《通信线路工程》课件chap2-2 光纤.ppt
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1、内容安排内容安排p光纤的特性(光纤的特性(几何、光学、几何、光学、传输、传输、机械、温度等机械、温度等)u传输特性:衰减、色散传输特性:衰减、色散p单模光纤的种类及性能(单模光纤的种类及性能(ITU-T G.6527)uG.652-常规单模光纤(常规单模光纤(NDSF、SSMF)uG.653-色散位移光纤(色散位移光纤(DSF)uG.654-截止波长位移光纤(截止波长位移光纤(CSF)uG.655-非零色散位移光纤(非零色散位移光纤(NZDSF)uG.656-宽带光传输非零色散位移光纤宽带光传输非零色散位移光纤uG.657-弯曲损耗不敏感非色散位移光纤弯曲损耗不敏感非色散位移光纤光纤的特性光纤
2、的特性一、几何特性一、几何特性u描描述述光光纤纤结结构构的的参参数数主主要要包包括括几几何何和和光光学学参参数数。这这些些参参数数仅仅与与光光纤纤横横截截面面的的物物理理构构成成有有关关,或或者者说说与与光光纤纤横横截截面面径径向向参参数数r r有有关关,而而与与光光纤纤的的长长度度和和传传输输状状态态无无关。关。u设计:不同的光纤结构设计:不同的光纤结构,得到不同的传输性能得到不同的传输性能u生产:设计生产工艺和控制产品质量生产:设计生产工艺和控制产品质量u施工:所用光纤在结构上一致性要好施工:所用光纤在结构上一致性要好,降低连接损耗降低连接损耗,保证工保证工程质量和传输性能程质量和传输性能
3、芯直径芯直径p阶跃型光纤,芯、包层界限分明;阶跃型光纤,芯、包层界限分明;p梯度型光纤,从包层折射率转变到纤芯的最大折射率是梯度型光纤,从包层折射率转变到纤芯的最大折射率是逐渐发生的,芯与包层的边界不明显,这给测量带来困逐渐发生的,芯与包层的边界不明显,这给测量带来困难。难。u为了有一个统一的标准,为了有一个统一的标准,CCITTCCITT规定了具体的定义,即当纤芯折规定了具体的定义,即当纤芯折射率与外边均匀包层的折射率之差达到后者的一定比例的区域叫射率与外边均匀包层的折射率之差达到后者的一定比例的区域叫做纤芯,并规定多模光纤的芯直径为做纤芯,并规定多模光纤的芯直径为5050 3 3 m m。
4、u单模光纤?单模光纤?p包层直径:是指裸纤的直径。包层直径:是指裸纤的直径。uITU-TITU-T规定通信用光纤的外径,多模、单模均要规定通信用光纤的外径,多模、单模均要求为求为125125 3 3 m m。p同同心心度度:是是指指纤纤芯芯中中心心与与包包层层中中心心之之间间距距离离除以芯径。除以芯径。p不不圆圆度度:包包括括芯芯径径的的不不圆圆度度和和包包层层的的不不圆圆度度,可用下式表示:可用下式表示:N NC C=(D Dmaxmax-D-Dminmin)/D/DC0C0 式式中中,D Dmaxmax和和D Dminmin是是芯芯(包包层层)的的最最大大和和最最小小直径;直径;D DC0
5、C0是芯(包层)的标准直径。是芯(包层)的标准直径。光纤的不圆度严重时影响连接时对准效果,光纤的不圆度严重时影响连接时对准效果,增大接头损耗。增大接头损耗。二、光学特性二、光学特性p折射率分布:描述光纤从纤芯到包层的折射率折射率分布:描述光纤从纤芯到包层的折射率随半径的变化,即光纤的折射率为光纤半径的随半径的变化,即光纤的折射率为光纤半径的函数,用下式来表示。函数,用下式来表示。数值孔径数值孔径NA在光纤中,把光纤的最大接收角的正弦定义为在光纤中,把光纤的最大接收角的正弦定义为光纤的数值孔径,表示光纤对光线的可接收范围。光纤的数值孔径,表示光纤对光线的可接收范围。即即其中,相对折射率差其中,相
6、对折射率差D=-=212221nnnNA模场直径模场直径p模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。模场直径是单模光纤所特有的一个重要参数。单模光纤只能传播基模(单模光纤只能传播基模(LP01模),模场就模),模场就是光纤中基模的电场强度在空间的分布。通俗是光纤中基模的电场强度在空间的分布。通俗地说,模场直径就是单模光纤中光斑的大小,地说,模场直径就是单模光纤中光斑的大小,uITU-T建议标准单模光纤模场直径为建议标准单模光纤模场直径为(8.69.5)0.60.6 m m。uMFDMFD对于光纤的弯曲损耗有影响。对于光纤的弯曲损耗有影响。u对施工来说,小的对施工来说,小的MFD会带来较大的连接损
7、耗,会带来较大的连接损耗,MFD的一致性对连接损耗影响很大。的一致性对连接损耗影响很大。模场直径模场直径(MFD):光功率为:光功率为e-1E0时的光场半径宽度时的光场半径宽度(E0为轴心的光为轴心的光功率功率),即光纤截面的光斑尺寸。,即光纤截面的光斑尺寸。模场直径模场直径电场分布一般为高斯分布:电场分布一般为高斯分布:MFD represents how the light is actually distributed in the SMF“Mode Field Diameter”is mentioned because it is an important parameter that
