《光纤与光缆》PPT课件.ppt
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_1.gif)
![资源得分’ title=](/images/score_05.gif)
《《光纤与光缆》PPT课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《《光纤与光缆》PPT课件.ppt(88页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆232.1 光纤概述光纤概述2.2 光纤传输原理光纤传输原理2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性2.4 几种常用于光纤通信系统的光纤几种常用于光纤通信系统的光纤本本章内容章内容4n光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真地从发送端传送到用户端,这首先要求作为传输地从发送端传送到用户端,这首先要求作为传输媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性,媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性,任何信号均能以相同速度任何信号均能以相同速度无损无畸变无损无畸变地传输。地传输。n但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在但实际光纤通信系
2、统中所用的光纤都存在损耗损耗和色散和色散,当信号强度较高时还存在,当信号强度较高时还存在非线性非线性。n?在实际系统中,在实际系统中,光信号到底如何传输?其传输光信号到底如何传输?其传输特性、传输能力究竟如何?特性、传输能力究竟如何?本章讨论的要点。本章讨论的要点。要点要点5 光纤是光导纤维的简写,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光导纤维由前香港中文大学校长高锟发明。微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。通常,光纤的一端的发射装置使用发光二极管(light emitting diode,LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤,光纤的另一端的接
3、收装置使用光敏元件检测脉冲。6 通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周遭环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴电缆相似,只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中,芯的直径是15m50m,大致与人的头发的粗细相当。而单模光纤芯的直径为8m10m。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套,以使光纤保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套,用来保护封套。光纤通常被扎成束,外面有外壳保护。纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体,它质地脆,易断裂,因此需要
4、外加一保护层。7光纤的构造光纤的构造纤芯:高芯:高纯度度SiOSiO2 2+掺杂剂如如GeOGeO2 2等,等,2a2a:950950m包包层:高:高纯度度SiOSiO2 2+掺杂剂如如B B2 2O O3 3,2b2b:125125m 涂覆涂覆层:环氧氧树脂、硅橡胶和尼脂、硅橡胶和尼龙纤芯芯和和包包层都用石英作都用石英作为基本材料,折射率差通基本材料,折射率差通过在在纤芯和包芯和包层进行不同的行不同的掺杂来来实现。n纤芯芯掺入入GeGe和和P P 折射率折射率 n包包层掺入入B B 折射率折射率 2.1 光纤概述光纤概述81.根据芯区折射率径向分布的不同,可分为:根据芯区折射率径向分布的不同
5、,可分为:不同的折射率分布,传输特性完全不同不同的折射率分布,传输特性完全不同光纤的分类光纤的分类9三种主要类型光纤的比较三种主要类型光纤的比较10 阶跃型:阶跃型:光光纤的的纤芯折射率高于包芯折射率高于包层折射率,使得折射率,使得输入的光能在入的光能在纤芯一包芯一包层交界面上不断交界面上不断产生全反射而前生全反射而前进。这种光种光纤纤芯的折射率是均匀的,包芯的折射率是均匀的,包层的折射率稍低一些。的折射率稍低一些。光光纤中心芯到玻璃包中心芯到玻璃包层的折射率是突的折射率是突变的,只有一个台的,只有一个台阶,所以称所以称为阶跃型折射率多模光型折射率多模光纤,简称称阶跃光光纤,也称突,也称突变光
