第02章光纤通信原理.ppt

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1、光纤作为光纤通信系统的物理传输媒光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。介，有着巨大的优越性。本章首先介绍光纤的结构与类型，然本章首先介绍光纤的结构与类型，然后用射线光学理论和波动光学理论重点分后用射线光学理论和波动光学理论重点分析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号。号。光纤光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三由多层透明介质构成的，一般可以分

2、为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，如图包层和外面的涂覆层，如图2.1所示。所示。图图2.1 光纤结构示意图光纤结构示意图光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。输的工作波长来分类。按照截面上折射率分布的不同可以将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光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变型光纤和渐变

3、型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如图其折射率分布如图2.2所示。所示。图图2.2 光纤的折射率分布光纤的折射率分布光纤的折射率变化可以用折射率光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数沿半径的分布函数n(r)来表示。来表示。）（1.2 21arnarnrn按光纤中传输的模式数量，可以将光按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。在一定的工作波上，当有多个模式在在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。

4、光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模单模光纤只能传输基模(最低阶模最低阶模)，不存，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。带宽，这对于高码速传输是非常重要的。按光纤的工作波长可以将光纤分为短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。波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。按照按照ITU-T关于光纤类型的建议，可关于光纤类型的建议，可以将光纤分为以将光纤分为G.651光纤光纤(渐变型多模光纤渐变型多模光纤)、G.

5、652光纤光纤(常规单模光纤常规单模光纤)、G.653光纤光纤(色色散位移光纤散位移光纤)、G.654光纤光纤(截止波长光纤截止波长光纤)和和G.655(非零色散位移光纤非零色散位移光纤)光纤。光纤。按套塑按套塑(二次涂覆层二次涂覆层)可以将光纤分为可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。松套光纤和紧套光纤。现在实用的石英光纤通常有以下三种：现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。型单模光纤。光在均匀介质中是沿直线传播的，其光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为传播速度为v=c/n式中：式中：c2.997105km/s

6、，是光在真是光在真空中的传播速度；空中的传播速度；n是介质的折射率是介质的折射率(空气空气的折射率为的折射率为1.00027，近似为，近似为1；玻璃的折；玻璃的折射率为射率为1.45左右左右)。反射定律：反射光线位于入射光线和反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：角，即：11。折射定律折射定律：折射光线位于入射光线和：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：线位于法线的两

7、侧，且满足：n1sin1=n2sin2一束光线从光纤的入射端面耦合进光一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，固定的平面内，并且不

8、与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。这种光线称为斜射线。阶跃型光纤是由半径为阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常折射率为常数数n1的纤芯和折射率为常数的纤芯和折射率为常数n2的包层组的包层组成，并且成，并且n1n2，如图如图2.6所示。所示。图图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播光线在阶跃型光纤中的传播渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。增加而递减直到等于包层的折射率。子午射线的传播过程始终在一个子午子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在二维的平面内来分析

9、，面内，因此可以在二维的平面内来分析，很直观。很直观。模式是波动理论的概念。在波动理论模式是波动理论的概念。在波动理论中，一种电磁场的分布称之为一个模式。中，一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中，通常认为一个传播方向的在射线理论中，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。式。光纤中光波相位的变化情况如图光纤中光波相位的变化情况如图2.9所所示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤的相位一致条件，不作复杂的数学推导，的相位一致条件，不作复杂的数学推导，只提及波动光学中的基本观点和结论。只提及波动光学

10、中的基本观点和结论。图图2.9 光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况相位一致条件就是说：如果图中所示相位一致条件就是说：如果图中所示的这个模式在的这个模式在A、B处相位相等，则经过一处相位相等，则经过一段传播距离后，在段传播距离后，在A、B处也应该相位相处也应该相位相等或相差等或相差2的整数倍。的整数倍。光纤的相位一致条件也可以从另外一光纤的相位一致条件也可以从另外一个角度出发得到。根据物理学的知识可知：个角度出发得到。根据物理学的知识可知：波在无限空间中传播时，形成行波；而在波在无限空间中传播时，形成行波；而在有限空间传播时，形成驻波。有限空间传播时，形成驻波。一旦确定了光波导和