8、 indirectly determines the contribution to chromatic dispersion known as waveguide dispersion.The mode field diameter is also a fundamental parameter influencing the“Effective Core Area”,Aeff,which determines the nonlinear behavior of the fiber optic cable.截止波长截止波长p截止波长是单模光纤保证单模传输的条件,所以截止波截止波长是单模光纤保
9、证单模传输的条件,所以截止波长的定义是大于此波长时二阶长的定义是大于此波长时二阶LPLP1111模不再传播。截止波模不再传播。截止波长同其它参数的不同点是不恒定,而且随着长度不同而长同其它参数的不同点是不恒定,而且随着长度不同而改变。改变。p要求单模光纤的截止波长一定要小于光通信系统的工作要求单模光纤的截止波长一定要小于光通信系统的工作波长。波长。注意:芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准注意:芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准归一化频率归一化频率(重要参数重要参数)V综合考虑了光纤的尺寸和注入波长综合考虑了光纤的尺寸和注入波长V才是判断单模和多模的标准才是判断单模和多模的标准三、传输特性三
10、、传输特性p光信号在光纤中经过一定距离的传输后要产生衰减和畸变,光信号在光纤中经过一定距离的传输后要产生衰减和畸变,因而使输出的光信号脉冲与输入相比产生了差异。其表因而使输出的光信号脉冲与输入相比产生了差异。其表现为:现为:幅度的衰减幅度的衰减波形的展宽波形的展宽三、传输特性三、传输特性-损耗损耗损耗损耗u即便是在理想的光纤中都存在损耗即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗本征损耗 u光纤的损耗限制了光信号的传播距离光纤的损耗限制了光信号的传播距离u光纤损耗的单位光纤损耗的单位光纤衰减的主要原因光纤衰减的主要原因本征吸收本征吸收(1)紫外吸收紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级
11、,同时引 起入射光的能量损耗,一般发生在短波长范围z晶格光传播方向kEx(2)红外吸收红外吸收 光波与光纤晶格相互作 用,一部分光波能量传 递给晶格,使其振动加 剧,从而引起的损耗非本征吸收非本征吸收光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收OH吸收峰 2 dB解决方法:解决方法:(1)光纤材料化学提纯,比 如达到 99.9999999%的 纯度OH和过渡金属离子,如铁、钴、镍、铜、锰、铬等(2)制造工艺上改进,如避 免使用氢氧焰加热(汽 相轴向沉积法)散射损耗散射损耗光纤的密度和折射率分布不均匀及结构上的不完善导致散射现象光纤的密度和折射率分布不均匀及结构上的不完善导致散射现象波导在小于
12、光波长尺度上的不均匀:u分子密度分布不均匀u掺杂分子导致折射率不均匀u导致波导对入射光产生本征散射。瑞利散射一般发生在短波长本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值弯曲损耗弯曲损耗宏弯:曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场q qcqRq qCladdingCore场分布弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加微弯:光纤轴线产生微米级的高频弯曲微弯损耗微弯损耗微弯的原因:微弯的原因:光纤的生产过程中的带来的不均光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导
13、致的后果:导致的后果:造成能量辐射损耗造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同,模场直径大的模式容易发生宏弯损耗宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯和微弯对损耗的附加影响宏弯损耗宏弯损耗微弯微弯损耗损耗基本损耗l增加,V减少,W0越大长波长处附加损耗显著长波长处附加损耗显著光纤损耗频谱曲线光纤损耗频谱曲线实测实测红外吸收红外吸收瑞利散射瑞利散射紫外吸收紫外吸收波导缺陷波导缺陷四、传输特性四、传输特性-色散色散p定义:定义:沿光纤传输的光脉冲,经历在时间上沿光纤传输的光脉冲,经历在时间上的展宽,这种时域的波形展宽叫做色散。的展宽,这种时域的波形展宽叫做色散。p分类:分类:模
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