lat現(xiàn)代通信技術(shù)之2光纖通信技術(shù)

1、2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤1l概述概述l光纖和光纜光纖和光纜l光纖通信中的光源和光電檢測(cè)器光纖通信中的光源和光電檢測(cè)器l光端機(jī)光端機(jī)l光纖通信系統(tǒng)光纖通信系統(tǒng)l光放大器光放大器l光纖通信主要應(yīng)用技術(shù)光纖通信主要應(yīng)用技術(shù)1.1什么是光纖通信什么是光纖通信1.2光纖通信的發(fā)展史光纖通信的發(fā)展史1.3光纖通信的特點(diǎn)光纖通信的特點(diǎn)1.4光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)的組成l利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號(hào)的通信方式，稱(chēng)利用光導(dǎo)纖維傳輸光波信號(hào)的通信方式，稱(chēng)為光纖通信。為光纖通信。l光纖通信的工作區(qū)域光纖通信的工作區(qū)域在近紅外區(qū)，其波長(zhǎng)是在近紅外區(qū)，其波長(zhǎng)是0.80.81

2、.8m1.8m，對(duì)應(yīng)的頻率為，對(duì)應(yīng)的頻率為167167375THz375THz。l光纖通信技術(shù)的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)起到了光纖通信技術(shù)的發(fā)展十分迅速，已經(jīng)起到了舉足輕重的地位，發(fā)展前景十分廣闊。舉足輕重的地位，發(fā)展前景十分廣闊。 2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤4l我國(guó)古代使用的烽火臺(tái)就是大氣光通信的最好例子。我國(guó)古代使用的烽火臺(tái)就是大氣光通信的最好例子。后來(lái)的手旗、燈光甚至交通紅綠燈等均可劃入光通信后來(lái)的手旗、燈光甚至交通紅綠燈等均可劃入光通信的范疇。的范疇。l18801880年，美國(guó)科學(xué)家貝爾發(fā)明光電話。光通信開(kāi)始起年，美國(guó)科學(xué)家貝爾發(fā)明光電話。光通信開(kāi)始起

3、源發(fā)展。源發(fā)展。l19601960年年, ,美國(guó)人梅曼發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器。美國(guó)人梅曼發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器。l19661966年，英籍華人高錕指出：如果能夠減少玻璃絲光年，英籍華人高錕指出：如果能夠減少玻璃絲光纖中的雜質(zhì)含量，就可以制造出損耗低于纖中的雜質(zhì)含量，就可以制造出損耗低于20dB/km20dB/km的光的光纖。纖。 l19701970年是使光纖通信發(fā)展出現(xiàn)跨越的一年，美國(guó)康寧年是使光纖通信發(fā)展出現(xiàn)跨越的一年，美國(guó)康寧公司研制出了損耗系數(shù)為公司研制出了損耗系數(shù)為20dB/km20dB/km的光纖的光纖. .同年，美貝同年，美貝爾公司研制出使用壽命長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的半導(dǎo)體激光器。爾公司研制

4、出使用壽命長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的半導(dǎo)體激光器。光纖通信從此進(jìn)入飛速發(fā)展。光纖通信從此進(jìn)入飛速發(fā)展。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤5l第一代：工作于第一代：工作于0.85m0.85m波段，多模光纖，傳輸速率波段，多模光纖，傳輸速率2020100Mb/s100Mb/s，最大中繼距離，最大中繼距離10km10km，最大通信容量，最大通信容量500(Mb/s)km500(Mb/s)km。l第二代：工作于第二代：工作于1.31m1.31m波段，采用能克服模間色散限波段，采用能克服模間色散限制的單模光纖制的單模光纖, ,最大通信容量最大通信容量85(Gb/s)km 85(Gb/s

5、)km 。l第三代：工作于第三代：工作于1.55m1.55m波段，最大通信容量波段，最大通信容量1000(Gb/s)km 1000(Gb/s)km 。l第四代：采用光放大器第四代：采用光放大器(OA)(OA)增加中繼距離和采用頻分增加中繼距離和采用頻分與波分復(fù)用與波分復(fù)用(FDM(FDM與與WDM)WDM)增加比特率。增加比特率。l第五代：以光孤子為通信載體，采用光時(shí)分復(fù)用和光波第五代：以光孤子為通信載體，采用光時(shí)分復(fù)用和光波分復(fù)用聯(lián)合復(fù)用的通信手段?？蓪?shí)現(xiàn)超大容量超高速率分復(fù)用聯(lián)合復(fù)用的通信手段?？蓪?shí)現(xiàn)超大容量超高速率的光通信。的光通信。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院

6、李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤6從通信網(wǎng)來(lái)看從通信網(wǎng)來(lái)看l第一代為純電信網(wǎng)第一代為純電信網(wǎng)l第二代通信網(wǎng)僅僅是用光纖代替銅線，使通信第二代通信網(wǎng)僅僅是用光纖代替銅線，使通信網(wǎng)的性能得到了某種改善，而網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔羌芫W(wǎng)的性能得到了某種改善，而網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涔羌芑旧现暗哪Ｊ?，光波通信的潛力尚未完全基本上之前的模式，光波通信的潛力尚未完全發(fā)揮。發(fā)揮。l第三代通信網(wǎng)為全光通信網(wǎng)。第三代通信網(wǎng)為全光通信網(wǎng)。19901990年后，隨著年后，隨著光纖光纖與與光波電子技術(shù)光波電子技術(shù)的發(fā)展，新穎光纖與半導(dǎo)的發(fā)展，新穎光纖與半導(dǎo)體功能光器件相繼問(wèn)世，掀起了發(fā)展全光通信體功能光器件相繼問(wèn)世，掀起了發(fā)展全光通信網(wǎng)的潮流。這種通信網(wǎng)中，

7、不僅用光波系統(tǒng)傳網(wǎng)的潮流。這種通信網(wǎng)中，不僅用光波系統(tǒng)傳輸信號(hào)，交換、復(fù)用、控制與路由選擇等亦全輸信號(hào)，交換、復(fù)用、控制與路由選擇等亦全部在光域完成，由此構(gòu)建真正的光波通信網(wǎng)。部在光域完成，由此構(gòu)建真正的光波通信網(wǎng)。 2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤7光纖通信與其它通信手段的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，一是載波頻率很光纖通信與其它通信手段的主要區(qū)別有兩點(diǎn)，一是載波頻率很高；二是用光纖作為傳輸介質(zhì)，其高；二是用光纖作為傳輸介質(zhì)，其優(yōu)勢(shì)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：l傳輸頻帶寬，通信容量大：傳輸頻帶寬，通信容量大：理論上一個(gè)光纖可以同時(shí)傳理論上一個(gè)光纖可以同時(shí)傳