11、光波长，那么一旦确定了光波导和光波长，那么n1、n2、纤芯直径纤芯直径2a以及真空中光的传播常数以及真空中光的传播常数k0也就确定了，而且式也就确定了，而且式(2-17)中的最大中的最大N值值也就确定了。也就确定了。对于渐变型多模光纤，同样，其导模对于渐变型多模光纤，同样，其导模不仅要满足全反射条件，还要满足相位一不仅要满足全反射条件，还要满足相位一致条件。致条件。在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线处的折射率大，该处光线传播速度慢；高处的折射率大，该处光线传播速度慢；高阶模远离轴线，它的传播路

12、程长，但离轴阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小，该处光线的传播速度线越远折射率越小，该处光线的传播速度越快。越快。多模光纤和单模光纤是由光纤中传输多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。与光纤中传输的光波长有关。为了描述光纤中传输的模式数目，在为了描述光纤中传输的模式数目，在此引入一个非常重要的结构参数，即光纤此引入一个非常重要的结构参数，即光纤的归一化频率，一般用的归一化频率，一般用V表示，其表达式表示，其表达式如

13、下：如下：）（19.2 222200anCanankVmmm顾明思义，多模光纤就是允许多个模顾明思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。中允许存在多个分离的传导模。只能传输一种模式的光纤称为单模光只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多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，这对于高码速传输是光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几非常重要的。单模光纤的带宽一般都在

14、几十十GHzkm以上。以上。所谓均匀平面波是指在与传播方向垂所谓均匀平面波是指在与传播方向垂直的无限大的平面上，电场强度直的无限大的平面上，电场强度E和磁场和磁场强度强度H的幅度和相位都相等的波型，简称的幅度和相位都相等的波型，简称为平面波。为平面波。平面波是非常重要的波型，一些复杂平面波是非常重要的波型，一些复杂的波可以由平面波叠加得到。在折射率为的波可以由平面波叠加得到。在折射率为n的无限大的介质中，一工作波长为的无限大的介质中，一工作波长为0的平的平面波在其中传播，其波数为：面波在其中传播，其波数为：式中：式中：k0是真空中的波数，是真空中的波数，是光的是光的角频率，角频率，和和分别是介

15、质的导磁率和介电分别是介质的导磁率和介电常数常数,设平面波传播方向的单位矢量为设平面波传播方向的单位矢量为as，则则k=ask称为平面波在该介质中的波矢量。称为平面波在该介质中的波矢量。）（25.2 200nknk反射波与入射波在原点处的复振幅之反射波与入射波在原点处的复振幅之比称为反射系数；传递波与入射波在原点比称为反射系数；传递波与入射波在原点处的复振幅之比称为传递系数，表示为：处的复振幅之比称为传递系数，表示为：）（a29.2 120101jeREER式中：式中：R、T都是复数，包括大小及相都是复数，包括大小及相位。其模值分别表示反射波、传递波与入位。其模值分别表示反射波、传递波与入射波

16、幅度的大小之比；射波幅度的大小之比；21、22是是R和和T的相角，分别表示在介质分界面上反射波、的相角，分别表示在介质分界面上反射波、传递波比入射波超前的相位。传递波比入射波超前的相位。）（b29.2 220102jeTEET全反射是一种重要的物理现象，当光全反射是一种重要的物理现象，当光波从光密介质射入光疏介质，且入射角大波从光密介质射入光疏介质，且入射角大于临界角时才能产生全反射，即全反射必于临界角时才能产生全反射，即全反射必须满足：须满足：n1n2，c190。在全反射时，式在全反射时，式(2-32)根号中是负数，根号中是负数，因此可以变化成下面的形式。因此可以变化成下面的形式。）（33.2 1sincos122212nnj全反射时，将式全反射时，将式(2-34)代入式代入式(2-30b)，即可得到垂直极化波全反射时的传递系数。即可得到垂直极化波全反射时的传递系数。）（40.2 cos212122cossinsin2221112cjarctgjennneTT综上所述，当平面波由光密介质射向综上所述，当平面波由光密介质射向两介质分界面上时，根据入射角两介质分界面上时，根据入射角1的大