光纤中只有一个导模传播，而在多模光纤中，可以传播成百上千个导模。,图3.2 单模、多模阶跃光纤和多模渐变光纤 的比较,阶跃光纤的折射率分布特点是纤芯的折射率均匀，为n1，而包层的折射率为n2。在纤芯和包层之间的分界面上，折射率有一个不连续的阶跃性突变。 渐变光纤的纤芯折射率是半径r的函数，记为n（r），在纤芯轴线上最大，为n1 ；而在纤芯的横截面内沿径向折射率逐渐减小，形成一个连续渐变的梯度或坡度，像一个抛物线，最后达到包层

3、的折射率n2。在纤芯到分界面之间，折射率是渐变的，而不像阶跃光纤在分界面处突变。,光纤主要由硅酸盐玻璃、二氧化硅或塑料制成。前者主要适用于长距离传输，后两者主要适用于短距离传输，其中塑料光纤由于损耗较大，传输距离很短，主要应用于更小距离传输（几百米之内）和一些较恶劣的环境中，在恶劣环境中因其机械强度较好，所以较前两种更具有优越性。,3.1.1光纤的结构,光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导，它由纤芯、包层与涂敷层三大部分组成，如图3.3所示。,图3.3 光纤的构造,纤芯位于光纤的中心部位（直径d1为950m），其成分是高纯度的二氧化硅，含量达99.999%。此外，还掺有极少量的掺杂剂如二氧化锗、五氧化二磷等，掺有少量掺杂剂的目的是适当提高纤芯的光折射率（ n1 ）。包层位于纤芯的周围（其直径d2约125m），其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折射率（ n2 ），使之略低于纤芯的折射率。把光强限制在纤芯中。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。为了增强光纤的柔韧性、机械强度、可弯曲性和耐老

4、化特性，还在包层外增加一层涂敷层，其主要成分是丙烯酸酯和硅橡胶等高分子材料，一般涂敷后的光纤外径约1.5cm。,3.1.2光纤的分类,光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。,1.按折射率分布分类,光纤按折射率的分布分类，可分为阶跃光纤与渐变光纤。,（1）阶跃光纤,阶跃光纤是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其值分别为n1与n2 ，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，如图3.4所示。折射率分布的表达式为 阶跃光纤是早期光纤的结构方式，后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代（因渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散），但用它来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。而现在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时，阶跃光纤结构又开始作为单模光纤的结构形式之一。,图3.4 阶跃光纤的折射率分布,（2）渐变光纤,渐变光纤是指光纤轴心处的折射率n1最大，而随沿剖面径向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的

5、数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的，即为n2 ，如图3.5所示。,图3.5 渐变光纤的折射率分析,式中， n1为光纤轴心处的折射率； n2为包层区域折射率；a1为纤芯半径；=（ n1 - n2 ）/ n1称为相对折射率差。 至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此分布，其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散，增加光纤的传输容量。,2.按传播模式分类,我们知道，光是一种频率极高（ 31014Hz ）的电磁波，当它在波导光纤中传播时，根据波动光学理论和电磁场理论，需要用麦克斯韦方程组来解决其传播方面的问题。而通过烦琐地求解麦克斯韦方程组之后就会发现，当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播，如TMmn模、 TEmn模、 HEmn模等（其中m、n=0，1，2，）。其中HE11模被称为基模，其余的皆称为高次模。,光纤按传播的模式分类，可分为多模光纤与单模光纤。,（1）多模光纤,当光纤的几何尺寸（主要是纤芯直径d1 ）远远大于光波波长（约1m）时，光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传输之后会

6、产生时延，导致光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散（又叫模间色散）。计算多模光纤中传播模式数量的经典公式为N=V2/4 ，其中V为归一化频率。如当V=38时，多模光纤中会存在300多种传播模式。模式色散会使多模光纤的带宽变窄，降低其传输容量，因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布，即渐变折射率分布。其纤芯直径d1大约为50m。,（2）单模光纤,根据电磁场理论与求解麦克斯韦方程组发现，当光纤的几何尺寸（主要是芯径）可以与光波长相比拟时，如芯径d1在510m范围，光纤只允许一种模式（基模HE11 ）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫做单模光纤。由于它只允许一种模式在其中传播，从而避免了模式色散的问题，故单模光纤具有极宽的带宽，特别适用于大容量的光纤通信。其实，准确地讲要实现单模传输，必须使光纤的各参量满足一定的条件，即其归一化频率V2.4048。因为 所以可以解得光纤的纤芯半径应满足下式才能实现单模传输 式中，a1为纤芯半径；为光波波长；NA为光纤的数值孔径。,例如，对于NA=0.12的光纤要在=1.3m以上实现单模传输时，光纤纤芯的半径

