《光网络技术》课件第2章.ppt

第2章光纤、光器件

及光系统

Ø2.1光纤及光缆

Ø2.2光源器件

Ø2.3光检测器

Ø2.4无源光器件

Ø2.5光通信系统

光网络主要由光纤、光源、光检测器及相关的光无源器件

等组成。本章主要介绍这些组成部分的工作原理、分类、特性

指标及应用等。

2.1光纤及光缆

2.1.1光纤的结构及分类

1.光纤的结构

光纤是光纤通信系统中的重要组成部件，是光信号传输

的介质。光纤的结构取决于它的应用和传输特性，通信系统中

使用的光纤一般为圆柱形。下面将介绍光纤通信系统中光纤的

基本结构。

1)光纤的基本结构

光纤通信系统中的光纤一般由纤芯、包层和涂覆层三个部

分组成，如图2-1所示。

(1)纤芯。纤芯位于光纤的中心部位，直径d1为4μm～50

μm，其中单模光纤的纤芯直径为4μm～10μm，多模光纤的纤

芯直径为50μm。纤芯的主要成分是高纯度SiO2

，其中掺有极少量的掺杂剂(如GeO2，P2O5)。掺杂剂的作

用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号。

图2-1光纤的基本结构示意图

(2)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

是适当地降低包层对光的折射率(n2)，使其略低于纤芯的折射

率，即n1＞n2，这样光信号可封闭在纤芯中传输。

(3)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。其中一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机

硅或硅橡胶等材料;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材料。涂覆的作用是保

护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时还可增加光纤的机械强

度与可弯曲性，延长光纤的使用寿命。涂覆后的光纤其外径约

为1.5mm，通常所说的光纤指的就是这种光纤。

2)光纤的折射率分布与光线的传播

在光纤中，光线的传播路径和光纤的纤芯及其包层折射率

的分布有关。图2-2所示为两种典型光纤的折射率分布情况,其

中一种称为阶跃折射率光纤;另一种称为渐变折射率光纤。

光在阶跃折射率光纤中和渐变折射率光纤中的传播轨迹分

别如图2-3和图2-4所示。

从图2-3和图2-4中可见，光线在阶跃折射率多模光纤中的

传播轨迹近似于折线，而在渐变折射率多模光纤中的传播轨迹

近似于正弦曲线。

图2-2光纤的折射率分布

图2-3光在阶跃折射率多模光纤中的传播示意图

图2-4光在渐变折射率多模光纤中的传播示意图

2.光纤的分类

光纤有多种分类方式，若按光纤传输模的数量分类，则可

将光纤分为多模光纤和单模光纤；若按光纤传输光信号波的波

长分类，则可将光纤分为短波长光纤和长波长光纤；若按光纤

套塑结构分类,则可分为紧套光纤和松套光纤。下面我们将分

别进行介绍。

1)按传输模数分类

按传输模的数量不同可将光纤分为多模光纤和单模光纤。

传播模式的概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的

几何尺寸远大于光波波长时，那么光在光纤中会以几十种乃至

几百种的传播模式进行传播,如图2-5所示,其中这些不同的光束

称为模式。

(1)多模光纤。当光纤的几何尺寸(主要是纤芯直径d1)远大

于光波波长(约1μm)时，在光纤传输的过程中会存在着几十种

乃至几百种的传输模式，这样的光纤称为多模光纤,如图2-4和

图2-5所示。

图2-5光在阶跃折射率光纤中的传播示意图

(2)单模光纤。当光纤的几何尺寸(主要是纤芯直径d1)较小

，且与光波波长处在同一数量级时，如纤芯直径d1在4μm～10

μm的范围内，这时，光纤只允许一种模式(基模)在其中传播，

其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤,如图2-6所

示。

由于单模光纤具有大容量长距离的传输特性，因此在光纤

通信系统中得到广泛的应用。ITU-T建议规范了四种单模光纤

：G.652、G.653、G.654和G.655光纤。

图2-6光在单模光纤中的传播示意图

①G.652光纤。G.652光纤也称标准单模光纤(SMF)，是指

色散零点(即色散为零的波长)在1310nm附近的光纤。它的折

射率分布如图2-7所示,其中图2-7(a)表示的阶跃折射率设计称为

匹配包层型，图2-7(b)表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层

型。

图2-7G.652光纤的折射率②G.653光纤。G.653光纤也称色

散位移光纤(DSF)，是指色散零点在1550nm附近的光纤。它相

对于G.652光纤，其色散零点发生了移动，所以叫色散位移光

纤。

③G.654光纤。G.654光纤是截止波长移位的单模光纤,其

设计重点