【正文】 這里僅作簡單討論。但是，這種現(xiàn)象也可以為我們所利用，因?yàn)槿绻覀冊诎l(fā)送端對接收到的這部分光的強(qiáng)弱進(jìn)行分析，可以檢查出這根光纖的斷點(diǎn)、缺陷和損耗大小。因此，對于在外部觀察的人來說，看到的好像是光撞到粒子以后，向四面八方飛散出去了。這個現(xiàn)象是由瑞利最先發(fā)現(xiàn)的，所以人們把這種散射命名為“瑞利散射”。 通過研究，還發(fā)現(xiàn)石英玻璃中有一些過渡金屬雜質(zhì)，如銅、鐵、鉻、錳等。 我們知道，物質(zhì)是由原子、分子構(gòu)成的，而原子又由原子核和核外電子組成，電子以一定的軌道圍繞原子核旋轉(zhuǎn)。這些都是光纖使用條件引起的損耗。這說明光纖中有某些物質(zhì)或因某種原因，阻擋光信號通過。 ③ 進(jìn)入光纖的光在芯包交界面上的入射角大于臨界角時，就在光纖內(nèi)產(chǎn)生全反射；而入射角小于臨界角的光就有一部分進(jìn)入包層，被很快衰減掉。其中，模次較低的模為低次模，如二次模；模次較高的模為高次模。當(dāng)光纖中出現(xiàn)輻射模時即認(rèn)為導(dǎo)波 截止 2023/2/10 67 Chapter 2 光纖和光纜 模式的截止 經(jīng)理論分析可知，將光纖所傳信號的歸一化頻率值 V與某一模式的歸一化截止頻率 Vc相比，若 VVc，則這種模式的光信號可在光纖中導(dǎo)行；若 VVc，則這種模式截止。通常將本征解定義為“模式” . 0),(),(),(),( 22 ???????????????yxHyxEyxHyxEt ????c波導(dǎo)場方程 2023/2/10 64 Chapter 2 光纖和光纜 每一個模式對應(yīng)于沿光波導(dǎo)軸向傳播的一種電磁波 。 數(shù)值孔徑 2023/2/10 59 Chapter 2 光纖和光纜 “multipath” 時間延遲 Intermodal (between modes) Dispersion。不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不同。 ? 由光線方程可以直接求出光線軌跡表達(dá)式 。 1 181。和上述完全相同的過程不斷重復(fù)進(jìn)行，由此實(shí)現(xiàn)了光波的傳輸。 為了解決階躍光纖存在的弊端，人們又研制、開發(fā)了 漸變折射率多模光纖 ，簡稱 漸變光纖 。 2023/2/10 25 Chapter 2 光纖和光纜 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。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、長中繼距離的光纖通信系統(tǒng)中。 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)際上并不是這么簡單。后來又發(fā)現(xiàn)在 m波長處，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。 光纖損耗一般是隨波長加長而減小， 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 m以上的損耗趨向加大。 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。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 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)，這個結(jié)構(gòu)沿傳播方向是理想均勻的。 預(yù)備知識 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。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。 2023/2/10 5 Chapter 2 光纖和光纜 預(yù)備知識 光的折射服從折射定律： n1sin θ in= n2sinθ z。二者缺一不可。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。纖芯區(qū)域完成光信號的傳輸；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?；卮鹗强隙ǖ摹? 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 。 多模光纖傳輸?shù)木嚯x就比較近，一般只有幾公里。 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。 這種光纖可以對色散進(jìn)行補(bǔ)償，使光纖的零色散點(diǎn)從 m處移到 m附近。 還有一種單模光纖是色散平坦型單模光纖。 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。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)。 影響中繼距離和通信容量 機(jī)械特性和溫度特性。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單直觀，易于理解。 光纖端面投影線是過園心交于纖壁的直線。但是 NA太大時，光纖的?；兗哟螅瑫绊懝饫w的帶寬。 2023/2/10 63 Chapter 2 光纖和光纜 c2＝ w2e?b2＝ n2 k02b2 b?n(r)k0cos?z ? 波導(dǎo)場方程：是波動光學(xué)方法的最基本方程。光纖的很多特性與之都有關(guān)。這種能傳輸多個模式的光纖就稱為多模光纖。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。 光纖的傳播模式 2023/2/10 75 Chapter 2 光纖和光纜 光纖傳輸特性 損耗和色散 Dispersion Attenuation 2023/2/10 76 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的 損耗 :損耗系數(shù) 在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β?P會隨距離 z而變化 .設(shè)長度為L(Km)的光纖，輸入功率為 Pi,其出射功率 Po滿足： Po= Piexp( αL ) 其中 α是損耗系數(shù)，一般它的單位為 dB/Km。 