【正文】 纜 光纖的分類： 折射率分布 按折射率分布情況分：階躍型 (SI， step index)和漸變（ GI， graged index）型光纖。這種非零色散位移光纖不僅可用于現(xiàn)在的單信道、超高速傳輸，而且還可適應(yīng)于將來用波分復(fù)用來擴(kuò)容，是一種既滿足當(dāng)前需要，又兼顧將來發(fā)展的理想傳輸媒介。現(xiàn)在這種光纖已用于通信干線網(wǎng)，特別是用于海纜通信類的超高速率、長(zhǎng)中繼距離的光纖通信系統(tǒng)中。 2023/2/10 23 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類： 傳輸窗口 為了使光纖較好地工作在 m處，人們?cè)O(shè)計(jì)出一種新的光纖，叫做色散位移光纖（ DSF）。 我們知道單模光纖沒有模式色散所以具有很高的帶寬，那么如果讓單模光纖工作在 m波長(zhǎng)區(qū)，不就可以實(shí)現(xiàn)高帶寬、低損耗傳輸了嗎？但是實(shí)際上并不是這么簡(jiǎn)單。 m常規(guī)單模光纖的主要參數(shù)是由國(guó)際電信聯(lián)盟 ITU－ T在 G652建議中確定的，因此這種光纖又稱 G652光纖。后來又發(fā)現(xiàn)在 m波長(zhǎng)處，單模光纖的材料色散和波導(dǎo)色散一為正、一為負(fù)，大小也正好相等。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數(shù)字信號(hào)的頻率，而且隨距離的增加會(huì)更加嚴(yán)重。 光纖損耗一般是隨波長(zhǎng)加長(zhǎng)而減小， m的損耗為 , m的損耗為 ， m的損耗為 ， 這是光纖的最低損耗，波長(zhǎng) m以上的損耗趨向加大。目前通信中普遍使用的是石英系光纖。 2023/2/10 18 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類：材料 按照制造光纖所用的材料分，有石英系光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層石英芯光纖、全塑料光纖和氟化物光纖等。 2023/2/10 16 Chapter 2 光纖和光纜 2023/2/10 17 Chapter 2 光纖和光纜 當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光線是否還能沿光纖傳播呢？因?yàn)槿魏瓮ㄐ啪€路都不可能完全筆直。也就是說，纖芯的折射率比包層的折射率稍微大一些。 2023/2/10 15 Chapter 2 光纖和光纜 現(xiàn)在所說的通信光纖，是由纖芯和包層兩部分組成的，如前圖所示。 2023/2/10 13 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的結(jié)構(gòu) Refractive Index (n) Diameter (r) Cladding Primary coating (., soft plastic) Core 140 ?m 100 ?m 2023/2/10 14 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的結(jié)構(gòu) 層光波導(dǎo)是絕緣結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)沿傳播方向是理想均勻的。 光纖為 光導(dǎo)纖維 的簡(jiǎn)稱，由直徑大約為 。 預(yù)備知識(shí) 2023/2/10 7 Chapter 2 光纖和光纜 Electromagic Spectrum Frequency Wavelength 1 Mm 1 km 1 m 1 mm 1 pm 1 nm 1 kHz 1 MHz 1 GHz 1 THz 1 ZHz 1 YHz c = f ? l ? n c: Speed of light ( m/181。（ total internal reflection ） 2023/2/10 6 Chapter 2 光纖和光纜 要產(chǎn)生全反射，必須有兩個(gè)條件：第一，光必須從折射率大的介質(zhì)射入折射率小的介質(zhì)；其次，入射角必須大于臨界角。不同的介質(zhì)有不同的折射率，光在折射率小的介質(zhì)中跑的快，在折射率大的介質(zhì)中跑得慢。 預(yù)備知識(shí) 光的反射服從反射定理： θ in =θ r，即反射角等于入射角 當(dāng)光以一定的角度從某種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，它的傳播方向也會(huì)改變，在兩種介質(zhì)的分界面上并不沿直線傳播，而是發(fā)生了偏折，光的這種偏折現(xiàn)象叫做折射。 2023/2/10 5 Chapter 2 光纖和光纜 預(yù)備知識(shí) 光的折射服從折射定律： n1sin θ in= n2sinθ z。 