光纤通信(第二版)刘增基编-复习

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1、光纤通信的优点1.容许频带很宽，传输容量很大2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小3.重量轻、体积小4.抗电磁干扰性能好5.泄漏小，保密性能好光纤通信的缺点抗拉强度低，容易折断(比如经常被挖断)光纤连接困难(断面是否垂直、焊接点是否有气泡等)光纤通信过程中怕水、怕冰(OH-根吸收增大损耗)光纤怕弯曲(导致损耗增加)6.节约金属材料，有利于资源合理使用光纤通信系统的基本组成光纤通信系统可以传输数字、模拟信号。以数字电话和模拟电视为例。图1.4光纤通信系统的基本组成(单向传输)数字通信系统的优点：①抗干扰能力强，传输

2、质量好。②可以用再生中继，传输距离长。③适用各种业务的传输，灵活性大。④容易实现高强度的保密通信。便于加密⑤易于集成，实现小型化，可降低成本。数字通信系统的缺点：占用频带较宽，系统的频带利用率不高。但是光纤通信的频带很宽，足够克服数字通信的缺点。1数字通信系统2模拟通信系统占用带宽较窄，电路简单、价格便宜。2.1光纤结构和类型2.1.1光纤结构n1>n2，相对折射率差Δ=(n1-n2)/n1，Δ～0.3%~0.6%单模光纤；1%~2%多模光纤。纤芯高纯度SiO2，有极少量的掺杂(如GeO2，P2O5)，用来提高纤芯对光的折射

3、率n1，以传输光信号。包层：掺杂的高纯度SiO2。掺杂剂(如B2O3)用来适当降低n2。涂覆层：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。光纤种类很多，作为通信用的由高纯石英光纤主要有三种。2.1.2光纤类型突变型多模光纤(SIF),图2.2(a)，折射率由纤芯的n1突变到包层的n2。2a=50~80m，光线

4、以折线形状传播，特点是信号畸变大。渐变型多模光纤(GIF),图2.2(b)，折射率由纤芯中心n1逐渐减小到包层的n2。2a=50m，光线以正弦形状传播，特点是信号畸变小。单模光纤(SMF),图2.2(c)，折射率突变，2a=8~10m，光线直线传播。只能传输一个模式(两个偏振态简并),信号畸变很小。多模光纤的纤芯直径比单模光纤大很多，可以容纳数百个模式。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125m。图2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤多模光纤：允许多个模式在其中传输

5、的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。图2.3典型特种单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯其他光纤双包层光纤(W型光纤),可以得到在1.3~1.6m之间色散平坦光纤(D

6、FF)，或把零色散波长移到1.55m的色散移位光纤(DSF)。三角芯光纤,适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用椭圆芯光纤,使传输光保持其偏振状态，又称为双折射光纤或偏振保持光纤。存在θc对应ψcθ<θc，全反射n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)θ=θc，光线沿交界面向前传播。θ>θc，光线在界面折射,随着传播迅速衰减。只有θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播空气n02.2.1几何光学方法1.突变型多模光纤全反射临界角ψc=sin-1(n2/n1)，只有θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光

7、纤中传播NA的影响NA大，接收光的能力强，耦合效率高，光纤抗弯曲性能高。但NA大，传输产生的信号畸也变大，限制了传输容量。设Δ=0.01，n1=1.5，得到NA=0.21或c=12.2°(Δ=(n1-n2)/n1)(2.3)数值孔径(numericalaperture,NA)NA=n0sinθc2.2)时间延迟——光线在光纤中的传播时间问题最大入射角(θ=θc)和最小入射角(θ=0)的光线之间时间延迟差近似为(2.4)(2.5)这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1k

8、m，得脉冲展宽Δ=44ns。入射角θ的光线传输长度为L(ox),经历的路程为l(oy)，传播时间或时间延迟为2.渐变型多模光纤n1为纤芯中心折射率，Δ=(n1-n2)/n1，g:折射率分布指数。n1[1-Δ]=n2r≥a0≤r≤an(r)=g→∞，(r/a)