一、三种基本类型光纤的折射率分布
(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c ） 单模光纤
二、ITU-T 建议规范的单模光纤（主要为前四种：G .652、G .653、G .654和G .655）
(a)
(b)(c)
三、光纤的导光原理
1．折射和折射率
光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：
n = c/v
其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。
在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为λ0/n（λ0表示
当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线
光的折射光的反射
斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：θ1 = θ3
n1sin θ1 = n2sin θ2
全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。
2．光的偏振
光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振光，如下图（c）和（d）所示。
从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如下图（a）所示。
自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如下图（b）所示。
光的偏振
3．光的色散
如下图所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。
自然光的色散
四、光纤的几何特性
光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度等。1．芯直径
芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多模光纤的芯直径为50±3μm。
2．包层直径
包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，多模及单模光纤的包层直径均要求为125±3μm。
目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.0±3μm提高到125.0±1μm。
3．纤芯/包层同心度和不圆度
纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。
目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从≤0.8μm的规格提高到≤0.5μm的规格。
不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。
ITU-T规定，芯径不圆度≤6%，包层不圆度（包括单模）＜2%。
4. 模场直径和有效面积
模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。
有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。
模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。
因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。
下图为模场直径示意图。
模场直径
五、光纤传输特性的几个图形展示
1、色散引起的脉冲展宽示意图
光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如上图所示。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。
2、偏振模色散（PMD）
由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。
3、码间干扰（ISI）
色散将导致码间干扰。由于各波长成分到达的时间先后不一致，因而使得光
脉冲加长了（T+ΔT），这叫作脉冲展宽，如下图。脉冲展宽将使前后光脉冲发
生重叠，形成码间干扰，码间干扰将引起误码，因而限制了传输的码速率和传输
距离。
4、光纤的机械特性
光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉强度、弯曲以及扭绞性能等，使用者最关心的是抗拉强度。
（1）光纤的抗拉强度
光纤的抗拉强度很大程度上反映了光纤的制造水平。影响光纤抗拉强度的主要因素是光纤制造材料和制造工艺。
①预制棒的质量。②拉丝炉的加温质量和环境污染。
③涂覆技术对质量的影响。④机械损伤。
（2）光纤断裂分析
存在气泡、杂物的光纤，会在一定张力下断裂，如下图所示。
光纤断裂和应力关系示意图
（3）光纤的寿命
光纤的寿命，习惯称使用寿命，当光纤损耗加大以致系统开通困难时，称其已达到了使用寿命。从机械性能讲，寿命指断裂寿命。
（4）光纤的机械可靠性
