光通信第2章.PPT

第2章　光纤和光缆 2.1.1　光纤结构　　光纤(Optical Fiber)是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。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。 图 2.1　光纤的外形和基本结构 2.1.2　光纤类型　　光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英(SiO2)制成的光纤。　　实用光纤主要有三种基本类型，图2.2示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下： 　　突变型多模光纤　　如图2.2(a)，纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2，故又称为阶跃折射率型光纤。这种光纤一般纤芯直径2a =50～80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。 　　渐变型多模光纤 　如图2.2(b)，在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50 μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。 　　单模光纤　如图2.2 (c)，折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8～10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式(两个偏振态简并)，所以称为单模光纤，其信号畸变很小。 　　相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125 μm。实际上，根据应用的需要，可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性，可以在图2.2(c)常规单模光纤的基础上，设计许多结构复杂的特种单模光纤。最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。 　　双包层光纤　如图2.3(a)所示，折射率分布像W形，又称为W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a′与纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.3～1.6 μm之间色散变化很小的色散平坦光纤(DFF，Dispersion Flattened Fiber)，或把零色散波长移到1.55 μm的色散移位光纤(DSF，Dispersion Shifted Fiber)。 　　三角芯光纤　如图2.3(b)所示，纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55 μm有微量色散，有效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用，康宁公司称它为长距离系统光纤，这是一种非零色散光纤。　　椭圆芯光纤　如图2.3(c)所示，纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性，即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态，因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。 　　以上各种特征不同的光纤，其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大，相应的带宽距离积只有10～20 MHz·km，只能用于小容量(8 Mb/s以下)短距离(几千米以内)系统。渐变型多模光纤的带宽距离积可达1～2 GHz·km，适用于中等容量(34～140 Mb/s)中等距离(10～20 km)系统。大容量(622 Mb/s～2.5 Gb/s)长距离(30 km以上)系统要用单模光纤。 　　特种单模光纤能大幅度提高光纤通信系统的水平。1.55 μm色散移位光纤实现了10 Gb/s 容量的100 km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 2.2　光纤传输原理　　要详细描述光纤传输原理，需要求解由麦克斯韦方程组导出的波动方程。但在极限(波数k=2π/λ非常大，波长λ→0)条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法比较直观，容易理解，但并不十分严格。不管是射线方程还是波动方程，数学推演都比较复杂，我们只选取其中主要部分和有用的结果。2.2.1　几何光学方法　　用几何光学方法分析光纤传输原理，我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。 　　1. 突变型多模光纤　　数值孔径为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如图2.4。光线在光纤端面以小角度θ从空