第2章 光纤通信地基本原理.ppt

第2章 光纤通信的基本原理 本章内容 2.1 光纤的结构与分类 2.2 光纤传光原理 2.3 光纤中的传输模式 2.4 光纤中的传输损耗 2.5 光纤的色散特性 2.6 光纤的物理机械特性 2.1光纤的结构与分类 2.1.1光纤的结构 光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。 2.1光纤的结构与分类 纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm， 单模光纤的纤芯为4μm～10μm； 多模光纤的纤芯为50μm。 纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以保证光信号在光纤中的传输。 2.1光纤的结构与分类 包层：包层位于纤芯的周围。 直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，从而使得光信号封闭在纤芯中传输。 2.1光纤的结构与分类 涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。 2.1光纤的结构与分类 2.1.2光纤的类型 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。 2.1光纤的结构与分类 1.按光纤材料分类 ①石英光纤。石英光纤是目前应用最广泛的光纤，其主要材料为二氧化硅，并掺有少量改变折射率的掺杂剂。具有损耗低、频带宽的特点，现在已广泛 应用于有线电视和通信系统。 2.1光纤的结构与分类 ②多组份玻璃光纤。是以二氧化硅为主体材料，掺有较多碱金属、碱土金属氧化物的玻璃光纤。具有制造工艺简单，但机械强度低、可靠性差的特点，目前已基本不再使用。 2.1光纤的结构与分类 ③塑料光纤（POF）。塑料光纤是由高透明聚合物如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）作为芯层材料，PMMA、氟塑料等作为皮层材料的一类光纤（光导纤维）。它的特点是制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。但由于损耗较大，带宽较小，这种光纤只适用于短距离低速率通信，如短距离计算机网链路、船舶内通信等。 2.1光纤的结构与分类 ④氟化物光纤。氟化物光纤（Fluoride Fiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。是迄今为止研究最多的光纤，它的主要特点是具有最低的损耗，经大量的理论计算表明，氟化物光纤的最低损耗在2.5um附近约为10-3dB/km，比SiO2光纤的最低损耗要低2-3个数量级，如按当前SiO2光纤无中继距离100km的水平计算 ，可以推测氟化物光纤无中继距离可达到10000km以上。 2.1光纤的结构与分类 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)。 多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数目决定的，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。 2.1光纤的结构与分类 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯/包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传输模式。 2.1光纤的结构与分类 多模光纤：顾名思义，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。 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输 2.1光纤的结构与分类 单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。 优点：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，这对于高码速长途传输是非常重要的。 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。 2.1光纤的结构与分类 3.按光纤截面上折射率分布分类 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