一般来说，二氧化硅包层光纤的机械可靠性已经得到广泛的认可。为了提高光纤的机械可靠性，在光纤的外包层中掺入二氧化钛，从而增加网络的寿命。
5、光纤的温度特性
光纤的温度特性，是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响，一般是损耗增大，如下图所示。
光纤低温特性曲线
六、各种典型结构的光缆
（1）层绞式结构光缆
把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。
下图所示是目前在市话中继和长途线路上采用的几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。
6芯紧套层绞式光缆12芯松套层绞式直埋光缆
12芯松套层绞式直埋防蚁光缆6～48芯松套层绞式水底光缆
12芯松套+8芯×2线对层绞式直埋光缆
（2）骨架式结构光缆
骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。
骨架结构有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增强基本单元型，图1（b）为螺旋型结构，图2为基本单元结构。目前，我国采用的骨架式结构光缆，都是采用如图1所示的结构。图3所示是采用骨架式结构的自承式架空光缆。
图1 2芯骨架式光缆
图2 70芯骨架式光缆图3 骨架式自承式架空光缆
（3）束管式结构光缆
把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。
图1所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。
图2、3所示是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。
图1 12芯束管式光缆
图2 6～48芯束管式光缆图3 LEX束管式光缆
（4）带状结构光缆
把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。如下图所示。
中心束管式带状光缆层绞式带状光缆
（5）单芯结构光缆
单芯结构光缆简称单芯软光缆，如下图所示。
这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。
单芯软光缆
（6）特殊结构光缆
特殊结构的光缆，主要有光/电力组合缆、光/架空地线组合缆和海底光缆和无金属光缆。这里只介绍后两种。
①海底光缆
有浅海光缆和深海光缆两种，图1所示为典型的浅海光缆，图2所示
是较为典型的深海光缆。
②无金属光缆
无金属光缆是指光缆除光纤、绝缘介质外（包括增强构件、护层）均是全塑结构，适用于强电场合，如电站、电气化铁道及强电磁干扰地带。
浅海光缆深海光缆
七、光缆的种类
1．按传输性能、距离和用途分
可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。
2．按光纤的种类分
可分为多模光缆、单模光缆。
3．按光纤套塑方法分
可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。
4．按光纤芯数多少分
可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆和二十四芯光缆等。
5．按加强件配置方法分
光缆可分为中心加强构件光缆（如层绞式光缆、骨架式光缆等）、分散加强构件光缆（如束管两侧加强光缆和扁平光缆）、护层加强构件光缆（如束管钢丝铠装光缆）和PE外护层加一定数量的细钢丝的PE细钢丝综合外护层光缆。
6．按敷设方式分
光缆可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。
7．按护层材料性质分
光缆可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。
8．按传输导体、介质状况分
光缆可分为无金属光缆、普通光缆和综合光缆。
9．按结构方式分
光缆可分为扁平结构光缆、层绞式结构光缆、骨架式结构光缆、铠装结构光缆（包括单、双层铠装）和高密度用户光缆等。
10．目前通信用光缆可分为
（1）室(野)外光缆——用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。
（2）软光缆——具有优良的曲挠性能的可移动光缆。
（3）室（局）内光缆——适用于室内布放的光缆。
（4）设备内光缆——用于设备内布放的光缆。
（5）海底光缆——用于跨海洋敷设的光缆。
（6）特种光缆——除上述几类之外，作特殊用途的光缆。
八、光缆型号的表示
光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。
（1）光缆型式由五个部分组成，如下图所示。
光缆型式的组成部分
图中：
Ⅰ：分类代号及其意义为：
GY——通信用室（野）外光缆；GR——通信用软光缆；
GJ——通信用室（局）内光缆；GS——通信用设备内光缆；
GH——通信用海底光缆；GT——通信用特殊光缆。
Ⅱ：加强构件代号及其意义为：
无符号——金属加强构件；F——非金属加强构件；
G——金属重型加强构件；H——非金属重型加强构件。
Ⅲ：派生特征代号及其意义为：
