《光纤通信光纤》课件.ppt
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- 光纤通信光纤 光纤通信 光纤 课件
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1、整理ppt第2章 光纤 -光纤导光原理及其特性整理ppt光纤的结构及分类光纤导光原理光纤的模式理论光纤的损耗特性光纤的色散光纤的非线性效应常用光纤整理ppt纤芯包层涂覆层芯线m125m2501、光纤的结构2.1光纤的结构及分类光纤的结构及分类典型结构是多层同轴圆柱体自内向外为纤芯、包层和 涂覆层 整理ppt纤芯、包层-裸光纤纤芯、包层+涂覆层-芯线纤芯、包层-光学区涂覆层-保护区材料:SiO2纤芯n1 包层n2纤芯:SiO2 +GeO2(P2O5)包层:SiO2 +B2O5(F)涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆,起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤,同时又增加光纤的柔韧性,起着延长光纤寿命
2、的作用。涂覆层的主要作用是为光纤提供保护整理ppt2、光纤的分类1)按制造光纤所使用的材料分 2)按工作波长来分3)根据光纤中传输模式分4)根据折射率分布分 有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。短波长光纤长波长光纤单模光纤和多模光纤有阶跃型光纤 Step Index SI渐变型(梯度型)光纤 Graged Index GI W型光纤等整理pptnnn1n1n1n2n2n2n阶跃型光纤 SI Step Index渐变型(梯度型)光纤GI Graged IndexW型光纤aa整理ppt整理ppt整理ppt3、光缆制造1、原材料提纯去掉光纤原料中的杂质,以降低杂质吸收。2、
3、制棒将提纯后的材料合成一定折射率分布的预制棒。将预制棒拉制成原折射率分布的光纤。3、拉丝4、套塑为保证光纤的机械性能将光纤涂覆层外加一层热塑材料。5、成缆整理ppt目的:目的:去掉光纤原料中的杂质,以降低杂质吸收。方法方法:精馏吸附精馏精馏塔活性吸附物质二级精馏活性吸附物质精料槽 SiCl4 HO-Cu2+_氧化铝或活性硅胶SiCl4材料提纯材料提纯整理ppt熔炼制棒熔炼制棒方法方法:MCVD法(改进的化学汽相沉积法)BELLPCVD法(等离子激活化学汽相沉积法)PHILIPSVAD法(汽相轴向沉积法)NTT OVD法(管外汽相沉积法)CORNINGAPVD法(等离子化学汽相沉积法)ALCAT
4、EL目的:目的:将提纯后的材料通过物理与化学的方法 合成一定折射率分布光纤预制棒。折射率分布通过控制掺杂浓度实现。整理ppt化学反应方程22242ClSiOOSiCl232236234ClOBOBCl22242ClOGOGeCle252236234ClOPOPOClMCVD法(改进的化学汽相沉积法)纤芯:SiO2 +GeO2(P2O5)包层:SiO2 +B2O5整理ppt整理ppt拉丝拉丝目的:将具有一定的折射率分布的预制棒 拉制成折射率分布不变的光纤。123 4 67891-光纤预制棒2-高温炉3-测温仪4-炉温控制5-激光测径仪6-调速系统7-涂覆器8-固化炉9-收丝轮整理ppt 光纤经过
5、涂覆后虽然已具有了一定的抗张强度,但还是经不起施工中的弯折、扭曲和侧压等外力作用,为了使光纤能在各种环境中使用,必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆,使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。成缆 一、对光缆的要求1、机械性能好:保证光纤经得起拉伸、冲击、弯曲等影响。2、防护性能好:使光纤防水,防潮,防雷,防腐。3、传输性能好:避免工程中带来的附加损耗或色散。整理ppt2、光缆护套一般由塑料材料制造,保护光缆芯受到机械外力和环境的影响。PVC(聚氯乙烯)3、防潮层光纤非常怕水,一般用密封铝制金属或阻水纱防潮。4、填料 防止水气进入。要求:抗水性好,温度性能好,无毒,不易燃
6、。5、铠装 增加机械强度,防鼠,防虫,防人为损伤。1、加强件加强件一般由钢丝或增强塑料嵌在光纤中,用以 承受拉伸负荷。(集中式加强件,分散式加强件)二、光缆的基本结构整理ppt按成缆光纤类型 多模光纤光缆和单模光纤光缆 按缆芯结构 中心束管、层绞、骨架和带状 按加强件和护层 金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合 长途/室外、室内、水下/海底等 按敷设方式 架空、管道、直埋和水下3、光缆的分类、光缆的分类整理ppt4、光缆的结构(成缆方式)层绞式 骨架式中心束管式带状式整理ppt光纤油膏加强件护套松套管中心管式光缆中心管式光缆-套管式光缆是将数根一次涂覆的光纤放入同一根塑料管中,管中填冲油膏,