7、应为 即纤芯直径d18.4m方可。由于单模光纤的纤芯直径非常细小，所以对其制造工艺提出了更为苛刻的要求。,3.按工作波长分类,光纤按工作波长分类，可分为短波长光纤与长波长光纤。,（1）短波长光纤,在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在0.60.9m范围内（典型值为0.85m），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。短波长光纤属早期产品，目前很少采用。,（2）长波长光纤,后来随着研究工作的不断深入，人们发现在波长1.31m和1.55m附近，石英光纤的衰耗急剧下降，如图3.6所示。不仅如此，而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在1.02.0m波长范围的光纤称为长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。,图3.6 石英光纤的衰耗谱线,4.按套塑类型分类,光纤按套塑类型分类，可分为紧套光纤与松套光纤。,（1）紧套光纤,紧套光纤是指二次、三次涂敷层与预涂敷层及光纤的纤芯、包层等紧密结合在一起的光纤。目前，此类光纤居多。未经套塑的光纤

8、，其衰耗温度特性本是十分优良的，但经过套塑之后其温度特性下降。这是因为套塑材料的膨胀系数比石英高得多，在低温时收缩较厉害，压迫光纤发生微弯曲，增加了光纤的衰耗。,（2）松套光纤,松套光纤是指经过预涂敷后的光纤松散地放置在塑料管之内，不再进行二次、三次涂敷。松套光纤的制造工艺简单，其衰耗温度特性与机械性能也比紧套光纤好，因此越来越受到人们的重视。,按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655光纤（非零色散位移光纤）。 现在实用的石英光纤通常有阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤3种。,3.2光在光纤中的传输,当小圆孔尺寸大小的数量级远远大于光的波长时，光直接通过圆孔，投入圆孔后面的屏幕上；当小圆孔的大小量级可以与光的波长比拟即相当时，才观察到衍射光斑。因此，当空间尺度远大于光波长时，可以用较成熟的几何光学分析法分析光在物质中的运动；当空间尺度与光波长相当时，应采用复杂而严密的波动理论分析法。由此可见，几何光学分析法是严密的波动理论在一定

9、条件下的近似。,3.2.1几何光学的光纤传输,光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论，甚至量子场论方面的知识。对于多模光纤，由于其光纤的纤芯为50m，或62.5m，远远大于光波的波长（约1m），因而可以采用几何光学分析法；而对于单模光纤，其光纤纤芯小于10m，与光波的波长同一数量级，因而用几何光学分析法不合适，应采用波动理论进行严格的求解。为了便于理解，我们先从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理。,1.反射与折射,我们知道，光线在均匀介质中传播是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象。图3.7给出了光在介质折射率为n1和n2的介质分界面的反射和折射现象。,图3.7光在两种介质界面上的反射和折射,其中，入射角1定义为入射光线与分界面垂直线（常称为法线）之间的夹角，反射角1r定义为反射光线与分界面垂直线之间的夹角，折射角2定义为折射光线与分界面垂直线之间的夹角。从介质n1入射到介质n2的光信号的能量一部分反射回介质n1，一部分透射到介质n2，且1、2、1r满足如下关系： 1r=1 （3-6） n1sin1=n2sin2 （3-7） 式（3-6）即为大家熟知的反射定律，式（3-7）为折射定律，又称斯涅尔（Snell）定律。,2.全反射定律,由斯涅尔定律可以得到，如果n1n2，则有21。当折射角290时，这意味着发生了全反射，如图3.8所示。我们称满足（n1sin1）/n2=1的入射角1为全反射的临界角，记为c，则有,图3.8 光在两种介质界面上的 反射和全反射,不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。可见光在阶跃光纤中的传输是由光在纤芯和包层分界面上的全反射导引向前的，其传输路径如图3.9a所示。其在纤芯中的传输速度为 式中，c为光在真空中的速度，c=2.997 924 58105km

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