D——光纤带状结构；G——骨架槽结构；
B——扁平式结构；Z——自承式结构。
T——填充式结构。
Ⅳ：护层代号及其意义为；
Y——聚乙烯护层；V——聚氯乙烯护层；
U——聚氨酯护层；A——铝-聚乙烯粘结护层；
L——铝护套；G——钢护套；
Q——铅护套；S——钢-铝-聚乙烯综合护套。
Ⅴ：外护层的代号及其意义为：
外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如下表所示。
（
光缆的规格组成部分
图中：
Ⅰ：光纤数目用1、2、……，表示光缆内光纤的实际数目。
Ⅱ：光纤类别的代号及其意义。
J——二氧化硅系多模渐变型光纤；
T——二氧化硅系多模突变型光纤；
Z——二氧化硅系多模准突变型光纤；
D——二氧化硅系单模光纤；
X——二氧化硅纤芯塑料包层光纤；
S——塑料光纤。
Ⅲ：光纤主要尺寸参数
用阿拉伯数（含小数点数）及以μm为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。
Ⅳ：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。
a——表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：
1——波长在0.85μm区域；2——波长在1.31μm区域；
3——波长在1.55μm区域。
注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。
bb——表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。
cc——表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHz·km）的千位和百位数字。单模光纤无此项。
Ⅴ：适用温度代号及其意义。
A——适用于?40℃～+40℃
B——适用于?30℃～+50℃
C——适用于?20℃～+60℃
D——适用于?5℃～+60℃
光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如下图所示。其符合有关电缆标准中导电线芯规格构成的规定。
光缆中附加金属导线编号示意图
例如，2个线径为0.5mm的铜导线单线可写成2×1×0.5；；4个线径为0.9mm的铝导线四线组可写成4×4×0.9L；4个内导体直径为2.6mm，外径为9.5mm的同轴对，可写成4×2.6/9.5。
（3）光缆型号例题
设有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125μm的二氧化硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测的铜线径为0.9mm的四线组，且在1.31μm波长上，光纤的损耗常数不大于 1.0dB/km，模式带宽不小于800MHz·km；光缆的适用温度范围为?20℃～+60℃。
该光缆的型号应表示为：
GYGZL03-12T50/125（21008）C+5×4×0.9。
光纤通信课后习题答案 第一章习题参考答案 1、第一根光纤是什么时候出现的？其损耗是多少？ 答：第一根光纤大约是1950年出现的。传输损耗高达1000dB/km 左右。 2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。 答：光纤通信系统主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。 系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号经过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。 中继器就是用于长途传输时延长光信号的传输距离。 3、光纤通信有哪些优缺点？ 答：光纤通信具有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁干扰能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节省有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连接困难，怕水等缺点。 第二章 光纤和光缆 1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？ 答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。 2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？ 答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G .652光纤（常规单模光纤）、G .653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。 （2）阶跃型光纤的折射率分布 () 2 1 ?? ?≥<=a r n a r n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121? ????≥
