第六章光纤通信(1)
6.2 光纤与光缆
• 6.2.1 光纤的结构与分类 • 6.2.2 光纤的导光原理 • 6.2.3 单模传输条件 • 6.2.4 光纤的传输特性 • 6.2.5 光缆
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6.2.1 光纤的结构与分类
• 1．光纤的结构
– 光纤是由中心的纤芯和外面的包层构成的，一般为 双层或多层的同心圆柱体，为轴对称结构。
• 1960年，美国人梅曼发明第一台红宝石激光器 。 • 1966年，“光纤之父”——高锟博士首次提出光纤通信的
想法，这是光纤通信发展的里程碑。 • 1970年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的光
纤，光纤通信从此进入飞速发展。 • 1977年，芝加哥第一条45Mbit/s的商用线路。 • 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s以及速
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2．光缆的种类
• （1）根据传输性能、距离和用途光缆可分为市话光缆、 长途光缆、海底光缆和用户光缆。
• （2）按光纤的种类可分为多模光缆和单模光缆。 பைடு நூலகம் （3）按光纤套塑方法可分为紧套光缆、松套光缆、束管
式光缆和带状多芯单元光缆。 • （4）按光纤芯数可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、
1．光的反射和折射
• 当光射线射到两种介质交界面时，将发生 反射和折射。
入 射
θ1
θ3
反射
n1
n2
n1＞n2
θ2
折
射
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• 光的全反射
– 当光从光密物质（折射率大的物质）入射进 光疏物质（折射率小大的物质）时。
– 当入射角大于临界角。
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归纳思考
光射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。
• 1990年，565Mbit/s的光纤通信系统进入商用化阶段。 • 1993年，速率622Mbit/s以下SDH产品开始商用化。 • 1995年，速率2.5G bit/s的SDH产品开始商用化。 • 1996年，10G bit/s的SDH产品开始商用化。 • 1997年，20G bit/s和40G bit/s的产品试验取得巨大发展。 • 2005年3.2Tbps超大容量的光纤通信系统在上海至杭州开通，
• （3）护层结构
– 护层的主要作用是保护缆芯，提高机械性能和防护性能。不同的护 层结构适合不同的敷设条件。
– 光缆的护层分为外护层和护套两部分，护套用来防止钢带、加强构 件等金属构件损伤光纤；外护层进一步增强光缆的保护作用。
• （4）填充结构
– 填充结构用来提高光缆的防潮性能，在光缆缆间空隙中注入填充物， 以防止水汽进入光缆。
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1.光缆的结构
• 光缆的基本结构一般由缆芯、加强构件、 填充物和护层等几部分构成，除了这些基 本结构之外，根据实际需要还要有防水层、 缓冲层、绝缘金属导线等构件。
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• （1）缆芯
– 为了进一步保护光缆，增加光纤的强度，一般将带有涂敷层的光纤再套 上一层塑料层，通常称为套塑。将套塑后且满足机械强度要求的单根或 者多根光纤芯线 以不同的形式组合起来，就形成了缆芯。
– 光缆缆芯的基本结构大体上有层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。
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• （2）加强构件
– 加强构件的作用事增加光缆的抗拉强度，提高光缆的机械性能。一 般光缆的加强构件采用镀锌钢丝、钢丝绳、不锈钢或者高强度塑料 加强构件等。一般加强构件位于光缆的中心，也有位于护层的，叫 做护层加强构件。
其他损耗。 归纳思考 • 为什么光纤的工作窗口选择0.85μm、1.31μm、
1.55μm？
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• 光纤损耗的大小与波长有密切的关系，损耗与波长的关 系曲线叫做光纤的损耗谱。
• 石英光纤的损耗谱
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2.光纤的色散特性
• 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由 于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。
1．归一化频率V
• 归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数 目多少而引入的一个特征参数。其方程为：
其中，α——是光纤的纤芯半径； λ——是光纤的工作波长； n1和n2 ——分别是光纤的纤芯和包层折射率； k0 ——真空中的波数； Δ——光纤的相对折射率差。
• 单模传输条件：0＜V＜2.405
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是至今世界容量最大的实用线路。
• 目前研究中的商用速率为数十Tbit/s。
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光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
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• 从光纤的损耗看光纤通信的发展