8、輸近輸近100100億路電話和億路電話和10001000萬(wàn)路電視節(jié)目，而實(shí)用水平為每對(duì)光纖萬(wàn)路電視節(jié)目，而實(shí)用水平為每對(duì)光纖傳輸傳輸4848萬(wàn)多路電話信號(hào)。萬(wàn)多路電話信號(hào)。在實(shí)際使用中，光纖傳輸容量可以滿在實(shí)際使用中，光纖傳輸容量可以滿足任何條件下信息傳輸?shù)男枰?。足任何條件下信息傳輸?shù)男枰?。l中繼距離遠(yuǎn)：中繼距離遠(yuǎn)：中繼距離是指?jìng)鬏斁€路上不加放大器時(shí)信號(hào)中繼距離是指?jìng)鬏斁€路上不加放大器時(shí)信號(hào)所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x，光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離所能傳輸?shù)淖畲缶嚯x，光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)可達(dá)200200多公里，而同軸電纜系統(tǒng)的最大中繼距離僅為多公里，而同軸電纜系統(tǒng)的最大中繼距離僅

9、為6 6公里。公里。l抗電磁干擾能力強(qiáng)，無(wú)串話：抗電磁干擾能力強(qiáng)，無(wú)串話：干擾對(duì)通信系統(tǒng)的影響是干擾對(duì)通信系統(tǒng)的影響是通過(guò)干擾信號(hào)頻譜落在通信系統(tǒng)工作頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生的，通過(guò)干擾信號(hào)頻譜落在通信系統(tǒng)工作頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生的，光纖光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)特定的頻率范圍，使它不易受各種電磁干擾的中傳輸?shù)墓庑盘?hào)特定的頻率范圍，使它不易受各種電磁干擾的影響。同時(shí)光纖是由高純度的二氧化硅材料制成的，不導(dǎo)電，影響。同時(shí)光纖是由高純度的二氧化硅材料制成的，不導(dǎo)電，也無(wú)電感效應(yīng)。也無(wú)電感效應(yīng)。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤82022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李

10、愛(ài)濤9l保密性好：保密性好：保密性好是通信系統(tǒng)又一重要要求。對(duì)信息的竊取通保密性好是通信系統(tǒng)又一重要要求。對(duì)信息的竊取通常有三個(gè)途徑：一是直接接入式竊聽(tīng)；二是竊聽(tīng)計(jì)算機(jī)和終端設(shè)常有三個(gè)途徑：一是直接接入式竊聽(tīng)；二是竊聽(tīng)計(jì)算機(jī)和終端設(shè)備輻射的電磁場(chǎng)；三是竊聽(tīng)電纜源輻射的電磁場(chǎng)。對(duì)于第一種竊備輻射的電磁場(chǎng)；三是竊聽(tīng)電纜源輻射的電磁場(chǎng)。對(duì)于第一種竊聽(tīng)可以采取保密口令，信息加密等技術(shù)；對(duì)于第二種竊聽(tīng)可以采聽(tīng)可以采取保密口令，信息加密等技術(shù)；對(duì)于第二種竊聽(tīng)可以采取加強(qiáng)電磁屏蔽措施，但電纜系統(tǒng)的完全屏蔽通常是比較困難的，取加強(qiáng)電磁屏蔽措施，但電纜系統(tǒng)的完全屏蔽通常是比較困難的，現(xiàn)代偵聽(tīng)技術(shù)已能做到在離同軸

11、電纜幾千米的地方竊聽(tīng)電纜中傳現(xiàn)代偵聽(tīng)技術(shù)已能做到在離同軸電纜幾千米的地方竊聽(tīng)電纜中傳輸?shù)男盘?hào)。但光波在光纖中傳輸，不易泄漏出來(lái)，難于用傳統(tǒng)的輸?shù)男盘?hào)。但光波在光纖中傳輸，不易泄漏出來(lái)，難于用傳統(tǒng)的方法竊聽(tīng)其中的信息，同時(shí)，它也不會(huì)干擾其它通訊設(shè)備的正常方法竊聽(tīng)其中的信息，同時(shí)，它也不會(huì)干擾其它通訊設(shè)備的正常工作。工作。l光纖細(xì)，光纜輕：光纖細(xì)，光纜輕：144144芯光纜橫截面直徑不到芯光纜橫截面直徑不到1818毫米，而標(biāo)準(zhǔn)同毫米，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為軸電纜為4747毫米，利用光纖這個(gè)特點(diǎn)可以解決地下管道擁擠問(wèn)題。毫米，利用光纖這個(gè)特點(diǎn)可以解決地下管道擁擠問(wèn)題。l資源豐富，節(jié)約有色金屬和能源：資源豐

12、富，節(jié)約有色金屬和能源：光纖的主要原材料是二氧化硅。光纖的主要原材料是二氧化硅。據(jù)測(cè)量，從上海至北京鋪設(shè)一條電纜線路需要用銅據(jù)測(cè)量，從上海至北京鋪設(shè)一條電纜線路需要用銅800800噸，鉛噸，鉛300300噸。在保持同樣的傳輸容量下，僅需要噸。在保持同樣的傳輸容量下，僅需要1010公斤石英。因此，光纖公斤石英。因此，光纖通信技術(shù)的推廣將節(jié)約大量的金屬材料。通信技術(shù)的推廣將節(jié)約大量的金屬材料。l經(jīng)濟(jì)效益好。經(jīng)濟(jì)效益好。l抗腐蝕、不怕潮濕?？垢g、不怕潮濕。 2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤10l光纖在生產(chǎn)過(guò)程中光纖表面存在微裂紋，從而使光纖光纖在生產(chǎn)過(guò)程中光纖表面