第二章 光纤和光缆 1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？ 答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。 2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？ 答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。 （2）阶跃型光纤的折射率分布 () 2 1?? ?≥<=a r n a r n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121? ????≥
光纤通信课后习题参考答案-邓大鹏第一章习题参考答案 1、第一根光纤是什么时候显现的？其损耗是多少？ 答：第一根光纤大约是1950年显现的。传输损耗高达1000dB/km左右。 2、试述光纤通信系统的组成及各部分的关系。 答：光纤通信系统要紧由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。 系统中光发送机将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤光缆，调制过的光信号通过光纤长途传输后送入光接收机，光接收机将光纤送来的光信号还原成原始的电信号，完成信号的传送。 中继器确实是用于长途传输时延长光信号的传输距离。 3、光纤通信有哪些优缺点？ 答：光纤通信具有容量大，损耗低、中继距离长，抗电磁干扰能力强，保密性能好，体积小、重量轻，节约有色金属和原材料等优点；但它也有抗拉强度低，连接困难，怕水等缺点。 第二章光纤和光缆 1．光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？ 答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和不处的涂覆层组成的。纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是爱护光纤不受水汽的腐蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。 2．光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？ 答：（1）按照截面上折射率分布的不同能够将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光纤；按光纤中传输的模式数量，能够将光纤分为多模光纤和单模
光纤；按光纤的工作波长能够将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T 关于光纤类型的建议，能够将光纤分为G .651光纤（渐变型多模光纤）、G .652光纤（常规单模光纤）、G .653光纤（色散位移光纤）、G .654光纤（截止波长光纤）和G .655（非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）能够将光纤分为松套光纤和紧套光纤。 （2）阶跃型光纤的折射率分布 () 21???≥<=a r n a r n r n 渐变型光纤的折射率分布 () 2121?????≥
1_1绪论 电通信分有限和无线 光通信分有线（光纤）和无线 光纤通信简介 电通信：以电磁波作为信息载体以通信电缆或大气为传输媒介的通信方式 光通信：激光 光通信的雏形 1.贝尔老电话 话筒——透镜——孤光灯；200米 话筒——透镜——硅光电池抛物镜听筒中； 股光灯 1.不是相干光 2.白光散开角太大 激光：相干光平行 一、大气光通信 优点：简单经济，机动灵活； 缺点： 1.受大气影响特别大。。。天气好20~30dB/km;不好200dB/km 2.传输不稳定 3.场合受限，要求收发两地直线可见 二、光通信系统的组成及分类 1.光通信系统的组成 信号——电发射机——光发送机——光纤——光中继——光接收机——电接收机——信号 电发射机——调制信号 模拟信号——载波通信 数字通信——PCM通信 光发送机——电信号与光信号的转换（直接调制/外调制） 直接调制电信号——驱动电路——光源——光信号 外调制驱动电路（光源——调制器（电信号））——光信号 光中继——将失真的信号进行放大，整形再生； 光放大器 电放大量光/电——电放大——电光 光接收机——光/电转化PIN/APO 2.光纤通信系统分类 1.传输信号性质包括：模拟传输和数字传输 1.按传输波长和光纤类型分短波（850nm）多模光纤1310 单模光纤 长波1310nm 多模光纤1550 单模光纤三、光纤通信的发展及历程 1.探索时期的光通信 ●原始光通信（烽火台旗语） ●1880年贝尔光学电话 ●1960年maiman 红宝石激光器 3.现代光通信——光纤通信（1970）