7、光纤浮在油膏中。套管式光缆的结构合理、重量轻、体积小、价格便宜。整理ppt层绞式结构光缆层绞式结构光缆加强芯纤芯套塑填充料防潮层内护套铠装外护套-层绞式光缆是将若干根光纤芯线以加强元件为中心绞合在一起的一种结构,这种结构适用于芯线数较少的的光缆。整理ppt骨骨架架式式结结构构光光缆缆-沟槽式光缆是将单根或多根光纤放入沟槽中,骨架中心是加强元件。这种结构的光缆的抗侧压性能好,单制造工艺复杂。整理ppt整理ppt2.2 光纤导光原理光纤导光原理的分析方法:射线理论,几何光学法 波动理论、模式理论1、内全反射折射定律一、SI光纤射线分析12sinsinnnti1n2nirt21nn cn2n1入射光
8、纤出射整理ppt非子午面光线整理ppt132123c1c2c31223整理pptSnell定律临界角临界角对应的捕光角sinsin10nn21cos1 ncn21sin12121)(1nnn12sinsinnnti12sinnnc捕光角1n2nc内全反射导光原理内全反射的条件c整理ppt2121)(1sinnnn2121max)(1sinnnn121nnn 相对折射率差2122211nnnn2121211)(nnnnnn1211)(2nnnn21n2sin1maxn1212nnn整理ppt3、模式及时延差传导模辐射模2、数值孔径NA(Numerical Aperture)maxsinNA21n
9、NAmaxNA光源与光纤的耦合效率高光纤里有很多条光线和轴线夹角相同的一簇光线称作一个模式模式有两类:2sin1maxn整理ppt最大时延差模式时延12sinnncLcLLsin两条路径dppvLvLtt121ncvp LcLLsincnLLnn121)(Lcn 1Lcn 1Lnn21整理ppt脉冲展宽:不引起码间干扰的脉冲间隔:码元速率(带宽):LcnT111LncTBLcn 1不同模式的时延差使光脉冲展宽00T整理ppt提高带宽的方法:11LncTBB例:487.1,275.01nNA求光脉冲传1公里的扩展和最大比特率。解:cLnd1ns76.84SILncB11maxsMb/8.111n
10、cBL1)减少模式的最大时延差-采用GI光纤2)只允许一个模式传输-单模光纤21nNA0171.0)(2121nNA整理ppt二、GI光纤射线分析g=2 抛物线型arnararnrng;)(1)(20n1n2na整理pptn3n2n1n1n4n2n4n3n5n5a整理ppt整理ppt光线在介质中的传输轨迹应该用射线方程表示 式中:r是轨迹上某一点的位置矢量;s为射线的传输轨迹;ds是沿轨迹的距离单元,n表示折射率的梯度。将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中,讨论平方律分布的光纤中的近轴子午光线,即和光纤轴线夹角很小,可近似认为平行于光纤轴线(z轴)的子午光线。由于光纤中的折射率仅以径向变化,沿圆周
11、方向和z轴方向是不变的。因此,对于近轴子午光线,射线方程可简化为:式中,r是射线离开轴线的径向距离。rzrds整理ppt对平方律分布,有 对近轴光线,)2cos(za)2sin(za整理ppt整理ppt212cLnGILcnSI12SIGI整理ppt2.3 光纤的模式理论)(0),(),(ztjerEtzrE)(0),(),(ztjerHtzrH),(),(),(),(0000rEzrErErrEzr),(),(),(),(0000rHzrHrHrrHzrEjHHjE整理ppt1()()()(226)1()()1()()zrzrrzzrzrEjrEjHarEjEjHbrErEjHcrrHjrH
12、jEarHjHjEr ()(227)1()()rzbHrHjEcrr 整理ppt022EkE022HkH22knck022zzEkE022zzHkHnk0整理ppt 022zzEkEzjzerRE)()(0 11 22022zjeRnkRRrRrR0 11 22022RnkRRrRrRzje/R/01122220rnkRRrRR2r0222022nkrRRrRRr0)()(grf022mm整理ppt)(0),(),(ztjerEtzrE022zzEkEzjzerREE)()(0zr1n2na整理ppt2222022mnkrRRrRRr2m02m01222220RrmnkRrR谐方程Bessel
