【冶金精品文檔】光纖和光纜(專業版)

　　

【正文】 時域法（脈沖法）：測量光纖的光脈沖的響應 頻域法（掃頻法）：測量光纖的頻率響應 帶寬測量 2023/2/10 137 Chapter 2 光纖和光纜 帶寬測量： 掃頻法 用掃頻儀輸出的正弦信號對光源進行直接強度調制，經光纖傳輸后的已調光信號由光電檢測器變為電信號，由選頻表測出電信號的大小。 隨著光纖軸向的均勻性的差異和光纖所處的狀態的不同，達到平衡模分布的長度也不同，一般從幾百米到幾千米不等。 只有這樣，測得的衰減系數才能進行線性相加。為了得到低損耗光纖，這些材料都是由超純的化學原料經過高溫合成的。把有一定波譜寬度的光源發出的光脈沖射入光纖后，由于不同波長的光傳輸路徑不完全相同，所以到達終點的時間也不相同，從而出現脈沖展寬。越大，時延差就會越大，光脈沖展寬也越大。 散射使光射向四面八方，其中有一部分散射光沿著與光纖傳播相反的方向反射回來，在光纖的入射端可接收到這部分散射光。人們也曾看到過夜空中探照燈發出粗大光柱。 2023/2/10 80 Chapter 2 光纖和光纜 材料的吸收 損耗 制造光纖的材料能夠吸收光能。 很容易我們可以得到 α = 10/L * lg (Pi/Po) (dB/Km) z=0 z=L Attenuation 2023/2/10 77 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的 損耗 當光從光纖的一端射入，從另一端射出時，光的強度會減弱。 2023/2/10 71 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的傳播模式 如圖所示，以不同入射角入射在光纖端面上的光線在光纖中形成不同的傳播模式。它是一個典型的本征方程 。 ?導光條件 : ?臨界角 : ?相對折射率差 : 212221 2/)( nnn ??????????arnarnrn21 0)(2221sin nnn ii ???i?n1 n2 )/arccos ( 12 nnzc ??突變型多模光纖：均勻折射率分布 2023/2/10 57 Chapter 2 光纖和光纜 ?數值孔徑 : 定義光纖數值孔徑 NA為入射媒質折射率與最大入射角的正弦值之積 ,即 ????? 2si n12221 nnnnNA imi ?Numerical Aperture (NA) 2023/2/10 58 Chapter 2 光纖和光纜 入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內的入射光才可以。 與光纖長期使用的穩定性和壽命有關 2023/2/10 31 Chapter 2 光纖和光纜 Issues Of Connecting Fibers Offset Angular Misalignment Separation Core Eccentricity Core Ellipticity Reflections Interference 2023/2/10 32 Chapter 2 光纖和光纜 Medium insertion loss: Worst return loss: 14 dB (Fresnel) Common multimode fiber connector Air Gap typ. dB Lowest insertion loss: dB Good return loss: Common singlemode fiber connector Physical Contact (PC) 40 dB Highest insertion loss: Best return loss: Cable TV, high performance systems Angled Physical Contact (APC) to dB 60 dB Connector Types 8186。但單模光纖由于模間色散很小，所以單模光纖都采用突變型。這種光纖又稱為 m零色散單模光纖，代號為 G653。 2023/2/10 21 Chapter 2 光纖和光纜 單模光纖 單模光纖 (Single Mode Fiber)： 中心玻璃芯很細 (芯徑一般為 9或 10μ m)， 只能傳一種模式的光。當光纖拐彎時，如上圖（ b） 所示，只要彎曲不十分厲害，光也不會折射到包層中去，仍然會全反射回來，只是來回反射的次數增多了。通常為了保護光纖，包層外還往往覆蓋一層塑料加以保護 ,其中纖芯的芯徑一般為 50或 m， 包層直徑一般為 125μ m。 即光線從折射率為 n1的介質以入射角 θin射到兩個介質的分界面，并以 θz進入折射率為 n2的介質中時滿足上述關系。 光也是電磁波，是一種波長更短的電磁波 。纖芯的折射率一般是 ～ （根據光纖的種類而異），包層的折射率是 ～ 。 光纖的工作波長有短波長 m、 長波長 m和 m。 色散位移型：光纖生產廠家將光纖傳輸頻率最佳化在兩個波長的光上，如： 1300μ m和 1550μ m。但是這種光纖的損耗難以降低，體現不出色散降低帶來的優點，所以目前尚未進入實用化階段。在這以后。 2023/2/10 51 Chapter 2 光纖和光纜 幾何光學方法 射線方程 )()( rndSrdndSd ????物理意義： ? 將光線軌跡 (由 r描述 )和空間折射率分布 (n)聯系起來 。通常為了最有效地把光射入到光纖中去，應采用其數值孔徑與光纖數值孔徑相同的透鏡進行耦合。 2023/2/10 66 Chapter 2 光纖和光纜 遠離截止 : 場在包層中不存在 模式的截止與遠離截止 所謂截止，是指光纖中的導波截止。 光纖的傳播模式 2023/2/10 73 Chapter 2 光纖和光纜 ② 在同一光纖中傳輸的不同模式的光，其傳播方向、傳輸速度和傳輸路徑不同，其受到光纖的衰減也不同，觀察與光纖垂直的橫截面，就會看到，不同模式的光波在橫截面上的光的強度分布圖形也不同，有的是一個亮斑，有的分裂為幾個亮點。 2023/2/10 78 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的 損耗 光纖微小彎曲、擠壓、拉伸受力也會引起損耗。 