●30年代衰减：1000dB/km ●1966年美籍华人：高锟 ●1970年20dB/km ●1972年 4 dB/km（这两个康宁） ●1973年 2.5 dB/km ●1974年 1.1 dB/km （这两个贝尔实验室） 我国于1977年武汉邮电科学院 3 dB/km 1_2 光纤通信的特点及应用 一、光纤通信的优点 ●传输频带宽，容量大1014HZ ●损耗低，中继距离比较长 ●抗电磁干扰能力强 ●保密性好 ●体积小重量轻 ●节省有色金属材料 ●软化温度高，不产生火花，防雷电 二、缺点 ●抗拉强度低 ●连接困难 ●材料提供要求高 ●光纤弯曲半径不能太小 ●光直接放大困难 1-3 光的性能 一、电磁波谱图 300um 远红外光25um红外光15um 近红外光0.76um 可见光0.39um 紫外线0.006um 无线电波红外线可见光紫外线X射线Y射线 光纤0.8~1.8um(167~375Hz) 二光的反射与折射 当入射角大于折射角时，才能发生全反射 全反射是光信号在光纤中传输的必要条件 三光的干射 1.相干波——由频率相同，传播方向相同，位相相同或位相差值恒定的两个波源发生的波是相干波：在 传输过程中，加强的地方始终加强；减弱的地方始终减弱 2.获得相干光的方法，同出一点，一分为二，各行其路，合二为一 见图分波阵面法 分振幅法 四光的衍射（菲尼尔和幅朗斯衍射） 绕过障碍物继续向前传播 五、光的偏振 自然光：大量原子，不同方向 偏振：自然光通过某种方法只保持某个方向的光 部分偏振光：（一个加强） 线偏振光：只剩一个
一、三种基本类型光纤的折射率分布 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c ） 单模光纤 二、ITU-T 建议规范的单模光纤（主要为前四种：G .652、G .653、G .654和G .655） (a) (b)(c)
三、光纤的导光原理 1．折射和折射率 光线在不同的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定： n = c/v 其中ν是光在某种介质中的速度，с是光在真空中的速度。 在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为λ0/n（λ0表示 当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线 光的折射光的反射 斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：θ1 = θ3 n1sin θ1 = n2sin θ2 全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。 2．光的偏振 光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振光，如下图（c）和（d）所示。 从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如下图（a）所示。 自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如下图（b）所示。 光的偏振
3．光的色散 如下图所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。 自然光的色散 四、光纤的几何特性 光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度等。1．芯直径 芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多模光纤的芯直径为50±3μm。 2．包层直径 包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，多模及单模光纤的包层直径均要求为125±3μm。 目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.0±3μm提高到125.0±1μm。 3．纤芯/包层同心度和不圆度 纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。 目前光纤制造商已将纤芯/包层同心度从≤0.8μm的规格提高到≤0.5μm的规格。 不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。 ITU-T规定，芯径不圆度≤6%，包层不圆度（包括单模）＜2%。 4. 模场直径和有效面积 模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。 有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。 因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。 下图为模场直径示意图。
