第二章 光纤传输理论

第二章光纤的基本理论2.1 光纤结构和类型2.1.1 光纤结构一、光纤概念：是一种丝状的圆柱光波导，它将光封闭在其内进行传递；通信用的光纤多为石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体。

二、光纤结构：图2-1 光纤的结构图（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。

直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。

纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。

（2）包层：包层位于纤芯的周围。

直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。

而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。

（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，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。

涂覆后的光纤其外径约1.5mm。

通常所说的光纤为此种光纤。

2.1.2 光纤分类一、按光波模式分布：1.多模光纤（Multi-mode, MMF）：纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50μm左右），适合于中容量、中距离通信。

2.单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF）：纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个μm），适用于大容量、长距离通信。

（注：多模光纤又分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤，光线在其中的传输情况分为为图2-2(b)和2-2(c)；而单模光纤的光线传播应该为2-2(b)，图2-2(a)是一种近似情况。

）a.光在单模光纤中的传播b.光在阶跃折射率多模光纤中的传播c.光在渐变折射率多模光纤中的传播图2-2光在几种光纤中的传播二、按折射率分布：1.阶跃光纤（Step-Index Fiber, SIF）：纤芯和包层的折射率分别为不同的常数，在交界面上呈台阶型突变。

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2.1.1 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（n1）较高的纤芯部分、折射率（n2）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1. 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 0nO b/2aab/2n 1n 2n 0n 1rn2 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2.1.2 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）以及正在制订中的G.656和G.657光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。

表2-1 多模光纤类型塑料塑料1000二氧化硅芯塑料包层430二氧化硅芯塑料包层380二氧化硅芯塑料包层300二氧化硅280二氧化硅240二氧化硅140二氧化硅140100渐变折射率A1d 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1540 ～15651310 1550155015501310 1550二氧化硅非色散位移B1.1标称工作波长(nm)材料名称类型对应G.652光纤对应G.654光纤光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和外护层组合成的整体。

第二章 光纤传输基本理论2.1 电磁场理论基础 错误！未定义书签。

2.1.1 电磁场基本方程 ............................................................................................................. 1 2.1.2 电磁场边界条件 ............................................................................................................. 2 2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程 ............................................................................................. 2 2.1.4 均匀平面电磁波和偏振状态 ......................................................................................... 3 2.1.5 平面波的反射和折射 ..................................................................................................... 5 2.2 电磁场理论的短波长极限――几何光学理论 (6)2.2.1* 几何光学的基本方程――程函方程(补充内容) ........................................................ 6 2.2.2 光线传播的路径方程 ..................................................................................................... 7 2.3 光纤中光信号传输的几何光学解释 .. (8)2.3.1 阶跃光纤中光线的传播 ................................................................................................. 8 2.3.2 梯度光线中的光线的传播 ........................................................................................... 11 2.4 阶跃式光纤中的模式理论 . (13)2.4.1 阶跃式光纤中的矢量模 ............................................................................................... 13 2.4.4 传播模的色散曲线 ....................................................................................................... 24 2.4.5 导波模的场形图 ........................................................................................................... 25 2.5 阶跃光纤中的标量解 .. (25)2.5.1 线偏振模场解 ............................................................................................................... 26 2.5.2 线偏振模的特征方程及截止参数 ............................................................................... 28 2.5.3 LP mn 模与矢量模之间的对应关系 ............................................................................ 30 2.5.4 LP mn 模的场分布及功率分布 ....................................................................................... 30 2.6 传播模式的一般特性 .. (32)2.6.1 传播模式数量 ............................................................................................................... 32 2.6.2* 渐变折射率光纤的理论分析（补充内容） ............................................................. 32 2.6.3* 理想波导中模式的正交性和完备性 ......................................................................... 35 2.6.4* 非理想波导中模式的耦合 .. (35)第二章 光纤传输基本理论 2.1.1 电磁场基本方程宏观电磁现象可以用电场强度E ，电位移矢量D ，磁场强度矢量H ，磁感应强度矢量四个矢量描述，它们都是空间位置和时间的函数。