13、存在微裂紋，從而使光纖的抗拉強(qiáng)度低；的抗拉強(qiáng)度低；l光纖的連接比較困難，必須使用專(zhuān)門(mén)的工具和儀表；光纖的連接比較困難，必須使用專(zhuān)門(mén)的工具和儀表；l光分路、耦合不是十分方便；光分路、耦合不是十分方便；l光纖彎曲半徑不能太小等。光纖彎曲半徑不能太小等。l這些缺陷的影響在實(shí)際工程和維護(hù)工作中都可以避免這些缺陷的影響在實(shí)際工程和維護(hù)工作中都可以避免或解決?；蚪鉀Q。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤11u 基本單元為三個(gè)部分：基本單元為三個(gè)部分：光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)、光纖光纖和和光接收機(jī)光接收機(jī)。u光發(fā)射機(jī)由光發(fā)射機(jī)由半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體光源( (核心核心) )、驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器和和

14、調(diào)制器調(diào)制器組成，其功能為將待發(fā)送的組成，其功能為將待發(fā)送的電信號(hào)進(jìn)行電電信號(hào)進(jìn)行電/ /光轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換出的光信號(hào)最大限度的注入光纖中進(jìn)行傳輸。光轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換出的光信號(hào)最大限度的注入光纖中進(jìn)行傳輸。光源采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管光源采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管LEDLED（熒光）或者半導(dǎo)體激光二極管（熒光）或者半導(dǎo)體激光二極管LDLD（激光）。（激光）。u光纖在實(shí)用系統(tǒng)中一般以光纜的形式存在；其功能為把來(lái)自光發(fā)送機(jī)的光信光纖在實(shí)用系統(tǒng)中一般以光纜的形式存在；其功能為把來(lái)自光發(fā)送機(jī)的光信號(hào)，以盡可能小的畸變和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。號(hào)，以盡可能小的畸變和衰減傳輸?shù)焦饨邮諜C(jī)。u光接收機(jī)由光接收機(jī)由光檢測(cè)器光檢測(cè)

15、器、放大電路放大電路和和信號(hào)恢復(fù)電路信號(hào)恢復(fù)電路組成，其功能為將光纖傳來(lái)組成，其功能為將光纖傳來(lái)的光信號(hào)進(jìn)行光的光信號(hào)進(jìn)行光/ /電轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)進(jìn)行放大和恢復(fù)。電轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換出的電信號(hào)進(jìn)行放大和恢復(fù)。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤122.1 光纖的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)光纖的結(jié)構(gòu)與分類(lèi)2.2 用射線法分析光波在光纖中的傳輸用射線法分析光波在光纖中的傳輸2.3 單模光纖單模光纖2.4 光纖的損耗特性和色散特性光纖的損耗特性和色散特性2.5 光纜的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)光纜的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤13一、一、 光纖的結(jié)

16、構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 目前通信用的光纖大多采用石英玻璃目前通信用的光纖大多采用石英玻璃(SiO(SiO) )制成的橫截面很小的雙層同心圓柱體，未經(jīng)制成的橫截面很小的雙層同心圓柱體，未經(jīng)涂涂覆和套塑時(shí)稱(chēng)為裸光纖，如圖所示。覆和套塑時(shí)稱(chēng)為裸光纖，如圖所示。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤14 光纜中的光纖一般是指經(jīng)過(guò)兩次涂覆后的光纜中的光纖一般是指經(jīng)過(guò)兩次涂覆后的光纖芯線，它的剖面結(jié)構(gòu)如圖所示。光纖芯線，它的剖面結(jié)構(gòu)如圖所示。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤15二、二、 光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi) 1. 1. 按照折射率分布不同來(lái)分按照折射率分

17、布不同來(lái)分 通常采用的是階躍型光纖和漸變型光纖兩種。通常采用的是階躍型光纖和漸變型光纖兩種。 2b 2b 2b 2b 2c 2b 2b 2c 2a 2a 2a 2a 2a 2a n n n n n n n n1 1 n n1 1 n n1 1 n n2 2 n n2 2 n n2 2 n n3 3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a a）階躍光纖）階躍光纖 （b b） 漸變光纖漸變光纖 （c c）W W型光纖型光纖 2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤162.2.按照傳輸?shù)目偰?shù)來(lái)分按照傳輸

18、的總模數(shù)來(lái)分 所謂模式，實(shí)質(zhì)上是電磁場(chǎng)的一種分布形式。所謂模式，實(shí)質(zhì)上是電磁場(chǎng)的一種分布形式。模式不同，其分布不同，根據(jù)光纖中傳輸模式數(shù)量模式不同，其分布不同，根據(jù)光纖中傳輸模式數(shù)量來(lái)分，可分為單模光纖和多模光纖。來(lái)分，可分為單模光纖和多模光纖。 (1)(1) 單模光纖單模光纖(SM-Single mode fiber)(SM-Single mode fiber)：?jiǎn)文文９饫w是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模( (最低階模最低階模) )，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于

19、高碼速傳輸是非常重要的。帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。 (2) (2) 多模光纖多模光纖(MM-Multi mode fiber)(MM-Multi mode fiber)：在一定在一定的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí)，則這種光纖稱(chēng)的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí)，則這種光纖稱(chēng)為多模光纖。為多模光纖。 2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤174. 4. 按按ITU-TITU-T建議分類(lèi)建議分類(lèi) 按照按照ITU-TITU-T關(guān)于光纖類(lèi)型的建議，可以將光纖分為關(guān)于光纖類(lèi)型的建議，可以將光纖分為G.651G.651光纖光纖( (漸變型多模光纖漸變型多模

20、光纖) )、G.652G.652光纖光纖( (常規(guī)單模光纖常規(guī)單模光纖) )、G.653G.653光纖光纖( (色散位移光纖色散位移光纖) )、G.654G.654光纖光纖( (截止波長(zhǎng)光纖截止波長(zhǎng)光纖) )和和G.655G.655光光纖纖( (非零色散位移光纖非零色散位移光纖) ) 。 5. 5. 按套塑按套塑( (二次涂覆層二次涂覆層) )可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖?？梢詫⒐饫w分為松套光纖和緊套光纖。 現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。3.3.按光纖的工作

21、波長(zhǎng)分類(lèi)按光纖的工作波長(zhǎng)分類(lèi) 按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤182.2 用射線法分析光波在光纖中的傳輸用射線法分析光波在光纖中的傳輸l分析光纖的導(dǎo)光原理，一般可采用兩種方法：一是波動(dòng)理論法，分析光纖的導(dǎo)光原理，一般可采用兩種方法：一是波動(dòng)理論法，一是射線法。一是射線法。l波動(dòng)理論法：根據(jù)電磁場(chǎng)理論，用麥?zhǔn)戏匠糖蠼夤饫w的場(chǎng)方程、波動(dòng)理論法：根據(jù)電磁場(chǎng)理論，用麥?zhǔn)戏匠糖蠼夤饫w的場(chǎng)方程、特征方程，根據(jù)解答式分析其傳輸特性的方法；特