第二章光纤传输与导光原理 2．1 光波的本质 狭义地说，光是波长在380-780nm范围的可见光，但是，它又包含有红外线、紫外线，因此没有严格的界限。广义地讲，光是波长较电波短，频率较电波高的一种电磁波的总称。目前通信用光波是在近红外波和可见的红光波段，工作波长在λ＝0.80～1.65μm之间，或者说通信用光波的频率更高f＝1014～1015Hz。 所谓可见光是指人的眼睛可见的电磁波。人的眼睛可以感受到较长波长的光，如七色光—红橙黄绿青蓝紫，在可见光中，人眼最易感受的是555nm的黄绿光。绿色光的波长约为500nm，红色光的波长在700nm，紫色光的波长约为400nm，可见光波的范围在400nm—700nm 之间，波长小于380nm或大于780nm的光，无论光强度有多强，人的肉眼几乎不可能看得到。红外线是比可见红光的波长更长，比电波波长更短的光之总称。按照到可见光的排列顺序，可分为近红外线、红外线、远红外线三种。近红外线是人眼不可见光中最常用的光，它的性质同可见光几乎无大的区别。借助半导体材料（InGaAsP）、某些气体材料（CO2）或红宝石(α-Al2O3)可有效地发光、感光，广泛用于光通信领域；波长稍长的红外线，热作用最高，若利用黑体辐射，从远红外区到红外区范围的红外光将呈峰值效应，这种光对物质具有很强的穿透力，因此，多用于微波炉、取暖器等；远红外线到电波范围，电磁波中包含有许多分子的旋转运动、振动所对应的频率，这对材料结构与性能分析非常有用。紫外线是比可见光中的紫光波长更短的波，是不可见光，具有很强的杀菌作用。 2.1.1光的波粒二象性 光具有波粒二象性，即：波动性和粒子性。如上所述，光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，但黑体辐射、光电效应则证明光具有粒子性，所以既可以将光看成是一种电磁波，又可以将光看成是由光子组成的粒子流。 1．光的波动性 光波在均匀透明介质中传播的电磁场分布形式可用麦克斯韦波动方程的弱导近似式波动方程描述： ▽2H=[1/υ2][?2H/2?2t] （2-1-1）▽2E=[1/υ2][?2E/2?2t] 式中：E—电场强度； H—磁场强度； υ—均匀介质的波数，υ=1/(ｎε0μ)1/2=1/(ｎк0)1/2 ▽2—二阶拉普拉斯算符。 2．光的粒子性 光是一种电磁波，用波动理论的观点可以正确地解释许多光学现象。但是像“光电效应”这种光学现象就不能用波动理论去解释。为了正确地解释光电效应现象，1905年爱因斯坦提出了光子假说并得到证实：光是一种以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子，或称为光量子。如果电子或原子从一个较高的能级E2跃迁到一个低能级E1时，两个能级间将存在着一个能量差Eg=E2-E1,这个能量差将以量子的能量形式释放，一个量子的能量称为光子。像所有运动的粒子一样，光也可以产生压力和引起粒子旋转。所以光可以用粒子数来描述。光的能量集中在光子之中。光子具有一定的频率，单频率光称为单色光，单色光的最小单位是光子。一个光子的能量可以用波尔能量方程描述： ?（2-1-3）Eg=hν
第 2 章光纤拉制及成缆 2.1 光纤的分类 2.2 光纤材料 2.3 光纤的拉制 2.4 光纤成缆技术 思考与练习
随着通信技术的进一步发展, 光纤光缆已逐步取代电缆成为国家通信的主干线。 内容：光纤的种类、材料和制作方式, 以及光缆的类型、设计要求和制造工艺、拉制和成缆。
2.1光纤的分类 光纤的基本结构十分简单,是由光折射率较高的纤芯和折射率较低的包层所组成。纤芯和包层的折射率差异导致光在纤芯发生全内反射,从而使光在纤芯内传播。 为了保护光纤不受外力和环境的影响,在包层的外面一般都加有涂敷层。 典型的通信用光纤截面图,对于单模光纤,其标准包层直径是125μm,加上涂敷层后,光纤直径约为250μm。 不同类型的光纤虽然由纤芯、包层、涂敷层三个基本部分组成,各自的几何尺寸差异却很大。
b b a a a a b b r r 芯区包层 涂层 n 1n 1n 2n 2 n 0n 0(a)(b)阶跃光纤 渐变光纤阶跃光纤与渐变光纤的横截面和折射率分布
光纤的分类 光纤的分类方式多种多样, 一般按照光纤内部光能传输的稳定模式数来确定。 多模光纤：能以多种模式传光的光纤即为多模光纤。 单模光纤：而只能传输单一模式的光纤则称为单模光纤。
多模光纤 阶跃多模光纤和渐变光纤 阶跃多模光纤是一种具有大的芯径和大的数值孔径的光纤, 纤芯与包层界面上折射率呈阶跃分布, 即纤芯和包层的折射率各自保持常数, 纤芯折射率较高, 包层折射率较低, 一般由多组分玻璃化合物或掺杂石英玻璃制成。 大芯径和大的数值孔径有利于提高光纤收集光功率的效率, 在图像传输和照明中使用广泛; 但芯径和数值孔径的增大也使光纤的模式色散增加, 不利于长途通信。
浅谈光纤光缆和通信电缆 摘要 光纤通信与光缆通信在我国近年来发展迅速，前景可观，由其是光纤通信有着长远的发展价值，进入21世纪，光纤通信成为一种发展迅速，技术更新快，技术不断涌现的领域，21世纪人类会进入一个前所未有的信息爆炸时代，IP业务呈指数式增长，信息传递量不断扩大，这也就带动光纤通信的飞速发展，传输率成百倍增长，三网的合并，必将成为现实。从信息技术发展来看,由于电缆通信的不足，与光纤通信的优势，因此，决定的光纤通信发展的必要，为适应信息技术革命发展的需求，随着光纤技术的不断提高，生产成本的降低，光纤通信将逐渐代替光缆通信。 光纤通信质量小、体积小、传输质量高，而电缆通讯远逊于光纤通信。其次两者的发展现状、区别，光纤通信有着较好的发展优势，最后为两者的发展趋势与未来，光纤通信以它独特的优点将会为通信史上一次革命性的变革，必将会主导未来信息网，通信电缆行业的发展趋势，由于需求下降，线缆产业产能相对过剩，企业竞争加剧，使得电缆通信发展举步维艰甚至于退出市场，会逐步形成少数巨头垄断的竞争格局。