– 1970年是20dB/km – 1972年是4dB/km – 1974年是1.1dB/km – 1976年是0.5dB/km – 1979年是0.2dB/km – 1990年是0.14 dB/km，已经接近石英光纤的理
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6.2.2 光纤的导光原理
• 分析光纤的导光原理，一般可采用两种方 法：一种是波动理论法，另一是射线法。
– 波动理论法是根据电磁场理论，分析其传输 特性。
– 光可用一条表示光的传播方向的几何线来表 示，这条几何线就称为光射线。用光射线来 研究光波传输特性的方法，称为射线法。
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6.1.3 光纤通信的特点
• 优点
– （1）传输频带宽，通信容量大 – （2）传输衰减小，中继距离长 – （3）抗电磁干扰，传输质量好 – （4）体积小、重量轻、便于施工 – （5）原材料丰富，节约有色金属，有利于环保
• 缺点
– 光纤质地脆，机械强度低；光纤的切断和接续需要一 定的工具设备和技术，光缆的弯曲半径不能过小等等。
论损耗极限值0.1dB/km。
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6.1.2光纤通信的工作波长
• 光波是电磁波的一种，其波长在微米级，频率为1014Hz～ 1015Hz数量级。
• 目前光纤通信使用的波长范围是在近红外区，即波长为 0.8~1.8μm。
• 光纤通信使用的三个工作窗口
– 0.85μm、1.31μm、1.55μm。
• 模式色散
– 模式色散是指即使同一波长的光，若其模式不同，则传播速率也不同， 从而引起色散，又称为模间色散，只存在于多模光纤中。
• 色度色散
– 光源的光谱中不同波长成分的光在传输过程中发生群延时，引起光脉 冲展宽，主要包括材料色散和波导色散。
• 偏振模色散
– 偏振模色散是由于光信号传输会产生两个方向的偏振模，当光纤在光 信号传输的两个方向上的折射率不同而产生的色散叫做偏振模色散。
率为100 Mbit/s的光纤通信系统的试验。 • 1980 年，140Mbit/s光纤通信系统投入商业应用。 • 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。
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• 由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光 缆通信系统于1988年建成。
• 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989 年建成。
• （3）按照光纤的折射率分布分类
– 按照光纤剖面折射率分布的不同，光纤可分为突变型光纤（SIF） 和渐变型光纤（GIF）。
• （4）按照ITU-T建议的分类
– 按照ITU-T关于光纤的建议，光纤分为G.651光纤（渐变多模光纤）、
G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、
G.654光纤（性能最佳单模光纤）、G.655光纤（非零色散位移单模
– 纤芯位于光纤中心，作用是传输光波。包层位于纤 芯外层，作用是将光波限制在纤芯中，同时还起到 一定的机械保护作用。
– 通信用的单模光纤纤芯为4-10μm，多模光纤纤芯直 径为50~85μm，不管单模光纤还是多模光纤，包层 的直径均为125μm。
n
2
n
1
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• 设纤芯和包层的折射率分别为n1和 n2，光 在光纤中传输的必要条件是n1＞n2。
• 损耗系数
(单位：dB/km) Pi和Po分别为入射光功率和出射光功率（mW或W）
• 损耗系数是光纤传输系统中限制光信号中继传输距离的重 要因素之一。
• 光纤损耗大致可以分为吸收损耗、散射损耗和其他损耗。
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• 光纤的传输损耗影响光信号的中继距离。 • 光纤损耗可以分为吸收损耗、散射损耗和
n14 n13 n12 n11 n11 n12 n13 n14
结论： •渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化
利用光的反射和折射 光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播第六章光纤通信(1)
6.2.3 单模传输条件
• 单模光纤是在给定的工作波长上，只传 输单一模式的光纤。
• 单模光纤需要满足什么条件？
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• 色散主要包括模式色散、色度色散和偏振模 色散三种。
• 对于多模光纤，主要是模式色散。 • 对于单模光纤，不存在模式色散，主要是材 归纳思考 料色散。 • 损耗和色散对于光脉冲传输中的影响有什么
不同？
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6.2.5 光缆
• “光缆是为了满足光学、机 械或环境的性能规范而制 造的，它是利用置于包覆 护套中的一根或多根光纤 作为传输媒质并可以单独 或成组使用的通信线缆组 件”。
当光从光密物质照射到光疏物质时，且入射角θ １满足 θc＜θ１＜90°时，会发生全反射现象。
为什么需要纤芯的折射率大于包层的折射率？
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2．阶跃型光纤的传输原理
光线在阶跃型光纤中的传播示意图
结论：
1、阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理 2、光波在纤芯中以“之”字形向前传播。