22、征方程，根據(jù)解答式分析其傳輸特性的方法；l射線法：將光波看成一條條光射線。用光射線來(lái)研究光波傳輸射線法：將光波看成一條條光射線。用光射線來(lái)研究光波傳輸特性的方法，稱(chēng)為射線法。特性的方法，稱(chēng)為射線法。l后者比較簡(jiǎn)單、直觀。后者比較簡(jiǎn)單、直觀。l在這里，我們僅用射線法分析光波在光纖中的傳輸。在這里，我們僅用射線法分析光波在光纖中的傳輸。一、一、 光波在兩介質(zhì)交界面的反射和折射光波在兩介質(zhì)交界面的反射和折射二、二、 光波的全反射光波的全反射三、三、 光纖中光射線的分析光纖中光射線的分析 2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤19一、一、 光波在兩介質(zhì)交界面的反射和折射光波

23、在兩介質(zhì)交界面的反射和折射l光波在均勻介質(zhì)中傳輸時(shí)，其軌跡是一條直線，當(dāng)光光波在均勻介質(zhì)中傳輸時(shí)，其軌跡是一條直線，當(dāng)光射線射到兩種介質(zhì)交界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射。射線射到兩種介質(zhì)交界面時(shí)，將發(fā)生反射和折射。l反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，并且反面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，并且反射角等于入射角，即：射角等于入射角，即：13。l折射定律折射定律 ：折射光線位于入射光線和法線所決定的平：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：面內(nèi)，折射光線和

24、入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1sin1=n2sin2動(dòng)畫(huà)描述2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤20二、二、 光波的全反射光波的全反射l產(chǎn)生全反射的條件是：產(chǎn)生全反射的條件是：n1n2； 901cl階躍型光纖就是利用光波的全反射原理，階躍型光纖就是利用光波的全反射原理，將光波限制在纖芯中向前傳播。將光波限制在纖芯中向前傳播。動(dòng)畫(huà)描述2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤21三、三、 光纖中光射線的分析光纖中光射線的分析 采用射線法討論階躍型光纖和漸變型光纖的導(dǎo)光原理。采用射線法討論階躍型光纖和漸變型光纖的導(dǎo)光原理。1. 1. 階躍

25、型光纖中光射線的分析階躍型光纖中光射線的分析 (1)(1) 階躍型光纖中的光射線階躍型光纖中的光射線 一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，光纖中光線的傳一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，光纖中光線的傳播分兩種情形：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的播分兩種情形：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱(chēng)為子午射線，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱(chēng)為子午面；另一稱(chēng)為子午射線，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱(chēng)為子午面；另一種情形是光線在傳播過(guò)程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不與光種

26、情形是光線在傳播過(guò)程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱(chēng)為斜射線。纖的軸線相交，這種光線稱(chēng)為斜射線。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤22(2) (2) 階躍型光纖中主要特性參數(shù)的定義階躍型光纖中主要特性參數(shù)的定義 相對(duì)折射指數(shù)差相對(duì)折射指數(shù)差 n n和和n n差的大小直接影響著光纖的性能，我們引入相對(duì)折差的大小直接影響著光纖的性能，我們引入相對(duì)折射指數(shù)差這樣一個(gè)物理量來(lái)表示它們相差的程度，用射指數(shù)差這樣一個(gè)物理量來(lái)表示它們相差的程度，用表示，表示，即即 當(dāng)當(dāng)n n與與n n的差別極小時(shí)，這種光纖稱(chēng)為弱導(dǎo)波光纖，經(jīng)的差別極小時(shí)，這種光纖稱(chēng)為

27、弱導(dǎo)波光纖，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單推導(dǎo)，可知其相對(duì)折射指數(shù)差可用近似式表示：過(guò)簡(jiǎn)單推導(dǎo)，可知其相對(duì)折射指數(shù)差可用近似式表示： 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑是表示光纖捕捉光射線能力的物理量。數(shù)值孔徑是表示光纖捕捉光射線能力的物理量。 數(shù)值孔徑用數(shù)值孔徑用NANA表示。根據(jù)折射定律，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得出它的表示。根據(jù)折射定律，經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可得出它的表示式為：表示式為：2122212nnn 121nnn 2sin12221maxnnnNA2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤23 （3 3）階躍型光纖的導(dǎo)光原理）階躍型光纖的導(dǎo)光原理 階躍型光纖是靠全反射原理將光波限制在纖芯中階躍型光纖是靠全反射原

28、理將光波限制在纖芯中并向前傳播。光射線射入光纖端面的角度必須在最大并向前傳播。光射線射入光纖端面的角度必須在最大入射角以?xún)?nèi)。入射角以?xún)?nèi)。（4 4）弱導(dǎo)光纖的特點(diǎn)）弱導(dǎo)光纖的特點(diǎn)纖芯和包層的折射率差別極小，其比值約為一。此纖芯和包層的折射率差別極小，其比值約為一。此情況下，全反射的臨界角約為情況下，全反射的臨界角約為9090度。度。光纖中的波接近于均勻平面波。臨界角接近光纖中的波接近于均勻平面波。臨界角接近9090度，度，說(shuō)明此時(shí)射線幾乎和光纖軸線平行。說(shuō)明此時(shí)射線幾乎和光纖軸線平行。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤242 2. . 漸變型光纖中光射線的分析漸變

29、型光纖中光射線的分析 漸變型光纖中的射線也分為子午線和斜射線兩種，漸變型光纖中的射線也分為子午線和斜射線兩種，下面只討論子午線。下面只討論子午線。 (1)(1) 漸變型光纖的導(dǎo)光機(jī)理漸變型光纖的導(dǎo)光機(jī)理 非均勻光纖是靠折射原理將子午線限制在纖芯中非均勻光纖是靠折射原理將子午線限制在纖芯中向前傳播。向前傳播。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤25(2) (2) 漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布漸變型光纖的最佳折射指數(shù)分布 如果選用合適的如果選用合適的n n( (r r) )分布，就有可能使纖芯中的不同射線以分布，就有可能使纖芯中的不同射線以同樣的軸向速度前進(jìn)，從而可以