目录 第一章：光纤光缆与通信电缆概述 1.光纤光缆与通信电缆各自特点 2.光纤光缆种类 3.通信电缆种类 4.光纤光缆种类 5.通信电缆种类 6.光纤光缆优缺点 7.光纤通信与电缆通信相比具有哪些优势第二章：光纤光缆与通信电缆区别 1. 光纤光缆适用条件和范围 2. 通信电缆使用条件和范围 第三章：目前主要通信方式 第四章：总结
1 光纤光缆与通信电缆概述 1.1 光纤光缆与通信电缆各自特点 光纤光缆特点: 光纤通信是现代信息传输的重要方式之一。它具有容量大、中继距离长、保密性好、不受电磁干扰和节省铜材等优点。 通信电缆特点: 通信电缆传输频带较宽，通信容量较大，受外界干扰小，但不易检修。可传输电话、电报、数据和图像等。 1.2 光纤光缆种类 光纤的种类按使用的材料分，有石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤和塑料光纤等几大类。其中石英光纤以高纯SiO2玻璃作光纤材料，具有衰减低、频带宽等优点，在研究及应用中占主要地位。如按纤芯折射率分类主要有突变型光纤和渐变型光纤。按传输光的模式分，有多模光纤和单模光纤。 突变型 纤芯部分折射率不变,而在芯-包界面折射率突变。纤芯中光线轨迹呈锯齿形折线。这种光纤模间色散大，带宽只有几十兆赫·公里。常做成大芯径，大数值孔径
《光纤通信》第二章光纤光缆讲课提纲 浙江传媒学院 陈柏年 一、光纤（Fibel ）：圆柱形介质光波导，作用是引导光能沿着轴线平行方向传输。 1、导光波（guided wave ）：光纤中携带信息、由纤芯和包层的界面引导前进的光波。 2、光纤的传导模：在光纤中既满足全反射条件又满足相位一致条件的光线束。 3、光纤的三层结构：（1）纤芯（core ），（2）包层（coating ），（3）涂覆层（jacket ）：包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。纤芯折射率为n 1，包层折射率为n 2，纤芯包层相对折射率差 121n n n -D = 4、光纤的分类：有多种分类的方法。 （1）按照光纤截面折射率分布：SIF （小容量、短距离，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传输），GIF （中等容量、中等距离，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输）、双包层光纤（色散平坦光纤DFF 、色散移位光纤DSF ）、三角芯光纤（非零色散长距离光纤）； （2）按照光纤中传输模式数量：MMF ，SMF （光线以直线形状沿纤芯轴线方向传输）； （3）按照按光纤的工作波长：短波长（850 nm ）光纤，长波长（1310 nm 、1550 nm ）光纤； （4）按套塑（二次涂覆层）：松套光纤，紧套光纤。 二、光的两种传输理论 （一）光的射线传输理论 1、几何光学方法：基于射线方程，依据光线的斯奈耳反射定律和折射定律，研究光线的运动轨迹。 2、光纤的几何导光原理：光纤是利用光的全反射特性导光； 3、突变型折射率多模光纤主要参数： （1）光线轨迹: 限制在子午平面内传播的锯齿形折线。光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。 （2）光纤的临界角θc ：只有在半锥角为θ≤θc 的圆锥内的光束才能在光纤中传播。 （3）数值孔径NA ：入射媒质折射率与最大入射角（临界角）的正弦值之积。与纤芯
第二章光纤和光缆 1 ?光纤是由哪几部分组成的？各部分有何作用？ 答：光纤是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层组成的。 纤芯和包层是为满足导光的要求；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。 2 ?光纤是如何分类的？阶跃型光纤和渐变型光纤的折射率分布是如何表示的？ 答：（1）按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤和渐变型光 纤；按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤和单模光纤；按光纤的工 作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤；按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G651光纤（渐变型多模光纤）、G.652光纤（常规单模光纤）、G.653光纤（色散位移光纤）、G.654光纤（截止波长光纤）和G.655 （非零色散位移光纤）光纤；按套塑（二次涂覆层）可以将光纤分为松套光纤和紧 套光纤。 （2）阶跃型光纤的折射率分布n r n i r n2 r a a 1 2 1 2 - a 渐变型光纤的折射率分布n r n m r a r a 阶跃型光纤和渐变型光纤的数值孔径NA是如何疋义的？两者有何区别？它是用来衡量光纤什么的物理量？ 答：阶跃型光纤的数值孔径NA sin °q 2 渐变型光纤的数值孔径NA sin °.n 0 $ - n.n 0.2两者区别：阶跃型光纤的数值孔径是与纤芯和包层的折射率有关；而渐变型光纤的数值孔径只与纤芯内最大的折射率和包层的折射率有关。 数值孔径是衡量光纤的集光能力，即凡是入射到圆锥角0 0以内的所有光线都可 以满足全反射条件，在芯包界面上发生全反射，从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。 4 ?简述光纤的导光原理。 答：光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角）内的光线都能收集在光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光线限制在光纤中传播。 5 ?什么是传导模？推导相位一致条件，并说明其物理意义。
