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第 2 章 光纤和光缆2.1 光纤结构和类型2.2 光纤传输原理2.3 光纤传输特性2.4 光缆2.5 光纤特性测量方法封面.ppt#-1,2,PowerPoint 演示文稿返回主目录第 2 章 光 纤 和 光 缆2.1光纤结构和类型 2.1.1光纤结构 光纤(Optical Fiber)是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。纤芯的折射率比包层稍高,损耗比包层更低,光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输 提供反射面和光隔离, 并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2,光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。纤芯和包层的相对折射率差Δ=(n1-n2)/n1的典型值,一般单模光纤为0.3%~0.6%, 多模光纤为1%~2%。Δ越大,把光能量束缚在纤芯的能力越强,但信息传输容量却越小。图2.1 示出光纤的外形。 2.1.2光纤类型 光纤种类很多,这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英(SiO2)制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型, 图2.2示出其横截面的结构和折射率分布,光线在纤芯传播的路径,以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。 这些光纤的主要特征如下。 突变型多模光纤(StepIndex Fiber, SIF)如图2.2(a), 纤芯折射率为n1保持不变,到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80 μm,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变大。 渐变型多模光纤(GradedIndex Fiber, GIF)如图2.2(b), 在纤芯中心折射率最大为n1,沿径向r向外围逐渐变小,直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变小。 模光纤(SingleMode Fiber, SMF)如图2.2 (c),折射率分布和突变型光纤相似,纤芯直径只有8~10 μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式(两个偏振态简并),所以称为单模光纤,其信号畸变很小。 相对于单模光纤而言,突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大,可以容纳数百个模式,所以称为多模光纤。渐变型多模光纤和单模光纤,包层外径2b都选用125μm。 图 2.2三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤; (b) 渐变型多模光纤; (c) 单模光纤 实际上,根据应用的需要,可以设计折射率介于SIF和GIF之间的各种准渐变型光纤。为调整工作波长或改善色散特性,可以在图2.2(c)常规单模光纤的基础上,设计许多结构复杂的特种单模光纤。最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3,这些光纤的特征如下。 双包层光纤如图2.3(a)所示,折射率分布像W形,又称为W型光纤。这种光纤有两个包层,内包层外直径2a′与纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3,调整a值,可以得到在1.3~1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤(DispersionFlattened Fiber, DFF), 或把零色散波长移到1.55 μm的色散移位光纤(DispersionShifted Fiber, DSF)。 图 2.3典型特种单模光纤 (a) 双包层; (b) 三角芯; (c) 椭圆芯 三角芯光纤如图2.3(b)所示,纤芯折射率分布呈三角形, 这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55 μm有微量色散,有效面积较大,适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用,康宁公司称它为长距离系统光纤,这是一种非零色散光纤。 椭圆芯光纤如图2.3(c)所示,纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性,即两个正交偏振模的传输常数不同。 强双折射特性能使传输光保持其偏振状态,因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。 以上各种特征不同的光纤,其用途也不同。突变型多模光纤信号畸变大,相应的带宽只有10~20 MHz·km,只能用于小容量(8 Mb/s以下)短距离(几km以内)系统。 渐变型多模光纤的带宽可达1~2 GHz·km,适用于中等容量(34~140 Mb/s)中等距离(10~20 km)系统。大容量(565 Mb/s~2.5 Gb/s)长距离(30 km以上)系统要用单模光纤。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平。1.55μm色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤适用于波分复用系统,这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤有效面积较大,有利于提高输入光纤的光功率,增加传输距离。外差接收方式的相干光系统要用偏振保持光纤, 这种系统
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