2.1. 光纤结构和类型

光纤结构

光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝，它由纤芯、包层和涂覆层三部分组成

1. 纤芯的折射率$n_1$比包层$n_2$稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用

2. 光能量在光纤中传输的必要条件是$n_1>n_2$

3. 纤芯和包层的相对折射率差$\Delta=(n_1-n_2)/n_2$：$\Delta$越大表明把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小

光纤类型

单模光纤

1. 优点：不存在模间色散，带宽大，用于长途传输（大容量、长距离系统要用单模光纤）

2. 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

多模光纤

1. 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源

2. 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输

多模光纤分为突变型多模光纤与渐变型多模光纤

1. 突变型多模光纤：纤折射率为$n_1$保持不变，到包层突然变为$n_2$。光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大

2. 渐变型多模光纤：在纤中心折射率最大为$n_1$，沿径向$r$向外围逐渐变小，直到包层变为$n_2$。光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小

自聚焦效应：渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上（补充：此外这些光线的时间延迟也近似相等，这是因为入射光线经历的路程较长，但大部分路程远离中心轴线，折射率较小，传播速度较快，补偿了较长的路程）

2.2. 光纤传输原理

描述光纤传输原理的方法有哪些，各有什么优缺点：

1. 几何光学的射线方程近似分析

   • 忽略光波长用光射线代表光能量传输路线的方法

   • 可应用于分析多模光纤（芯径尺寸»波长）

   • 比较直观，容易理解，但并不十分严格

2. 求解麦克斯韦方程组导出的波动方程

   • 求解满足边界条件的麦克斯韦方程组的光场

   • 能更准确地获得光纤的传输特性，但是求解太复杂

   • 应用于分析单模光纤（芯径尺寸~波长）

几何光学方法

求解突变型多光纤的数值孔径、临界角、最大时延差

$NA$表示光纤接收和传输光的能力：

1. $NA$越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高

2. $NA$越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好

3. 但$NA$越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量，所以要根据实际使用场合，选择适当的$NA$

光纤传输的波动理论

归一化频率：$V ={2\pi a\over \lambda }\sqrt{{n_1}^2-{n_2}^2}={2\pi a\over \lambda }NA$，注意公式中的$a$是纤芯半径

1. 在多模阶跃光纤中，导模数$M$与$V$的关系：$M={1\over 2}V^2$

2. 在多模渐变光纤中，导模数$M$与$V$的关系：$M={1\over 4}V^2$

3. 单模传输条件：$V<2.405$

2.3. 光纤传输特性

光纤损耗

光纤的损耗限制了光信号的传播距离，这些损耗主要包括：

1. 吸收损耗：

   • 本征吸收：材料本身（如二氧化硅）的特性决定，即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收

   • 原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成

   • 非本征吸收：由过渡金属离子和氢氧根离子等杂质对光的吸收而产生的损耗

2. 散射损耗：

   • 瑞利散射：波导在小于光波长尺度上的不均匀（分子密度分布不均匀、掺杂分子导致折射率不均匀）导致波导对入射光产生本征散射

   • 波导散射：光纤结构缺陷导致（纤芯和包层的界面不完备、圆度不均匀、残留气泡和裂痕等），目前的制造工艺基本可以克服波导散射

3. 弯曲损耗

瑞利散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值

光纤损耗的度量：$P_0=P_i e^{-\alpha L}$

光纤损耗的补偿：电放大（光->电->光）、全光放大（EDFA、拉曼放大器）

光纤色散

光纤色散是由光纤中传输的光信号的不同成分光的传播时间不同而产生的

光纤色散对光纤传输系统的危害有：

1. 若信号是模拟调制的，色散将限制带宽

2. 若信号是数字脉冲，色散将使脉冲展宽，限制系统传输速率（容量）：色散—光脉冲展宽—相邻脉冲交叠—误码

色散的分类：

1. 模内色散：单位是：ps/(nm·km)

   • 材料色散：光纤材料对不同的频率成份折射率（传播速率）不同，以及模式内部不同成分的光（实际光源不是纯单色光）。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。因此需选择谱宽窄的光源

   • 波导色散：信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度。取决于纤芯和包层的相对折射率差

2. 模间色散：多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致了模间色散。取决于光纤的折射率分布与光纤材料折射率的波长特性

3. 偏振模色散：单位是：ps/km

   • 双折射效应导致了偏振模色散，导致光波的偏振状态沿光纤长度变换

色散的补偿：色散补偿光纤、中途谱反转技术、利用光纤光栅进行色散补偿

光纤标准和应用

1. G.651光纤：渐变型多模光纤

2. G.652光纤：常规单模光纤：波长在1310 nm的色散为零，但是1310 nm处的损耗不是最小值

3. G.653光纤：色散位移光纤：波长在1550 nm的色散为零，损耗也是最小的

4. G.654光纤：衰减最小光纤：波长在1310 nm的色散为零，在1550 nm的损耗更低

5. G.655光纤：非零色散位移光纤：在1550 nm处设计有轻微色散，以抵消四波混频的干扰

2.5. 光纤特性测量方法

损耗测量

1. 剪短法：根据损耗系数的定义，直接测量传输光功率实现。所用仪器简单，测量结果准确，被确定为基准方法；然而该方法是破坏性的，不利于多次重复测量

2. 后向散射法：利用光时域反射仪（OTDR）。不破坏光纤，使用非常方便

带宽测量

1. 时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的脉冲展宽，又称脉冲法

2. 频域法是测量通过光纤的频率响应，又称扫频法

色散测量

相移法、脉冲时延法和干涉法

课后例题