光纤通信与数字传输在光纤通信系统中，光纤是光波的传输介质。 光纤的材料、构造和传输特性对光纤通信系统的传 输质量起着决定性的作用。 本章在介绍光纤光缆的结构和类型的基础上， 分别用波动理论和射线光学理论对光纤中的模式和 传光原理进行分析，并对光纤的衰减和色散等传输 2.1.1 光纤结构2.1.2 光纤型号2.1.3 光缆及其结构 光纤的结构 光纤的基本结构主要由以下几部分组成：折射率（n 1 ）较高的纤芯部分、折射率（n 2 ）较低的包层部分以及表面涂覆层。结构如图2-1所示。为保护光纤，在涂覆层外有二次涂覆层（又称塑料套管）。
涂覆层250μm 无论何种光纤，其包涂覆层的主要作用是为光纤提供保护 纤芯和包层仅在折射率等参数上不同，结构上是一个完整整体 按折射率分布 按二次涂覆层结构 按材料按纤芯折射率分布： 阶跃折射率分布和渐变折射率分布 n 1n 2n 0 n b/2 n 1n 2n 0 r n 按光纤的二次涂覆层结构 紧套结构光纤 松套结构光纤
SiO 2光纤* 塑料光纤 氟化物光纤 单模光纤 多模光纤 传导模式的概念将在模式分析部分介绍 光纤型号 国际电信联盟ITU-T 规定的光纤型号主要有G.651光纤（多模光纤），G.652光纤（常规单模光纤），G.653光纤（色散位移光纤），G.654光纤（低损耗光纤），G.655光纤（非零色散位移光纤）以及最新的G.656和G.657光纤。 根据我国国家标准规定，光纤类别的代号应如下规定：光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写A 表示单模光纤，再以数字和小写字母多模光纤类型 塑料塑料二氧化硅芯塑料包层 二氧化硅芯塑料包层二氧化硅芯塑料包层二氧化硅二氧化硅二氧化硅二氧化硅140100渐变折射率二氧化硅12585渐变折射率A1c 二氧化硅12562.5渐变折射率A1b 二氧化硅12550渐变折射率A1a 材料包层直径(um) 纤芯直径(um) 折射率分布类型
第一章光纤通信概述 1、高质量的光纤通信要解决哪两个问题？ （1）、理想光源；（2）、稳定可靠和低损耗的传输媒质。 2、按激光波长和传输模式光纤分哪四种？ （1）、短波长（0.85um左右）多模光纤通信系统；（2）、长波长（1.31um）多模光纤通信系统；（3）、长波长（1.31um）单模光纤通信系统（4）、长波长（1.55um）单模光纤通信系统 3、光纤通信有哪些优点？ ①、传输频带宽，通信容量大；②、损耗低、中继距离长；③、抗电磁干扰能力强；④、保密性能好；⑤、体积小，重量轻；⑥、节省有色金属和原料；⑦均衡容易；⑧软化点高。 4、利用光的折射原理分析光在不同媒质界面上的全反射现象 由n1·sinθ1=n2·sinθ2得：当n1> n2时，从光密媒质射向光疏媒质，必有θ1<θ2，不发生全反射现象；当θ2=90·时，光线不再进入第二种煤质，此时θ1用θc表示，为临界角；当θ1>θc时，出现全反射现象，成为光信号在光纤通信中的必要条件。 第二章 1、渐变光纤折射率分布指数g选什么值？在传光性能上有什么特点？ g=2。折射率最佳分布，光线具有自聚焦能力。 2、已知n1、n2（阶跃光纤），计算△、N A。相对折射率：△=（n12-n22）/ 2n12数值孔径：N A= n12-n22 = n1 2△。 3、什么是模场直径？什么是截止波长？ 模场直径——单模光纤中基模的电场强度随空间变化的分布。 截止波长——单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。 4、对光纤的几何参数有什么要求？ 芯直径：d=50±3μm；包层直径：D=125±3μm；纤芯不圆度：e < 6%；包层不圆度：E < 2%；纤芯/包层同心度偏差：c < 6% 。 5、单模光纤与多模光纤在结构上主要区别是什么？纤芯直径。 6、光纤损耗分哪几类？每一类又有什么损耗。 吸收损耗：本征吸收损耗：红外吸收损耗、紫外吸收损耗。 杂质吸收损耗：过渡金属离子损耗、氢氧根离子吸收、原子缺陷吸收损耗。 散射损耗：瑞利散射损耗、非线性散射损耗、波导效应散射损耗。 其他损耗：连接损耗、弯曲损耗、微弯损耗。 7、二氧化硅光纤的工作波长为什么选在0.85μm、1.31μm、1.55μm？ 大约在0.85μm、1.31μm、1.55μm处有三个低损耗窗口，光纤在这个区域损耗最小。 8、什么是氢损？ ①、在室温下，SiO2捕捉H2，生成偶极矩O-H；②、在200。C时，SiO2捕捉H2，生成OH-。 9、光纤传光后为什么会形成色散？ 光信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模式成分携带的，使光在传输过程过程中传输速度不同或是传输路程不同，使得到达目的地所经过的时间不同，形成时延差，从而引起色散。