第二章 通信光纤(1)

2
第二章 光纤传输理论及传输特性
2.1 光纤、光缆的结构和类型 2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程 2.3 阶跃折射率光纤模式分析 2.4 单模传输 2.5 射线光学理论 2.6 光纤传输特性
3
2.1 光纤、光缆的结构和类型
2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤型号 2.1.3 光缆及其结构
4
n r
22
麦克斯韦方程推出波动方程
对2-1式两边取旋度：
E E 00 t (2 tE 2 H )
利用矢量 恒等式 E ( E ) 2 E
有 2E 0 2 tE 2 ( E ) 由2-4式得 D ( E ) E E 0
EE
光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用 大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字 和小写字母表示不同种类光纤。见表2-1及表2-2。
12
表2-1 多模光纤类型
类型 A1a A1b A1c A1d A2a A2b A2c A3a A3b A3c A4a A4b A4c
折射率分布 渐变折射率 渐变折射率 渐变折射率 渐变折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率 阶跃折射率
需要指出的是，这里重点是理解分析和推导 的思路和方法，而不是具体的过程。
20
2.2.1 麦克斯韦方程组和波动方程
微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场
矢量。对于无源的，均匀的，各向同性的介质，麦克斯韦方程组可
表示如下：
EB
（2-2）
H
t D
（2-3）
t
D0
（2-4）
B0
（2-5）
光纤通信与数字传输B

3. 相对折射率差 几何光学阐述了只有在光纤的纤芯和包层界面 上建立全反射条件，才能确保光纤完成导光任务。 简言之，为了确保光纤轴向能够传导光波，必须 设计和制造出一个纤芯折射率n1略微大于包层 折射率n2的光波导。这个光纤轴向传导光波的 定量关系就是相对折射率差Δ。如式（2-5）所 示。
Δ的定义了纤芯折射率和包层折射率的相对关 系。如果我们已知芯折射率与包层的折射率，那 么我们可以利用式（2-5）求得光纤的相对折射 率差。
即临界角由两种介质的折射率n1和n2的比值 决定的。对于入射角α大于临界角α0的所有光线， 在光疏介质中没有对应的折射光线存在，这些光 线在界面上全部被反射回光密介质中，这种现象 称为全内反射，如图2-3所示的光线③。 由此可知，全内反射只能发生在光由光密介 质入射到与光疏介质的界面上，对于圆柱形光波 导（纤），如果使纤芯中心部分的折射率高于外 包层的折射率，就可以将满足全内反射的光线 “限制”在芯层内并以锯齿形连续反射光纤形式 在光纤中向前传输，直至传播到信息终端。
（2）传导模特性 为了实现光在光纤中远距离传播，纤芯区域的导 波场应该为振荡场，在包层区域的导波场则是衰减场。 由于纤芯折射率和包层折射率分布不同，所以应该分 别求解出两种场的分布。对于纤芯折射率和包层折射 率分别为n1、n2的阶跃折射率分布光纤，为了简化 其纵向场分量Ez、Hz的表达，我们引入纤芯导波的 归一化相位常数U 和包层导波的归一化衰减常数W。 U和W的定义，如式（2-30）和式（2-31）所示。
2.1.2 光纤特点 与电磁波通信方式相比，光纤通信是以激光为 信息载波，光纤作为传输介质的通信。因此，光 纤通信具有以下极为显著的优点： 1 巨大的工作带宽 通信技术发展史是一部载波波长由长波长变为 短波长、微波，一直到今天使用光波频谱的历史。 究竟其原因是，信息理论认定，波长越短，载波 频率越高，通信容量就越大。光纤通信使用的电 磁波频率是1014Hz。因此，仅所用的电磁波频率 而论，光纤具有的通信容量是最大的。

G.653光纤：色散位移光纤，在1.55μm处实现最低损耗与零色散波长 一致，但由于在1.55μm处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应 用。
G.654光纤：性能最佳单模光纤，在1.55μm处具有极低损耗（大约 0.18dB/km）且弯曲性能好。。
G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55μm～1.65μm处色散值 为0.1～6.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于 高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。
N(r A )n (r)2 n 2 2 n (r)2
第二章光纤和光缆
光纤中的模式（教材11，20，23）
电磁波的传播遵从麦克斯维尔方程，而在光纤中传播的电磁场， 还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定 的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式有横电波、横 磁波和混合波。
截止波长(教材24页）
通常可用它判断是否单模传输。 其为光缆出厂参数之一
第二章光纤和光缆
（教材24页） 模场直径 d
由于单模光纤的边界没有明确的边界， 包层之外有相当大的光场存在，故不能象 多模光纤一样用纤芯表示横截面的导光范
围，只能用模场直径 表示。d它表示了单
模光纤的基模能量集中的程度。CCITT规定， 单 模 光 纤 .31μm 处 的 模 场 直 径 应 在 9 ～ 10μm,偏差不应超过±10%。
光纤的分类
按光纤组成材料划分
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）
光纤种类
按光纤纤芯折射率分布划分
阶跃型光纤（SIF） 渐变型光纤（GIF） W型光纤
按光纤传输模式数划分

-8
-4 光栅衍射 光强曲线
0 I N2 I 0单
4
8 sin (/d)
单缝衍射 轮廓线 8 sin (/d)
-8
-4
0
4
2.4光的偏振
光波是一种横波，即电场强度矢量、磁场强度矢 量均垂直于波速矢量。光波的这一特性不能根据 干涉与衍射实验推出，然而它却是光的波动性的 另一重要表现。 自然光为非偏振光； 如果采用某种装置只允许一个方向 的光振动通过， 则可得到线偏振光。线偏振光也称为完全偏振光。 如果采用的装置能减弱某个方向上的光振动，则 可得到部分煽振光。部分偏振光也称为椭圆偏振 光
半波带分析法: N=asinФ/λ/2 当N为奇数时,为明点; 当N为偶数时,为干涉相消,为暗点. 单缝夫琅和费衍射条纹的明暗条件 asinФ=2K. λ/2 K=1，2，3……暗纹 asinФ=（2K+1）λ/2 K=1，2，3……明纹 Ф=0 中央明纹
单缝衍射
单缝衍射：菲涅耳衍射和夫琅和费衍射。 单缝衍射条纹特征： 单缝衍射条纹是一系列平行于狭缝的明暗 相间的直条纹，它们对称地分布于中央明 纹两侧； 明纹亮度不均匀，中央明纹最亮，其他各 明纹的亮度将随着级数的增高而逐步减弱
光的折射定律：
入射光线和折射光线分别在法线的两侧； 入射角和折射角的正弦之比等于光在该两 种媒质中传播速度之比。 假如光是从真空向某一媒质进行传播，那 么光在真空中的传播速度与光在该媒质的 传播速度之比称为该媒质的绝对折射率
光的全反射：
如果光是从光密媒质向光疏媒质传播， 折射光线 将远离法线，反之光疏媒质向光密媒质传播时， 折射光线将向法线靠近，而远离法线的程度则与 入射角的大小有关。试验证明，入射角越大，则 折射角亦越大，折射光线越远离法线。当入射角 大到某一值时，折射光线就不在光疏媒质内传播 了，而是沿光密光疏两媒质的交界面传播，这时 的入射角叫临界角。如果入射角大过临界角，那 末入射光线一点也不进入光疏媒质，而是全部又 反射回原光密媒质，这种现象叫全反射。