30、減小光纖中的模式色散。同樣的軸向速度前進(jìn)，從而可以減小光纖中的模式色散。 子午線的自聚焦子午線的自聚焦 在漸變型光纖中，不同射線具有相同軸向速度的這種現(xiàn)象，在漸變型光纖中，不同射線具有相同軸向速度的這種現(xiàn)象，稱(chēng)為自聚焦現(xiàn)象，具有這種自聚焦現(xiàn)象的光纖稱(chēng)為稱(chēng)為自聚焦現(xiàn)象，具有這種自聚焦現(xiàn)象的光纖稱(chēng)為自聚焦自聚焦光纖。光纖。 最佳折射指數(shù)分布的形式最佳折射指數(shù)分布的形式 經(jīng)過(guò)理論分析和推導(dǎo)得出，纖芯中的折射指數(shù)按平方律型分經(jīng)過(guò)理論分析和推導(dǎo)得出，纖芯中的折射指數(shù)按平方律型分布的漸變型光纖具有較小的模式色散，因此，可認(rèn)為該形式接近布的漸變型光纖具有較小的模式色散，因此，可認(rèn)為該形式接近于最佳折射率分布

31、。于最佳折射率分布。 其折射指數(shù)分布表達(dá)式為：其折射指數(shù)分布表達(dá)式為： 漸變型光纖的本地?cái)?shù)值孔徑漸變型光纖的本地?cái)?shù)值孔徑 漸變型光纖本地?cái)?shù)值孔徑的表達(dá)式為：漸變型光纖本地?cái)?shù)值孔徑的表達(dá)式為：ararnrn2/12)(21)0()(2221)()(nrnrNA2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤26 單模光纖是在給定的工作波長(zhǎng)上，只單模光纖是在給定的工作波長(zhǎng)上，只傳輸單一模式的光纖。傳輸單一模式的光纖。 一、一、 光纖中的模式傳輸光纖中的模式傳輸 二、二、 單模光纖的主模單模光纖的主模 三、三、 單模光纖的單模傳輸條件單模光纖的單模傳輸條件 四、四、 單模光纖的特性

32、參數(shù)單模光纖的特性參數(shù)2.3 單模光纖單模光纖2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤27一、一、 光纖中的模式傳輸光纖中的模式傳輸 模式是波動(dòng)理論的概念。在波動(dòng)理論中，一種電磁模式是波動(dòng)理論的概念。在波動(dòng)理論中，一種電磁場(chǎng)的分布稱(chēng)之為一個(gè)模式。在射線理論中，通常認(rèn)為一場(chǎng)的分布稱(chēng)之為一個(gè)模式。在射線理論中，通常認(rèn)為一個(gè)傳播方向的光線對(duì)應(yīng)一種模式，有時(shí)也稱(chēng)之為射線模個(gè)傳播方向的光線對(duì)應(yīng)一種模式，有時(shí)也稱(chēng)之為射線模式。式。 弱導(dǎo)光纖中的模式用弱導(dǎo)光纖中的模式用LPmnLPmn表示。其中表示。其中m m表示該模式表示該模式的場(chǎng)分量沿光纖圓周方向的最大值有的場(chǎng)分量沿光纖圓周方

33、向的最大值有m m對(duì)，對(duì)，n n表示沿光纖表示沿光纖直徑的最大值有直徑的最大值有n n對(duì)，不同的對(duì)，不同的mnmn對(duì)應(yīng)著不同的模式。對(duì)應(yīng)著不同的模式。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤282. 2. 光纖的歸一化頻率和歸一化截止頻率光纖的歸一化頻率和歸一化截止頻率 判斷某一種模式能否在光纖中傳輸，一般是通過(guò)光判斷某一種模式能否在光纖中傳輸，一般是通過(guò)光纖歸一化頻率纖歸一化頻率V V值的大小來(lái)判斷。值的大小來(lái)判斷。 由階躍型光纖場(chǎng)方程可推出由階躍型光纖場(chǎng)方程可推出 從式中可看出，從式中可看出，V V值的大小決定于光纖的參數(shù)，而且值的大小決定于光纖的參數(shù)，而且它是一

34、個(gè)直接和光的頻率成正比的無(wú)量綱的量。它是一個(gè)直接和光的頻率成正比的無(wú)量綱的量。 經(jīng)理論分析證明，若光纖所傳信號(hào)的歸一化頻率經(jīng)理論分析證明，若光纖所傳信號(hào)的歸一化頻率V V與與某一模式的歸一化截止頻率某一模式的歸一化截止頻率VcVc相比，如果相比，如果VVcVVc，在此模，在此模式的光信號(hào)可在光纖中導(dǎo)行，否則，被截止。式的光信號(hào)可在光纖中導(dǎo)行，否則，被截止。 故，光纖中模式的導(dǎo)行條件為故，光纖中模式的導(dǎo)行條件為VVcVVc，截止條件為，截止條件為VVcVVc，臨界條件為，臨界條件為V=VcV=Vc。ancfankV1102222022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤29

35、 在下表中，列出了在截止情況下階躍型光纖各種在下表中，列出了在截止情況下階躍型光纖各種模式的歸一化截止頻率值。模式的歸一化截止頻率值。 截止情況下截止情況下Lpmn模的模的Vc值值 m n 0 1 2 1 0 2.40483 3.83171 2 3.83171 5.52008 7.01559 3 7.01559 8.65373 10.173472022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤30二、二、 單模光纖的主模單模光纖的主模 由上表中看出，在階躍型光纖的眾多模式中，只由上表中看出，在階躍型光纖的眾多模式中，只有當(dāng)有當(dāng)m m= =0 0、n n= =1 1時(shí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)

36、，所對(duì)應(yīng)的LPLP0101模的歸一化截止頻率最模的歸一化截止頻率最低，此模式的低，此模式的V Vc c=0=0，說(shuō)明此模式在任何頻率時(shí)都可以傳，說(shuō)明此模式在任何頻率時(shí)都可以傳輸。輸。 因此，因此，LPLP0101模是階躍型光纖中的最低工作模式，又模是階躍型光纖中的最低工作模式，又稱(chēng)為主模或基模。稱(chēng)為主模或基模。 如果在階躍型光纖中只傳輸如果在階躍型光纖中只傳輸LPLP0101模時(shí)，則此階躍型模時(shí)，則此階躍型光纖即為單模光纖。因此光纖即為單模光纖。因此LPLP0101模是單模光纖的主模。模是單模光纖的主模。三、三、 單模光纖的單模傳輸條件單模光纖的單模傳輸條件 單模光纖的單模傳輸條件是：?jiǎn)文９饫w