13、方程)sin()cos()(mm当02220nk令22220)(aunk)()()(rauBNrauAJrRmm当02220nk令22220)(awnk)()()(rauDIrauCKrRmm0)(1222RrmauRrR0)(1222RrmawRrR)(rauJm)(rauNm)(rawKm)(rawIm)(lim0 xNmx)(xIm指数增加Bessel函数虚宗量Bessel函数整理ppt)(xJn)(xInmnmmnxmnmxJ20)2()1(!)1()()412cos(2)(nxxxJxn)()(jxJjxInnnxxnexxK2)(xxnexxI21)(整理ppt当02220nk)(
14、)()(rauBNrauAJrRmm22220)(aunk当22220)(awnk)()()(rauDIrauCKrRmm02220nkar 1nn 022120nkar 2nn 222220)(awnk整理ppt022120nk022220nk1020nknkzjmzjmzemmrawKAemmrauAJE)sin()cos()()sin()cos()(arararar222120)(aunk222220)(awnk在纤芯中在包层中zjmzjmzemmrawKBemmrauBJH)sin()cos()()sin()cos()(znjke10znjke20zje)(rauJn)(rauKn整理
15、pptzjmzjmzemmrawKAemmrauAJE)sin()cos()()sin()cos()(ararararzjmzjmzemmrawKBemmrauBJH)sin()cos()()sin()cos()(AA BB 整理ppt)()(,21arEarEEEarzztt)()(,21arHarHHHarzzttzjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(ararzjmmzjmmzemmwKrawKBemmuJrauJBH)sin()cos()()()sin()cos()()(arartn)(uJAAm)(wKAAm
16、整理ppt整理pptzjmmmmzjmmmmemmwKrawKawBmmwKrawKrmAawjemmuJrauJauBmmuJrauJrmAaujE)sin()cos()()()cos()sin()()()()sin()cos()()()cos()sin()()()(22ararzjmmmmzjmmmmemmwKrawKrmBmmwKrawKawAawjemmuJrauJrmBmmuJrauJauAaujH)cos()sin()()()sin()cos()()()()cos()sin()()()sin()cos()()()(22arar整理pptzjmmzjmmzemmwKrawKAemmu
17、JrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(求u、w、的值整理ppt先推导u、w、满足的方程222120)(aunk222202)(awnk2221202120)()(awaunknk)(222120222nnkawu21202222nkawu210nakV222211ancfan归一化频率V222Vwu下面由边界条件得到u和w的另一关系)()(,21arEarEEEartt)()(,21arHarHHHartt)sin()cos()()()cos()sin()()()(1)sin()cos()()()cos()sin()()()(122mmwKrawKawBmmwK
18、rawKamAawmmuJrauJauBmmuJrauJamAaummmmmmmmar ar 2V整理ppt0BA0det1111)()()()()()()()(2222212222221wunnwumwwKwKnnuuJuJwwKwKuuJuJmmmmmmmm222Vwu21nn 弱导近似11)()()()(22wumwwKwKuuJuJmmmm给定V值,代入求u、w分3种情况求解联立的超越方程:1)0m2)0m3)0m0nu0nw,3,2,1nmnumnw,3,2,1nmnumnw,3,2,1n222120)(aunkmn,3,2,1,0m光纤中的模式:0mnTE0nTM00m0mnmHE
19、,mnEH混合模zzEH 整理pptzjmmzjmmzemmwKrawKAemmuJrauJAE)sin()cos()()()sin()cos()()(0)(222202awnkar ar 0)(222120aunk传导模和辐射模满足以上条件的模式是传导模当不满足0)(222202awnk即0)(222202awnk包层中的波和纤芯中的类似就是辐射波02w02w传导模辐射摸整理pptcV222Vwu11)()()()(22wumwwKwKuuJuJmmmm0w22Vu ccuV 11)()()()(lim220wumwwKwKuuJuJmmmmw求ccuV 02w归一化截止频率02w02w传导
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