全反射定理：光從光密媒質(zhì)（ n1 ）進(jìn)入光疏媒質(zhì)（ n2 ），當(dāng)入射角增大到一定的角度時(shí)，折射光就會(huì)全部消失。二者缺一不可。 s ) f: Frequency l: Wavelength n: Refractive index (vacuum: 。它透明、纖細(xì)，雖比頭發(fā)絲還細(xì)，卻具有把光封閉在其中并沿軸向進(jìn)行傳播的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，它由折射較高的纖芯和折射率較低的包層組成。所以它們的橫向特性就決定了它的光學(xué)性質(zhì)。纖芯區(qū)域完成光信號(hào)的傳輸；包層則是將光封閉在纖芯內(nèi)，并保護(hù)纖芯，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度。這就滿足了全反射的一個(gè)條件?；卮鹗强隙ǖ?。 塑料光纖是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）制成的。 2023/2/10 19 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類： 傳輸模式 按光在光纖中的傳輸模式可分為： 單模光纖 和 多模光纖 。由于 OHˉ 的吸收作用， ~ m和 ~ m范圍內(nèi)都有損耗高峰，這兩個(gè)范圍未能充分利用。 多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。這就是說在 m波長(zhǎng)處，單模光纖的總色散為零。 2023/2/10 22 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類： 傳輸窗口 按最佳傳輸頻率窗口分：常規(guī)型單模光纖和色散位移型單模光纖。常規(guī)單模光纖在 m處的色散比在 m處色散小得多。 這種光纖可以對(duì)色散進(jìn)行補(bǔ)償，使光纖的零色散點(diǎn)從 m處移到 m附近。色散位移光纖雖然用于單信道、超高速傳輸是很理想的傳輸媒介，但當(dāng)它用于波分復(fù)用多信道傳輸時(shí)，又會(huì)由于光纖的非線性效應(yīng)而對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生干擾。 還有一種單模光纖是色散平坦型單模光纖。 階躍型：光纖的纖芯折射率高于包層折射率，使得輸入的光能在纖芯一包層交界面上不斷產(chǎn)生全反射而前進(jìn)。 2023/2/10 26 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類： 折射率分布 所以這種光纖的模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高，用于通信不夠理想，只適用于短途低速通訊，比如：工控。 漸變型光纖：光纖中心芯到玻璃包層的折射率是逐漸變小，可使高次模的光按正弦形式傳播，這能減少模間色散，提高光纖帶寬，增加傳輸距離，但成本較高，現(xiàn)在的多模光纖多為漸變型光纖。同樣的過程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產(chǎn)生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進(jìn)?？梢钥闯觯庠跐u變光纖中會(huì)自覺地進(jìn)行調(diào)整，從而最終到達(dá)目的地，這叫做 自聚焦 。 影響中繼距離和通信容量 機(jī)械特性和溫度特性。m (singlemode) ?Physical contact of the glass end surfaces necessary ? Connector cleanliness is paramount ?special cleaning and inspection required Sleeve Ferrule Fiber Key 2023/2/10 34 Chapter 2 光纖和光纜 Connector Brands Photo courtesy of: Diamond SA 2023/2/10 35 Chapter 2 光纖和光纜 光纖連接器類型 ? 按光纖端面類型分為： PC、 UPC、 APC等 ? 按插頭類型分為： ST、 FC、 SC、 LC、 MU等 2023/2/10 36 Chapter 2 光纖和光纜 光纖連接器類型 ? 帶狀光纖連接器： MTPTM/MPO、 MPXTM、 MD 2023/2/10 37 Chapter 2 光纖和光纜 光纖連接器的主要技術(shù)指標(biāo) ? 插入損耗 ? 回波損耗 ? 