37、的單模傳輸條件是： Vc(LP01)Vc(LP01)V VV(LP11) V(LP11) 即即 0 0V V2.404832.404832022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤31四、單模光纖的特性參數(shù)四、單模光纖的特性參數(shù)1 1. . 衰減系數(shù)衰減系數(shù) 衰減是決定中繼距離長(zhǎng)短的主要因素。衰減量的大小通常用衰減是決定中繼距離長(zhǎng)短的主要因素。衰減量的大小通常用衰減系數(shù)衰減系數(shù)來(lái)表示，單位是來(lái)表示，單位是dB/kmdB/km。 outinPPLlg1040483. 2221anc2. 2. 截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng) 截止波長(zhǎng)為單模光纖特有的參數(shù)，通?？捎盟鼇?lái)判斷光纖中截止波長(zhǎng)為單

38、模光纖特有的參數(shù)，通?？捎盟鼇?lái)判斷光纖中是否單模工作。光纖中第一高次模的截止波長(zhǎng)為是否單模工作。光纖中第一高次模的截止波長(zhǎng)為只有當(dāng)工作波長(zhǎng)大于此截止波長(zhǎng)時(shí)，才能保證單模工作。只有當(dāng)工作波長(zhǎng)大于此截止波長(zhǎng)時(shí)，才能保證單模工作。3. 3. 模場(chǎng)直徑模場(chǎng)直徑 基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面上的分布與光纖結(jié)構(gòu)有關(guān)，模場(chǎng)直徑基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面上的分布與光纖結(jié)構(gòu)有關(guān)，模場(chǎng)直徑就是衡量光纖橫截面上一定場(chǎng)強(qiáng)范圍的物理量。類(lèi)似于通頻帶的就是衡量光纖橫截面上一定場(chǎng)強(qiáng)范圍的物理量。類(lèi)似于通頻帶的概念。概念。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤32一、光纖的損耗特性一、光纖的損耗特性 光波在光纖

39、中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸下降，這就是光纖的功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗傳輸損耗。 光纖本身?yè)p耗的原因，大致包括兩類(lèi)：吸收損光纖本身?yè)p耗的原因，大致包括兩類(lèi)：吸收損耗和散射損耗。耗和散射損耗。 吸收損耗是光波通過(guò)光纖材料時(shí)，有一部分光吸收損耗是光波通過(guò)光纖材料時(shí)，有一部分光能變成熱能，造成光功率的損失。能變成熱能，造成光功率的損失。 散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分散射損耗是由于光纖的材料、形狀、折射率分布布不均勻不均勻等的缺陷，使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射，等的缺陷，使光纖中傳導(dǎo)的光發(fā)生散射，由此產(chǎn)生的損耗為散射損耗。由此產(chǎn)生的損

40、耗為散射損耗。 2.4 光纖的損耗特性和色散特性光纖的損耗特性和色散特性2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤33二、二、 光纖的色散特性光纖的色散特性 由于光纖中色散的存在，會(huì)使得輸入脈沖在傳輸由于光纖中色散的存在，會(huì)使得輸入脈沖在傳輸過(guò)程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限過(guò)程中展寬，產(chǎn)生碼間干擾，增加誤碼率，這樣就限制了通信容量和傳輸距離。制了通信容量和傳輸距離。1. 1. 光纖色散的概念光纖色散的概念 簡(jiǎn)單地說(shuō)，光纖的色散就是由于光纖中光信號(hào)中簡(jiǎn)單地說(shuō)，光纖的色散就是由于光纖中光信號(hào)中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時(shí)，由的不同頻率成分或不同的

41、模式，在光纖中傳輸時(shí)，由于速度的不同而使得傳播時(shí)間不同，因此造成光信號(hào)于速度的不同而使得傳播時(shí)間不同，因此造成光信號(hào)中的不同頻率成分或不同模式到達(dá)光纖終端有先有后，中的不同頻率成分或不同模式到達(dá)光纖終端有先有后，從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。從而產(chǎn)生波形畸變的一種現(xiàn)象。 從光纖色散產(chǎn)生的機(jī)理來(lái)看，它包括模式色散、從光纖色散產(chǎn)生的機(jī)理來(lái)看，它包括模式色散、材料色散和波導(dǎo)色散三種。材料色散和波導(dǎo)色散三種。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤34l在多模光纖中，不同模式在同一頻率下傳輸，模在多模光纖中，不同模式在同一頻率下傳輸，模式之間存在時(shí)延差，這種色散稱(chēng)為式之間存在時(shí)

42、延差，這種色散稱(chēng)為模式色散模式色散。l材料色散是由于光纖材料本身的折射率隨頻率而材料色散是由于光纖材料本身的折射率隨頻率而變化，使得信號(hào)各頻率成分的群速不同，引起的變化，使得信號(hào)各頻率成分的群速不同，引起的色散稱(chēng)為色散稱(chēng)為材料色散材料色散。l由于光纖的幾何結(jié)構(gòu)、形狀等方面的不完善，使由于光纖的幾何結(jié)構(gòu)、形狀等方面的不完善，使得光波一部分在纖芯中傳輸，而另一部分在包層得光波一部分在纖芯中傳輸，而另一部分在包層中傳輸，由于纖芯和包層的折射率不同，這樣造中傳輸，由于纖芯和包層的折射率不同，這樣造成脈沖展寬的現(xiàn)象，稱(chēng)為波導(dǎo)色散，或稱(chēng)結(jié)構(gòu)色成脈沖展寬的現(xiàn)象，稱(chēng)為波導(dǎo)色散，或稱(chēng)結(jié)構(gòu)色散。散。 2.光纖中的

43、色散光纖中的色散2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤353. 色散的表示方法色散的表示方法l色散的大小用時(shí)延差來(lái)表示。色散的大小用時(shí)延差來(lái)表示。l時(shí)延：信號(hào)傳輸單位長(zhǎng)度時(shí)，所需要的時(shí)間。時(shí)延：信號(hào)傳輸單位長(zhǎng)度時(shí)，所需要的時(shí)間。l時(shí)延差：不同速度的信號(hào)，傳輸同樣的距離，所時(shí)延差：不同速度的信號(hào)，傳輸同樣的距離，所需時(shí)間不同，即時(shí)延不同，這種時(shí)延上的差別為需時(shí)間不同，即時(shí)延不同，這種時(shí)延上的差別為時(shí)延差，用時(shí)延差，用表示。其單位為表示。其單位為ps/kmnm。l時(shí)延差可由信號(hào)中的不同頻率成分引起，也可由時(shí)延差可由信號(hào)中的不同頻率成分引起，也可由不同的模式成分引起。不同

