[哈尔滨理工大学光纤通信]第二章：光纤和光缆.ppt

内容摘要 (Blurb) 光纤特性:结构特性、光学特性及传输特性; 结构特性——光纤的几何尺寸（芯径等）； 光学特性——折射率分布、 数值孔径等； 传输特性——损耗及色散特性。 射线光学理论分析光纤的传输原理； 波动理论讨论光纤中的模式特性，给出光纤中完善的场的描述； 对光纤的损耗及色散特性进行讨论。 2.1 光纤的结构与类型 2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的类型 2. 按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。 2.2 光纤传输原理 2.2.1 基本光学定义和定律 2.2.1.1 光的反射与折射 2.2.2光纤中光的传播 1.子午射线在阶跃型光纤中的传播 子午光线在阶跃光纤中的传输 2. 子午射线在渐变型光纤中的传播 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。 3. 斜射线在光纤中的传播 子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在二维的平面内来分析，很直观。 在多模阶跃折射率光纤中，满足全反射、 但入射角不同的光线的传输路径是不同的，结果使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同，从而产生了脉冲展宽，这就限制了光纤的传输容量。 单位长度光纤的最大群时延差为 群时延差限制了光纤的传输带宽。为了减少多模阶跃折射率光纤的脉冲展宽，人们制造了渐变折射率光纤。 1. 传导模的概念 模式是波动理论的概念。在波动理论中，一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。 2. 相位一致条件 光纤中光波相位的变化情况如下图所示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤的相位一致条件，不作复杂的数学推导，只提及波动光学中的基本观点和结论。 多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。  1. 多模光纤——顾明思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。 2. 单模光纤——只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几十GHz·km以上。 2. 光纤的归一化频率 一般用V表示,由光纤的参数及工作波长计算出归一化频率V后,从下图就可以判断光纤中可能存在几种模式传输. 其表达式如下： 2.2.5 均匀光纤的波动理论分析 坐标系中的波导方程式 对于圆柱形光纤，采用圆柱坐标系更合适 2.2.5.1平面波在理想介质中的传播 1.均匀平面波的一般概念 2. 平面波在介质分界面上的反射和折射 3. 平面波的全反射 2.2.5.3近似解-LP模 1.由于矢量模的求解繁琐， 对于大多数的实际光纤都采用近似解， 最常用的近似方法是标量近似法(用于阶跃光纤)及 WKM 近似法(用于渐变光纤)。 标量近似法是指在弱导波光纤中， 将光纤的横向电场和横向磁场当作标量处理， 所得到的导波模式称为线性偏振模，用 LPmn “Linearly Po1arized(LP)modes” 表示。 2.下图给出了各LP模的P包／P总与f的关系。 可以看出，在远离截止时，功率主要集中在纤芯中，且大部分在高阶模中。在接近截止时，功率向包层转移，对于低阶模(m＝0或1)，在截止时功率完全转移到包层中；对于m＞1的高阶模，纤芯中仍保留较大的比例。 2.3 光纤传输特性 2.3.1 光纤色散基础 1.色散、带宽和脉冲展宽 2.多模光纤的色散 3.单模光纤的色散 2.3.2 光纤色散 由于光纤中所传信号的不同频率成分， 或信号能量的各种模式成分，在传输过程中，因群速度不同互相散开，引起传输信号波形失真，脉冲展宽的物理现象称为色散。 光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变，从而限制了光纤的传输容量和传输带宽。 从机理上说，光纤色散分为材料色散， 波导色散和模式色散。 前两种色散由于信号不是单一频率所引起，后一种色散由于信号不是单一模式所引起。 2.3.3 光纤的色散特性 2.3.3.1模式色散 所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。 1. 阶跃型光纤中的模式色散 2.3.3.2材料色散 一般情况下,材料色散往往是用色散系数这个物理量来衡量. 色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的色散,用D(λ)表示，单位是ps/（nm·km）。 材料色散的表达式