重復(fù)性與互換性 2023/2/10 38 Chapter 2 光纖和光纜 Connector Inspection Don’t stare into the laser beam (with your remaining eye) Inspection Tool 2023/2/10 39 Chapter 2 光纖和光纜 Connector Care New Connector Damaged Connector 2023/2/10 40 Chapter 2 光纖和光纜 Connector Cleaning Pure Cotton Swabs Isopropyl Alcohol Filtered Air Variety of cleaning methods in use today Example: Clean connector tips with Isopropyl (96% medical alcohol) using adhesive free cotton swabs Immediately dry it with dustfree, non residue pressed air 2023/2/10 41 Chapter 2 光纖和光纜 Splices ? Fusion Splices ?Most mon permanent fiber connection ?Very high performance and reliability ?Insertion loss to dB, no reflection ?Automated splicing tool costs $10k to $50k ? Mechanical Splices ?Permanent and nonpermanent types ?Insertion loss to dB ?Indexmatching liquid used to minimize loss reflections ?Epoxy or UV hardened elastomer based ?Less expensive tools ($100 to $1,000) required Protective sleeve Splice 2023/2/10 42 Chapter 2 光纖和光纜 光纖傳輸理論 2023/2/10 43 Chapter 2 光纖和光纜 導(dǎo)波光：受到約束的光波 光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇? 介質(zhì)光波導(dǎo)三要素： ? “芯 / 包”結(jié)構(gòu) ? 凸形折射率分布， n1n2 ? 低傳輸損耗 光波導(dǎo)基本概念 2023/2/10 44 Chapter 2 光纖和光纜 纖芯包層涂覆層護(hù)套層192。前者描述起來比較復(fù)雜，需要麥克斯韋方程求解，但它可以精確的描述光的傳播特性；后者描述起來比較簡(jiǎn)單直觀，易于理解。 ? dr/dS是光線切向斜率 , 對(duì)于均勻波導(dǎo)， n為常數(shù) ,光線以直 線形式傳播 。 光纖端面投影線是過園心交于纖壁的直線。 在光纖中，把受光角的一半（ θmax） 的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑，即 ， NA ＝ sinθmax 光纖的數(shù)值孔徑大小與纖芯折射率，及纖芯－包層相對(duì)折射率差有關(guān)。但是 NA太大時(shí)，光纖的模畸變加大，會(huì)影響光纖的帶寬。 2023/2/10 60 Chapter 2 光纖和光纜 漸變型多模光纖：漸變折射率分布 （ GRADED INDEX） Refractive index of core material decreases as you travel from the center of core to cladding. 2023/2/10 61 Chapter 2 光纖和光纜 ?漸變折射率分布： ?光線軌跡 : 限制在子午平面內(nèi)傳播的周期曲線。 2023/2/10 63 Chapter 2 光纖和光纜 c2＝ w2e?b2＝ n2 k02b2 b?n(r)k0cos?z ? 波導(dǎo)場(chǎng)方程：是波動(dòng)光學(xué)方法的最基本方程。 每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于某一本征值并滿足全部邊界條件 。光纖的很多特性與之都有關(guān)。 導(dǎo)行條件 VVc 截止條件 VVc 臨界條件 V=Vc 2023/2/10 68 Chapter 2 光纖和光纜 單模工作條件 單模條件 : Vc＝（ 2π /λ ） a√n 12－ n22 ＜ 單模光纖截止波長(zhǎng) : λ c＝（ π a√n 12－ n22） / 單模光纖截止頻率 : fc＝ （ π a√n 12－ n22） 僅當(dāng) λ ＞ λ c或 f＜ fc時(shí)方可在光纖中實(shí)現(xiàn)單模傳輸 .這時(shí) ,在光纖中傳輸?shù)氖?HE11模 ,稱為基模或主模。這種能傳輸多個(gè)模式的光纖就稱為多模光纖。 2023/2/10 72 Chapter 2 光纖和光纜 當(dāng)光纖芯直徑很小時(shí)，光纖只允許與光纖軸方向一致的光線通過，即只允許通過一個(gè)基模。每種光纖都只允許某些特定的光波通過，而其他形式的光波在光纖中無法存在。前者的傳輸損耗小，能作遠(yuǎn)距離傳輸，稱為傳導(dǎo)模。 光纖的傳播模式 2023/2/10 75 Cha