44、的模式成分引起。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤362.5 光纜的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)光纜的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)l光纜的構(gòu)造：光纜的構(gòu)造一般分為纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三大光纜的構(gòu)造：光纜的構(gòu)造一般分為纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三大部分。部分。l纜芯：在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，纜芯：在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，由單根或多根光纖芯線由單根或多根光纖芯線組成。組成。其結(jié)構(gòu)與光纖的安全運(yùn)行關(guān)系很大。一般來(lái)說(shuō)，纜芯結(jié)其結(jié)構(gòu)與光纖的安全運(yùn)行關(guān)系很大。一般來(lái)說(shuō)，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：構(gòu)應(yīng)滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，

45、保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響；纜受到一定的拉力、側(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。l加強(qiáng)元件：用于增強(qiáng)光纜敷設(shè)時(shí)可承受的負(fù)荷。一般是金屬絲加強(qiáng)元件：用于增強(qiáng)光纜敷設(shè)時(shí)可承受的負(fù)荷。一般是金屬絲或非金屬纖維?；蚍墙饘倮w維。l護(hù)層：光纜護(hù)層是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。其作用護(hù)層：光纜護(hù)層是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。其作用是進(jìn)一步保

46、護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過(guò)河、跨海等。管道、直埋、室內(nèi)、過(guò)河、跨海等。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤37光纜的典型結(jié)構(gòu)光纜的典型結(jié)構(gòu)l光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種l我國(guó)及歐亞各國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層我國(guó)及歐亞各國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。絞式和骨架式兩種。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤38l

47、層絞式：此結(jié)構(gòu)光纜類(lèi)似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱(chēng)為層絞式：此結(jié)構(gòu)光纜類(lèi)似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱(chēng)為古典式光纜。古典式光纜。l結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、光纖密度高、價(jià)格便宜。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、光纖密度高、價(jià)格便宜。l光纖直接繞在光纜的加強(qiáng)芯上，施工使用過(guò)程中容易受外部光纖直接繞在光纜的加強(qiáng)芯上，施工使用過(guò)程中容易受外部側(cè)壓力和內(nèi)部應(yīng)力的影響。側(cè)壓力和內(nèi)部應(yīng)力的影響。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤39l骨架式：光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面骨架式：光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是可以是 V V形、形、U U 形或其他合理的形狀，

48、槽的縱向呈螺旋形或形或其他合理的形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦形，一個(gè)空槽可放置正弦形，一個(gè)空槽可放置510510根一次涂覆光纖。根一次涂覆光纖。l與層絞式相比，重量輕、裝纖密度大。與層絞式相比，重量輕、裝纖密度大。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤40l束管式：此結(jié)構(gòu)的光纜近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把束管式：此結(jié)構(gòu)的光纜近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纜芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其松套管擴(kuò)大為整個(gè)纜芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。中。l光纖活動(dòng)空間大，改善了光纖在光纜內(nèi)受壓、拉、彎曲時(shí)的受光纖活動(dòng)空間大，改善了光纖在光纜內(nèi)

49、受壓、拉、彎曲時(shí)的受力狀態(tài)。纜芯細(xì)、尺寸小、容易制造、成本低、壽命長(zhǎng)。力狀態(tài)。纜芯細(xì)、尺寸小、容易制造、成本低、壽命長(zhǎng)。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤41l帶狀式：此結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶帶狀式：此結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。l結(jié)構(gòu)緊湊、光纖密度高，可做到多根光纖一次接續(xù)。結(jié)構(gòu)緊湊、光纖密度高，可做到多根光纖一次接續(xù)。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤42光纜的種類(lèi)光纜的種類(lèi)光纜的種類(lèi)很多，其分

50、類(lèi)方法也很多，習(xí)慣的分類(lèi)有：光纜的種類(lèi)很多，其分類(lèi)方法也很多，習(xí)慣的分類(lèi)有：l根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途，光纜可以分為市話光纜、根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途，光纜可以分為市話光纜、長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶光纜；長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶光纜；l根據(jù)光纖的種類(lèi)，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；根據(jù)光纖的種類(lèi)，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；l根據(jù)光纖套塑的種類(lèi)，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束根據(jù)光纖套塑的種類(lèi)，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜；管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜；l根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，

51、光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；l根據(jù)加強(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜根據(jù)加強(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如如層絞式光纜、骨架式光纜等層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管式光如束管式光纜纜)和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如帶狀式光纜如帶狀式光纜)；l根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；和水底光纜；l根據(jù)護(hù)層材料性質(zhì)，光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、根據(jù)護(hù)層材料性質(zhì)，光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。防鼠光纜等。

52、2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤43 在這一節(jié)主要介紹光發(fā)射部分中的光源和光接在這一節(jié)主要介紹光發(fā)射部分中的光源和光接收部分中的光電檢測(cè)器。它們是光纖通信中非常重收部分中的光電檢測(cè)器。它們是光纖通信中非常重要的電要的電/ /光和光光和光/ /電轉(zhuǎn)換器件。電轉(zhuǎn)換器件。 3.13.1 激光器的一般工作原理激光器的一般工作原理 3.2 3.2 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 3 3. .3 3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)(LED) 3.4 3.4 光源的直接調(diào)制方式光源的直接調(diào)制方式 3.5 3.5 半導(dǎo)體光電檢測(cè)器半導(dǎo)體光電檢測(cè)器 光纖通信中的光源和光電

53、檢測(cè)光纖通信中的光源和光電檢測(cè)器器2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤443.1 激光器的一般工作原理激光器的一般工作原理 光子的概念光子的概念 19051905年，愛(ài)因斯坦提出光量子學(xué)說(shuō)，認(rèn)為光是由能年，愛(ài)因斯坦提出光量子學(xué)說(shuō)，認(rèn)為光是由能量為量為hfhf（h=6.626h=6.6261034J1034Js s，普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，f f是光波頻是光波頻率）的光量子組成。率）的光量子組成。不同頻率的光子具有不同的能量，攜帶信息的光波不同頻率的光子具有不同的能量，攜帶信息的光波所具有的能量是所具有的能量是hfhf的整數(shù)倍。光子與物質(zhì)碰撞時(shí)，其能的整數(shù)倍。光子與