6、光纤。这种光种光纤的的传输模式很多,各种模式的模式很多,各种模式的传输路径不一路径不一样,经传输后到达后到达终点的点的时间也不相同,因而也不相同,因而产生生时延差,延差,使光脉冲受到展使光脉冲受到展宽。所以。所以这种光种光纤的模的模间色散高,色散高,传输频带不不宽,传输速率不能太高,用于通信不速率不能太高,用于通信不够理想,只适用理想,只适用于短途低速通于短途低速通讯,比如:工控。但,比如:工控。但单模光模光纤由于模由于模间色散色散很小,所以很小,所以单模光模光纤都采用突都采用突变型。型。这是研究开是研究开发较早的早的一种光一种光纤,现在已逐在已逐渐被淘汰了。被淘汰了。11 为了解决阶跃光纤存
7、在的弊端,人们又研制、开发了渐变折射率多模光纤,简称渐变光纤。12渐变型光型光纤:光光纤中心芯到玻璃包中心芯到玻璃包层的折射率是逐的折射率是逐渐变小,可使高次模的光按正弦形式小,可使高次模的光按正弦形式传播,播,这能减少模能减少模间色色散,提高光散,提高光纤带宽,增加,增加传输距离,但成本距离,但成本较高,高,现在在的多模光的多模光纤多多为渐变型光型光纤。渐变光光纤的包的包层折射率分布与折射率分布与阶跃光光纤一一样,为均均匀的。匀的。渐变光光纤的的纤芯折射率中心最大,沿芯折射率中心最大,沿纤芯半径方芯半径方向逐向逐渐减小。减小。由于高次模和低次模的光由于高次模和低次模的光线分分别在不同的折射率
8、在不同的折射率层界面上按折射定律界面上按折射定律产生折射,生折射,进入低折射率入低折射率层中去,因中去,因此,光的行此,光的行进方向与光方向与光纤轴方向所形成的角度将逐方向所形成的角度将逐渐变小。小。13同同样的的过程不断程不断发生,直至光在某一折射率生,直至光在某一折射率层产生全反射,使光改生全反射,使光改变方向,朝中心方向,朝中心较高的折高的折射率射率层行行进。这时,光的行,光的行进方向与光方向与光纤轴方向方向所构成的角度,在各折射率所构成的角度,在各折射率层中每折射一次,其中每折射一次,其值就增大一次,最后达到中心折射率最大的地方。就增大一次,最后达到中心折射率最大的地方。在在这以后。和
9、上述完全相同的以后。和上述完全相同的过程不断重复程不断重复进行,由此行,由此实现了光波的了光波的传输。可以看出,光在。可以看出,光在渐变光光纤中会自中会自觉地地进行行调整,从而最整,从而最终到达目到达目的地,的地,这叫做自聚焦。叫做自聚焦。142、从材料角度分、从材料角度分:按照材料分,按照材料分,有有石英系光石英系光纤、多、多组分玻璃光分玻璃光纤、塑料包、塑料包层石英芯光石英芯光纤、全塑料光、全塑料光纤和氟化物和氟化物光光纤等。等。目前通信中普遍使用的是石英系光纤。它的特点是传输波长范围宽,数值孔径大、芯径较大,机械强度大、弯曲性能好,容易与光源的耦合。因此在工业和医学领域的激光通信中得到广
10、泛应用。15 塑料光纤塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃)制成的。它的特点是制造烯酸甲酯(有机玻璃)制成的。它的特点是制造成本低廉,接续简单,易于弯曲,施工容易。但成本低廉,接续简单,易于弯曲,施工容易。但由于损耗较大,带宽较小,这种光纤只适用于短由于损耗较大,带宽较小,这种光纤只适用于短距离低速率通信,如短距离计算机网链路、船舶距离低速率通信,如短距离计算机网链路、船舶内通信等。内通信等。16 光纤的工作波长有短波长、长波长、超长波长光纤2m以上。光纤损耗一般是随波长加长而减小,的损耗为的损耗为,的损耗为,这是光纤的最低损耗,波长以上的
11、损耗趋向加大。由于氢氧根离子(OH)的吸收作用,和范围内都有损耗高峰,这两个范围未能充分利用。80年代起,倾向于多用单模光纤,而且先用长波长。3、按光纤的工作波长分:、按光纤的工作波长分:短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。17常用光纤规格 单模:8/125m,9/125m,10/125m 多模:50/125m 欧洲标准 美国标准 工业,医疗和低速网络:100/140m,200/230m 塑料光纤:98/1000m 用于汽车控制。184、按传输模式分:单模光纤和多模光纤。(1)多模光纤)多模光纤(Multi Mode Fiber)理论上讲,当光的传输媒体
12、,即纤芯直径较大远大于光波波长时,光将从不同的位置,以各种不同的角度进入媒体,光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。每一个角度都定义了一条路径或一种模式,以这种方式传输光波的光纤称为多模光纤。19多模光纤:中心玻璃芯较粗多模光纤:中心玻璃芯较粗(50或或62.5m),包层外直径包层外直径125m,可传多种模式的光。但其模间,可传多种模式的光。但其模间色散较大,这就限制了传输数字信号的频率,而且色散较大,这就限制了传输数字信号的频率,而且随距离的增加会更加严重。例如:随距离的增加会更加严重。例如:600MB/KM的光的光纤在纤在2KM时则只有时则只有300MB的带宽了。因此,多模光的带