其中，附加損耗是在光纖的鋪設(shè)過程中人為造成的。搞清楚產(chǎn)生損耗的機(jī)理，定量地分析各種因素引起的損耗的大小，對于研制低損耗光纖，合理使用光纖有著極其重要的意義。 2023/2/10 81 Chapter 2 光纖和光纜 材料的吸收 損耗 在光纖中，當(dāng)某一能級的電子受到與該能級差相對應(yīng)的波長的光照射時，則位于低能級軌道上的電子將躍遷到能級高的軌道上。 材料的吸收 損耗 2023/2/10 83 Chapter 2 光纖和光纜 材料的散射 損耗 在黑夜里，用手電筒向空中照射，可以看到一束光柱。 2023/2/10 84 Chapter 2 光纖和光纜 但是這種振動并不是自行產(chǎn)生，它需要一定的能量。這種損耗是可以想辦法克服的，那就是要改善光纖制造的工藝。 劣化的程度隨數(shù)據(jù)速率的平方增大 決定了電中繼器之間的距離 光纖的色散 2023/2/10 89 Chapter 2 光纖和光纜 10000100010010600km1 2 3 4 5 6 7 8 9 10調(diào)制速率 （ Gbps ）小色散光纖－理論上小色散光纖－實(shí)際上傳統(tǒng)光纖－理論上傳統(tǒng)光纖－實(shí)際上色散對傳輸?shù)南拗? 2023/2/10 90 Chapter 2 光纖和光纜 2023/2/10 91 Chapter 2 光纖和光纜 色散的分類 光纖的色散主要由 模式色散 、 材料色散 和 波導(dǎo)色散 組成。其中是纖芯的折射率，是包層的折射率。 ???? 22 1022210anknnaVl?2023/2/10 96 Chapter 2 光纖和光纜 材料 色散 材料色散是由光纖材料自身特性造成的。進(jìn)入包層內(nèi)的這部分光強(qiáng)的大小與光波長有關(guān)，這就相當(dāng)于光傳輸路徑長度隨光波波長的不同而異。 對光纖用戶來說，一般只關(guān)心光纖的總帶寬或總色散。目前通信用的光纖基本上是以石英為主體材料的石英玻璃制造成的。 加強(qiáng)部件起著承受光纜拉力的作用 ， 通常位于纜芯中心 ， 有時也配置在護(hù)套中 。 對多模光纖必須達(dá)到平衡模分布。 2023/2/10 127 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截?cái)喾? BIAS 光源 注入系統(tǒng) 濾模器 Cladding stripper Cladding stripper 檢測器 Amp. 電平測量 待測光纖 2023/2/10 128 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截?cái)喾? 測試系統(tǒng) 主要包括光源、光注入系統(tǒng)、光檢測器及信號處理部分等單元。 在傳播中，由于模變換、模耦合和模衰減，各模攜帶的能量的比例不斷變化，只有經(jīng)過很長的傳輸距離后，各模傳輸能量的比例才能固定下來，即達(dá)到平衡模分布或穩(wěn)態(tài)模分布。 2023/2/10 133 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截?cái)喾? 單模光纖由于僅僅傳輸基模。 注意分析后向散射功率曲線的幾個部分，分別反應(yīng)不同位置的情況（輸入、輸出端面等） 光時域反射儀（ OTDR） 損耗測量： 背向散射法 2023/2/10 136 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的帶寬特性是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，是衡量光纖質(zhì)量的一個重要的參數(shù)，光纖帶寬特性的測量有時域法和頻域法兩種。 2023/2/10 141 Chapter 2 光纖和光纜 色散測量 光纖的色散系數(shù)可表示為： C(l)= ΔΦ/(L ???)? ΔΦ/(2? fo L ??) 其中 ΔΦ為相位移 ?為角頻率， ?? 為波長差， ?? 產(chǎn)生的時延差為 ?? ， ?? ? ΔΦ/ ? 相移法 2023/2/10 142 Chapter 2 光纖和光纜 色散測量：相移法 光源（ ?可變 ） 相位分析儀 光檢測器 正弦波振蕩器 fo A B 待測光纖 l1 l2 Φ1 Φ2 2023/2/10 143 Chapter 2 光纖和光纜 截止波長測量 光纖中傳導(dǎo)模的多少與光纖的歸一化頻率有關(guān)，為保證單模傳輸就得減小歸一化頻率，當(dāng)其減小到一定的時候。掃頻儀從低頻到高頻改變振蕩頻率，在接收端就可以獲得不同的輸出信號，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后就可以得到光纖的頻率特性。但是注入條件要足以激勵起基模，所以單模光纖要使用到濾模器，濾除接近傳輸條件的高次模。 2023/2/10 131 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截?cái)喾? 為了滿足測試的需要，必須加速平衡模建立的過程，即要人為的控制注入條件，使 2米長光纖輸出的場分布接近于平衡模分布。在測量過程中，光源的位置、強(qiáng)度和波長應(yīng)保持穩(wěn)定。 ITUT ITUT 截?cái)喾?為基準(zhǔn)測量方法， 插入法 和 背向散射法（ OTDR法） 為替代測量方法。 我們關(guān)注的重點(diǎn)？ ？ 2023/2/10 123 Chapter 2 光纖和光纜 光纖損耗測量 光纖帶寬測量 光纖色散測量 光纖截止波長測量 2023/2/10 124 Chapter 2 光纖和光纜 用特定波長的光通過光纖，然后測出輸出端相對于輸入端的光功率或幅度、相位等物理量的變化，再經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理而實(shí)現(xiàn)。 2023/2/10 112 Chapter 2 光纖和光纜 光纖檢驗(yàn) 材料提純 預(yù)制棒熔煉 拉絲 套塑 成纜 材料分析檢驗(yàn) 預(yù)制棒檢驗(yàn) 光纖制造流程圖 2023/2/10 113 Chapter 2 光纖和光纜 制造光纖，首先需要制造出一根合適的玻璃棒（通常稱作 預(yù)制棒），然后把預(yù)制棒放入高溫爐中加溫軟化，拉制成光纖。 三種色散的比較 2023/2/10 100 Chapter 2 光纖和光纜