54、物質(zhì)碰撞時(shí)，其能量被吸收或發(fā)射。量被吸收或發(fā)射。光具有波動(dòng)性和粒子性。光具有波動(dòng)性和粒子性。光子的產(chǎn)生：光子的產(chǎn)生：自發(fā)輻射自發(fā)輻射、受激輻射受激輻射 2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤45l激光器是只能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。它應(yīng)包括以激光器是只能夠產(chǎn)生激光的自激振蕩器。它應(yīng)包括以下三個(gè)部分：能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)；能夠使工作下三個(gè)部分：能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)；能夠使工作物質(zhì)具有放大作用的激勵(lì)源；能夠完成頻率選擇及反物質(zhì)具有放大作用的激勵(lì)源；能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。l能夠產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)：在一定的條件下，可以在能夠產(chǎn)生激光

55、的工作物質(zhì)：在一定的條件下，可以在所需要的光波范圍內(nèi)輻射光子。所需要的光波范圍內(nèi)輻射光子。l泵浦源：是能夠使工作物質(zhì)具有放大作用的激勵(lì)源。泵浦源：是能夠使工作物質(zhì)具有放大作用的激勵(lì)源。在泵浦源的激勵(lì)下，工作物質(zhì)被激活，成為激活物質(zhì)在泵浦源的激勵(lì)下，工作物質(zhì)被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)?；蛟鲆嫖镔|(zhì)。l光學(xué)諧振腔：增益物質(zhì)只能使光放大，要形成激光振光學(xué)諧振腔：增益物質(zhì)只能使光放大，要形成激光振蕩還需要有光學(xué)諧振腔。蕩還需要有光學(xué)諧振腔。l激光器模型激光器模型2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤463.2 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器一、一、 半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光

56、器的結(jié)構(gòu)l用半導(dǎo)體材料作為激活物質(zhì)的激光器。用半導(dǎo)體材料作為激活物質(zhì)的激光器。l半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可分為：同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器從結(jié)構(gòu)上可分為：同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器和雙異質(zhì)結(jié)半激光器、單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器和雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。導(dǎo)體激光器。二、二、 半導(dǎo)體激光器的工作特性半導(dǎo)體激光器的工作特性l閾值特性閾值特性l光譜特性光譜特性l溫度特性溫度特性l轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤47閾值特性閾值特性l對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，對(duì)于半導(dǎo)體激光器，當(dāng)外加正向電流達(dá)到某一值時(shí)，輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)

57、生激光振蕩，這個(gè)輸出光功率將急劇增加，這時(shí)將產(chǎn)生激光振蕩，這個(gè)電流值稱(chēng)為閾值電流。電流值稱(chēng)為閾值電流。l當(dāng)當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的時(shí)，發(fā)出的是激光。是激光。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤48光譜特性光譜特性l半導(dǎo)體激光器的光譜，隨著激勵(lì)電流變化。當(dāng)半導(dǎo)體激光器的光譜，隨著激勵(lì)電流變化。當(dāng)IIth時(shí)，發(fā)出的是熒光，因此，光譜很寬，當(dāng)時(shí)，發(fā)出的是熒光，因此，光譜很寬，當(dāng)IIth后，后，發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)發(fā)射光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加，表明發(fā)出激光。出激光。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤49溫度特

58、性溫度特性l激光器的閾值電流和光輸出功激光器的閾值電流和光輸出功率隨溫度變化的特性為溫度特率隨溫度變化的特性為溫度特性。性。l溫度主要對(duì)溫度主要對(duì)LD的閾值電流、輸?shù)拈撝惦娏?、輸出光功率及峰值工作波長(zhǎng)影響出光功率及峰值工作波長(zhǎng)影響較大。較大。l為了降低溫度對(duì)為了降低溫度對(duì)LD的影響，可的影響，可以采用兩種方法：選擇溫度特以采用兩種方法：選擇溫度特性?xún)?yōu)異的新型性?xún)?yōu)異的新型LD，或通過(guò)一個(gè)，或通過(guò)一個(gè)外加的自動(dòng)溫度控制電路。外加的自動(dòng)溫度控制電路。2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤50轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率l半導(dǎo)體激光器是把電功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，半導(dǎo)體激光器是把電

59、功率直接轉(zhuǎn)換成光功率的器件，衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率表示。衡量轉(zhuǎn)換效率的高低常用功率轉(zhuǎn)換效率表示。l激光器的功率轉(zhuǎn)換效率，定義為輸出光功率與消耗電激光器的功率轉(zhuǎn)換效率，定義為輸出光功率與消耗電功率之比，用功率之比，用p表示。表示。l其中，其中，R是與激光器的內(nèi)部量子效率、激光波長(zhǎng)和模式是與激光器的內(nèi)部量子效率、激光波長(zhǎng)和模式損耗有關(guān)的常數(shù)，損耗有關(guān)的常數(shù)，V是工作電壓，是工作電壓，Ith為閾值電流，為閾值電流，I是是工作電流。工作電流。)1 (IIVRthp2022-4-21理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院理學(xué)與信息科學(xué)學(xué)院李?lèi)?ài)濤李?lèi)?ài)濤513.3 半導(dǎo)體發(fā)光二極管半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)l在光纖

60、通信中使用的光源，除了半導(dǎo)體激光器以外，在光纖通信中使用的光源，除了半導(dǎo)體激光器以外，還有半導(dǎo)體發(fā)光二極管。它除了沒(méi)有光學(xué)諧振腔以外，還有半導(dǎo)體發(fā)光二極管。它除了沒(méi)有光學(xué)諧振腔以外，其它方面與激光器相同，它是無(wú)閾值器件，它的發(fā)光其它方面與激光器相同，它是無(wú)閾值器件，它的發(fā)光只限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光。只限于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光。l主要特性：光譜較寬、閾值特性曲線線性較好、與光主要特性：光譜較寬、閾值特性曲線線性較好、與光纖的耦合率低、壽命長(zhǎng)、溫度特性好纖的耦合率低、壽命長(zhǎng)、溫度特性好l主要應(yīng)用在中、低速短距離光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和光纖主要應(yīng)用在中、低速短距離光纖數(shù)字通信系統(tǒng)和光纖模擬信號(hào)傳輸系