13、宽了。因此,多模光纤传输的距离就比较近,一般只有几公里。纤传输的距离就比较近,一般只有几公里。20(2)单模光纤)单模光纤(Single Mode Fiber)在多模光在多模光纤中,光波以有限的模式向前中,光波以有限的模式向前传播,模式的具体数目是由播,模式的具体数目是由纤芯所用媒体的芯所用媒体的直径和光的波直径和光的波长决定的。减少决定的。减少纤芯的直径可芯的直径可以降低光以降低光线撞撞击边界面的角度数目,即模式界面的角度数目,即模式数目减少了。如果数目减少了。如果纤芯直径减少到一定程度,芯直径减少到一定程度,光光纤内将只有一种模式内将只有一种模式传播的光波,播的光波,这就是就是单模光模光纤
14、(SingleModeFiberSingleModeFiber),),21单模光模光纤:中心玻璃芯很:中心玻璃芯很细(芯径一般芯径一般为9 9或或10m)10m),包,包层外直径外直径125m125m,只能,只能传一种模式的光。因此,其模一种模式的光。因此,其模间色散很小,适色散很小,适用于用于远程通程通讯,但,但还存在着材料色散和波存在着材料色散和波导色散,色散,这样单模光模光纤对光源的光源的谱宽和和稳定性定性有有较高的要求,即高的要求,即谱宽要窄,要窄,稳定性要好。定性要好。22后来又后来又发现在波在波长处,单模光模光纤的材料色散的材料色散和波和波导色散一色散一为正、一正、一为负,大小也正
15、好相等。,大小也正好相等。这就是就是说在波在波长处,单模光模光纤的的总色散色散为零。从零。从光光纤的的损耗特性来看,耗特性来看,处正好是光正好是光纤的一个低的一个低损耗窗口。耗窗口。这样,波,波长区就成了光区就成了光纤通信的一个很通信的一个很理想的工作窗口,也是理想的工作窗口,也是现在在实用光用光纤通信系通信系统的的主要工作波段。主要工作波段。常常规单模光模光纤的主要参数是由国的主要参数是由国际电信信联盟盟ITUITUT T在在G652G652建建议中确定的,因此中确定的,因此这种光种光纤又称又称G652G652光光纤。23我我们知道知道单模光模光纤没有模式色散所以具有很没有模式色散所以具有很
16、高的高的带宽,那么如果,那么如果让单模光模光纤工作在波工作在波长区,区,不就可以不就可以实现高高带宽、低、低损耗耗传输了了吗?但是?但是实际上并不是上并不是这么么简单。常。常规单模光模光纤在在处的色散的色散比在比在处色散小得多。色散小得多。这种光种光纤如工作在波如工作在波长区,区,虽然然损耗耗较低,但由于色散低,但由于色散较大,仍会大,仍会给高速光高速光通信系通信系统造成造成严重影响。因此,重影响。因此,这种光种光纤仍然不仍然不是理想的是理想的传输媒介。媒介。24为了使光了使光纤较好地工作在好地工作在处,人,人们设计出一种出一种新的光新的光纤,叫做,叫做色散位移光色散位移光纤(DSFDSF)。
17、这种光种光纤可以可以对色散色散进行行补偿,使光,使光纤的零色散点从的零色散点从处移到移到附近。附近。这种光种光纤又称又称为零色散零色散单模光模光纤,代号代号为G653G653。G653G653光光纤是是单信道、超高速信道、超高速传输的极好的的极好的传输媒介。媒介。现在在这种光种光纤已用于通信干已用于通信干线网,特网,特别是用是用于海于海缆通信通信类的超高速率、的超高速率、长中中继距离的光距离的光纤通信通信系系统中。中。25G653光光纤虽然用于然用于单信道、超高速信道、超高速传输是很理是很理想的想的传输媒介,但当它用于波分复用多信道媒介,但当它用于波分复用多信道传输时,又会由于光又会由于光纤的
18、非的非线性效性效应而而对传输的信号的信号产生干生干扰。特。特别是在色散是在色散为零的波零的波长附近,干附近,干扰尤尤为严重。重。为此,人此,人们又研制了一种又研制了一种非零色散位移光非零色散位移光纤即即G655G655光光纤,将光,将光纤的零色散点移到的零色散点移到1.55m1.55m工作区以外工作区以外的以后或在以前,但在波的以后或在以前,但在波长区内仍保持很低的色散。区内仍保持很低的色散。这种非零色散位移光种非零色散位移光纤不不仅可用于可用于现在的在的单信道、信道、超高速超高速传输,而且,而且还可适可适应于将来用波分复用来于将来用波分复用来扩容,容,是一种既是一种既满足当前需要,又兼足当前
19、需要,又兼顾将来将来发展的理展的理想想传输媒介。媒介。26还有一种有一种单模光模光纤是色散平坦型是色散平坦型单模模光光纤。这种光种光纤在到整个波段上的色散都很在到整个波段上的色散都很平坦,接近于零。但是平坦,接近于零。但是这种光种光纤的的损耗耗难以以降低,体降低,体现不出色散降低不出色散降低带来的来的优点,所以点,所以目前尚未目前尚未进入入实用化用化阶段。段。272.2 光纤的传输原理光纤的传输原理光线传播理论(几何光学方法)光线传播理论(几何光学方法)把光看作把光看作射线射线,并引用几何光学中反射与折射原理解,并引用几何光学中反射与折射原理解释光在光纤中传播的物理现象释光在光纤中传播的物理现