制造光纖的基本材料二氧化硅（ SiO2） 本身就吸收光，一個叫紫外吸收，另外一個叫紅外吸收。粒子內的電子便以該振動頻率開始振動，結果是該粒子向四面八方散射出光，入射光的能量被吸收而轉化為粒子的能量，粒子又將能量重新以光能的形式射出去。 ? Intermodal dispersion only for MMF ? Material Dispersion Chromatic ? Waveguide Dispersion Dispersion ? Polarisation Mode Dispersion (PMD) } { 2023/2/10 92 Chapter 2 光纖和光纜 模式色散 在多模光纖中，傳輸的模式很多，不同的模式，其傳輸路徑不同，所經過的路程就不同，達終點的時間也就不同，這就引起了脈沖的展寬。光纖通信實際上用的光源發出的光，并不是只有理想的單一波長，而是有一定的波譜寬度。 三種色散的比較 2023/2/10 100 Chapter 2 光纖和光纜 傳輸使用的三種不同類型的單模光纖 （ NDSF） （ DSF） （ NZDSF） 常規 大有效面積 2023/2/10 101 Chapter 2 光纖和光纜 大多數已安裝的光纖 低損耗 大色散分布 大有效面積 色散受限距離短 10Gb/s系統色度色散受限距離約 34km +DCF方案升級擴容成本高 結論 : 不適用于 10Gb/s以上速率傳輸，但可應用于 。 我們關注的重點？ ？ 2023/2/10 123 Chapter 2 光纖和光纜 光纖損耗測量 光纖帶寬測量 光纖色散測量 光纖截止波長測量 2023/2/10 124 Chapter 2 光纖和光纜 用特定波長的光通過光纖，然后測出輸出端相對于輸入端的光功率或幅度、相位等物理量的變化，再經過相應的數據處理而實現。在測量過程中，光源的位置、強度和波長應保持穩定。但是注入條件要足以激勵起基模，所以單模光纖要使用到濾模器，濾除接近傳輸條件的高次模。 2023/2/10 141 Chapter 2 光纖和光纜 色散測量 光纖的色散系數可表示為： C(l)= ΔΦ/(L ???)? ΔΦ/(2? fo L ??) 其中 ΔΦ為相位移 ?為角頻率， ?? 為波長差， ?? 產生的時延差為 ?? ， ?? ? ΔΦ/ ? 相移法 2023/2/10 142 Chapter 2 光纖和光纜 色散測量：相移法 光源（ ?可變 ） 相位分析儀 光檢測器 正弦波振蕩器 fo A B 待測光纖 l1 l2 Φ1 Φ2 2023/2/10 143 Chapter 2 光纖和光纜 截止波長測量 光纖中傳導模的多少與光纖的歸一化頻率有關，為保證單模傳輸就得減小歸一化頻率，當其減小到一定的時候。 2023/2/10 133 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 單模光纖由于僅僅傳輸基模。 2023/2/10 127 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 BIAS 光源 注入系統 濾模器 Cladding stripper Cladding stripper 檢測器 Amp. 電平測量 待測光纖 2023/2/10 128 Chapter 2 光纖和光纜 損耗測量： 截斷法 測試系統 主要包括光源、光注入系統、光檢測器及信號處理部分等單元。 加強部件起著承受光纜拉力的作用 ， 通常位于纜芯中心 ， 有時也配置在護套中 。 對光纖用戶來說，一般只關心光纖的總帶寬或總色散。 ???? 22 1022210anknnaVl?2023/2/10 96 Chapter 2 光纖和光纜 材料 色散 材料色散是由光纖材料自身特性造成的。 劣化的程度隨數據速率的平方增大 決定了電中繼器之間的距離 光纖的色散 2023/2/10 89 Chapter 2 光纖和光纜 10000100010010600km1 2 3 4 5 6 7 8 9 10調制速率 （ Gbps ）小色散光纖－理論上小色散光纖－實際上傳統光纖－理論上傳統光纖－實際上色散對傳輸的限制 2023/2/10 90 Chapter 2 光纖和光纜 2023/2/10 91 Chapter 2 光纖和光纜 色散的分類 光纖的色散主要由 模式色散 、 材料色散 和 波導色散 組成。 2023/2/10 84 Chapter 2 光纖和光纜 但是這種振動并不是自行產生，它需要一定的能量。 2023/2/10 81 Chapter 2 光纖和光纜 材料的吸收 損耗 在光纖中，當某一能級的電子受到與該能級差相對應的波長的光照射時，則位于低能級軌道上的電子將躍遷到能級高的軌道上。 其中，附加損耗是在光纖的鋪設過程中人為造成的。每種光纖都只允許某些特定的光波通過，而其他形式的光波在光纖中無法存在。光纖的很多特性與之都有關。但是 NA太大時，光纖的模畸變加大，會影響光纖的帶寬。前者描述起來比較復雜，需要麥克斯韋方程求解，但它可以精確的描述光的傳播特性；后者描述起來比較簡單直觀，易于理解。同樣的過程不斷發生，直至光在某一折射率層產生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進。 還有一種單模光纖是色散平坦型單模光纖。 2023/2/10 22 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類： 傳輸窗口 按最佳傳輸頻率窗口分：常規型單模光纖和色散位移型單模光纖。 2023/2/10 19 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的分類： 傳輸模式 按光在光纖中的傳輸模式可分為： 單模光纖 和 多模光纖 。纖芯區域完成光信號的傳輸；包層則是將光封閉在纖芯內，并保護纖芯，增加光纖的機械強度。二者缺一不可。不同的介質有不同的折射率，光在折射率小的介質中跑的快，在折射率大的介質中跑得慢。 2023/2/10 13 Chapter 2 光纖和光纜 光纖的結構 Refractive Index (n) Diameter (r) Cladding Primary coating (., soft plastic) Core