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1、第1章 光纤的传输理论,2,光纤中光传输的两种理论 射线光学（几何光学）：忽略波长的光学，用光射线代表光能量传输路线；（多模光纤）波动光学：光场（电磁场）利用麦氏方程组及全部边界条件求解方程,3,主要内容,1.1 光纤的基本性质1.2 介质平板波导1.3 阶跃折射率光纤的模式理论1.4 渐变折射率光纤的近似分析1.5 单模光纤,4,1.1 光纤的基本性质,光纤的结构、分类和光的传输光纤的传输性质光纤类型的发展演变,5,1、光纤的结构、分类和光的传输,光纤的基本结构：纤芯，包层，涂敷层,纤芯,6,光缆,六纤光缆,外护套,弹性加强件,缓冲加强件,纸/塑料包扎带,基本光纤结构单元,隔离铜导体,聚亚胺
2、酯/PVC铠装,7,缆芯结构,层绞式,大束管式,骨架式,带式,8,(2)分类 按原材料分：石英光纤；多组成分玻璃光纤；塑料包层光纤；全塑光纤,玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。,9,按光纤横截面折射率分布：阶跃折射率光纤（Step-Index Fiber）渐变折射率光纤（Graded-Index Fiber）,按传输模式数量分：多模光纤 单模光纤,10,小结：石英光纤分类：多模阶跃折射率光纤 多模渐变折射
3、率光纤 单模阶跃折射率光纤,11,光纤的结构、分类和光的传输,D=0.002 0.01,D=0.01 0.03,12,（3）光的传输 多模阶跃折射率光纤中光的传输 回顾 几何光学中全反射条件(斯涅耳折射定律),13,用全反射原理分析多模阶跃折射率光纤中光的传输,临界角,存在问题：脉冲展宽,14,子午光线和斜射线,15,多模阶跃折射率光纤的最大群时延差,16,多模渐变折射率光纤中的光传输,折射率分布射线方程,近轴子午光线(和光纤轴线夹角很小),17,对抛物线分布得对近轴光线，有,18,自聚焦光纤中的光射线：子午线,上式可近似为抛物线分布,结论：当折射率分布取双曲正割函数时，所有子午光线具有完善的
4、自聚焦性质,19,自聚焦光纤中的光射线：偏射线,不在一个平面内的空间曲线，不与光纤轴线相交；在两个焦散面之间振荡；若两个焦散面重合，偏射线为螺旋线；螺旋线不产生自聚焦，仍有群时延差。,20,若要得到螺旋线，折射率分布应为,若要子午线聚焦，折射率分布应为 该形式中偏射线不能自聚焦,总结,21,2.光纤的传输性质(1)损耗（Attenuation）(2)色散（Dispersion）(3)非线性效应（Non-Linear Effects in Fiber）,22,23,损耗计算（dB/km）Pin：输入光功率 Pout：输出光功率 L：光纤长度低损耗窗口 0.85 mm(2.5dB/km)1.3 m
5、m(0.4dB/km)1.55mm(0.2dB/km),(1)光纤的损耗,Corning SMF-28 光纤的损耗,24,产生损耗的因素纤芯和包层物质的吸收损耗纤芯和包层物质的散射损耗光纤表面的随机畸变或粗糙产生的波导散射损耗光纤弯曲面所产生的辐射损耗,25,石英光纤的固有损耗 本征吸收:SiO2 分子振动引起，红外与紫外吸收 本征散射：瑞利散射 分子热骚动 折射率在微观上的随机起伏 光散射 1/4,非固有损耗 非固有吸收(杂质吸收)Fe,Cu,Ni,Cr.OH 离子在 1.39um,1.24um 和 0.95um形成吸收峰；波导色散损耗；附加损耗；外套损耗等,26,光纤的损耗谱,27,（2）
6、色散（Dispersion)模式色散(intermodal dispersion)多模光纤中各模式在同一频率下有不同的群速度，因而形成模式色散。,解决方法：选择光纤折射率分布形式g取最佳值，减小模式色散,28,模内色散（intramodal dispersion）材料色散（Dm）：石英的折射率随波长变化 波导色散（Dw）：某个模式在不同频率下，由于群速度不同引起的色散 偏振模色散：对于单模光纤，两个偏振模式因光纤的不完善而出现传输系数的差异，产生的色散被称为偏振模色散.,29,单模光纤的色散谱,色散参数 D=（d/d）/L（ps/nmkm）t 是群时延,30,总结 多模光纤：模式色散占主流，且
7、光源越接近单色，模式色散愈占主导；单模光纤：材料色散、波导色散、偏振模色散。,31,3、光纤类型的发展演变,多模光纤常规单模光纤(SMF),G.652零色散点在 1310nm在1.55 um波段D(l)=17 ps/nm-km，若传输速率在 10 Gbps 或更高，需要色散补偿 色散位移光纤(DSF),G.653零色散点移动到1.55 um，适合在损耗最低窗口传输高速率信号但由于四波混频（FWM）造成复用信道的串扰，不适合 DWDM 系统非零色散位移光纤(NZDF),G.655在1.55um窗口 D(l)=1 4 ps/nm-km，抑制FWM,支持高速率传输色散补偿光纤(DCF)在1.55um窗口有-100 ps/nm km纯石英芯子光纤（PSCF）大有效面积（110m2），低损耗(0.17dB/km)光子晶体光纤,