20、象28光的反射与折射光的全反射现象光线传播理论光线传播理论29光在阶跃光纤中的传播轨迹光在阶跃光纤中的传播轨迹光在阶跃光纤中的传播轨迹光在阶跃光纤中的传播轨迹光学参数光学参数数值孔径折射率差光线传播理论光线传播理论单模光纤中光线传播路径单模光纤中光线传播路径30NA表示光纤接收和传输光的能力。NA(或a)越大,表示光纤接收光的能力越强,光源与光纤之间的耦合效率越高。NA越大,纤芯对入射光能量的束缚越强,光纤抗弯曲特性越好。NA太大时,则进入光纤中的光线越多,将会产生更大的模色散,因而限制了信息传输容量,所以必须适当选择NA。单模光纤的NA在附近,多模光纤的NA约为。数数值孔径概念孔径概念 数值
21、孔径数值孔径就是能够使光线在光纤中以全内反射的形就是能够使光线在光纤中以全内反射的形式进行传播的的入射角式进行传播的的入射角a的正弦值。的正弦值。31光在渐变光纤中传播的定性解释将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:光光线传播理播理论32光在渐变光纤光在渐变光纤光在渐变光纤光在渐变光纤以不同角度入以不同角度入以不同角度入以不同角度入射的光线族皆射的光线族皆射的光线族皆射的光线族皆以以以以正弦曲线正弦曲线正弦曲线正弦曲线轨轨轨轨迹在光纤中传迹在光纤中传迹在光纤中传迹在光纤中传播,且播,且播,且播,且近似成近似成近似成近似成聚焦状聚焦状聚焦状聚焦状理论上,光在渐变光纤的传播轨迹:
22、2n1n光光线传播理播理论33色散色散损耗损耗光纤非线性效应光纤非线性效应2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 34光信号光信号经光光纤传输后要后要产生生损耗和畸耗和畸变(失真失真),因而,因而输出信号和出信号和输入信号不同。入信号不同。对于脉冲信号,不于脉冲信号,不仅幅度要减小,而且波形要幅度要减小,而且波形要展展宽。产生信号畸生信号畸变的主要原因是光的主要原因是光纤中存中存在色散。在色散。损耗和色散耗和色散是光是光纤最重要的最重要的传输特特性。性。损耗限制系耗限制系统的的传输距离,色散距离,色散则限制限制系系统的的传输带宽。本。本节讨论光光纤的色散和的色散和损耗的机理和特性,耗的机理和特性
23、,为光光纤通信系通信系统的的设计提提供依据。供依据。2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性 35色散的基本概念色散的基本概念色散的基本概念色散的基本概念色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因光纤的色散光纤的色散36z=0z=L色散光光光光纤纤的的的的色色色色散散散散是是是是在在在在光光光光纤纤中中中中传传输输的的的的光光光光信信信信号号号号,随随随随传传输输距距距距离离离离增增增增加加加加,由由由由于于于于不不不不同同同同成成成成分分分分的的的的光光光光传传输输时时延延延延不不不不同引起的脉冲展同引起的脉冲展同引起的脉冲展同引起的脉冲展宽宽的物理
24、效的物理效的物理效的物理效应应。光光光光纤纤的的的的色色色色散散散散将将将将引引引引起起起起光光光光脉脉脉脉冲冲冲冲展展展展宽宽和和和和码码间间串串串串扰扰,最最最最终终影响通信距离和容量。影响通信距离和容量。影响通信距离和容量。影响通信距离和容量。色色色色散散散散的的的的大大大大小小小小常常常常用用用用时时延延延延差差差差表表表表示示示示,时时延延延延差差差差是是是是光光光光脉脉脉脉冲冲冲冲中中中中不不不不同同同同模模模模式式式式或或或或不不不不同同同同波波波波长长成成成成分分分分传传输输同同同同样样距距距距离离离离而而而而产产生的生的生的生的时间时间差。差。差。差。单单位:位:位:位:色散
25、的基本概念色散的基本概念37 色散色散类型型模式色散模式色散:不同模式对应有不同的模折射率,不同模式对应有不同的模折射率,导致群速度不同和脉冲展宽导致群速度不同和脉冲展宽(仅多模光纤有)(仅多模光纤有)波波导色散色散:传播常数随播常数随频率率变化化材料色散材料色散:折射率随折射率随频率率变化化偏振模色散偏振模色散PMDPMD波长色散波长色散波长色散波长色散色散的种类及其产生原因色散的种类及其产生原因38模模模模式式式式色色色色散散散散是是是是由由由由于于于于光光光光纤纤纤纤不不不不同同同同模模模模式式式式在在在在同同同同一一一一波波波波长长长长下下下下传传传传播播播播速速速速度度度度不不不不同
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光纤与光缆 光纤 光缆 PPT 课件
![提示](https://www.deliwenku.com/images/bang_tan.gif)
限制150内