第5章 信息传输材料

柱坐标下的波导方程
E E0 (r, )e j (t z )
H H0 (r, )e j (t z )
2 Ez 1 Ez 1 2 Ez 2 q Ez 0 2 2 2 r r r r 2 H z 1 H z 1 2 H z 2 q Hz 0 2 2 2 r r r r
光纤的结构
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1
纤芯
包层
保护 套
光缆
电磁波谱的划分
光纤通信技术与应用
通信波段划分及相应传输媒介
频率 Hz
101 102
103
104
105
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108
109
1010
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1014
1015
频段 划分
传 输 介 质
电力、电话
无线电、电视
微波
红外
可见光
AM无线电 同轴电缆 双铰线
模式概述
下面为光轴剖面的几个低阶横电模式的场分布。它们表现 出以下特点： (1) 它们的强度在纤芯区域简谐变化，在包层按指数衰减。 (2) 模式的阶数等于波导横向场量零点的个数。光的入射角越 小，激发的模式阶数越低。 (3) 模场并不完全局限在纤芯，而是部分进入包层。
包层 n2 纤芯 n1 包层 n2
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1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。
1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变 型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通 信系统的试验。
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1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。
随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8 海底光缆通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于 1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开， 促进了全球通信网的发展。
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在以后的 10 年中，波长为1.55 μm的光纤损耗：
1979 年是 0.20 dB/km， 1984 年是 0.157 dB/km， 1986 年是 0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限。
2、实用光纤通信系统的发展
1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)进行了世界上第一个实 用光纤通信系统的现场试验。
(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用
光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了 现代光通信——光纤通信的基础。
指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离 通信使用的低损耗光纤”这一发展方向。
光导纤维（Optical Fiber)：简称“光纤”，是一种能
指数衰减
强度简谐变化
指数衰减
辐射模和泄漏模
分析表明，只有那些满足特定条件的入射光才能激励起导 波模。此外还有其它模式： 辐射模：光的入射角过大，导致光在波导表面产生折射进入包 层形成包层模。包层模会与导波模分布在包层的能量 耦合，导致导波模的功率损耗，因此需要抑制。 泄漏模：一些高阶模的能量在沿光纤传播的过程中连续辐射出 纤芯，很快衰减并消失。
1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信 从基础研究发展到了商业应用的新阶段。
此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模， 工作波长从 0.85 μm 发展到 1.31 μm 和 1.55 μm( 短波长向长波 长），传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。
随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下 降，应用范围不断扩大。
利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤 维。
光纤通信发明家高锟(左) 1998年在英国接受IEE授予的奖章
高 锟
于1966年解决了石英光纤损耗的理论 问题
1970年，光纤研制取得了重大突破
1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的 石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。
光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤
在有线通信中的优势越来越突出，它为人类21世纪的
通信基础——信息高速公路奠定了基础，为多媒体
(符号、数字、语音、图形和动态图像)通信提供了实
现的必需条件。
1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音 的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型。 1960 年，美国人梅曼 (Maiman) 发明了第一台红宝石激光
光疏媒质 光密媒质
c
n1 sinc = n2 sin 90°
[ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
光导纤维
光利用全反射可在弯曲的光纤 内行进。 光纤可传导光能，传递光学图象，做成各种光纤传感器， 在医学（用于医疗诊病用的内视镜）、精密测量、计算 机以及光纤通信等方面得到广泛应用。

2）光纤模式推导 麦克斯韦方程
一般形式
B E t D H J t D r B 0
在线性的、各向同性的 电介质中，没有电流和自由电荷
B E t D H t D 0 B 0
E 电场强度；D 电位移矢量；H 磁场强度；B 磁感应强度 J 电流密度；r 自由电荷密度 其中，D = eE B = mH
按材料分类： 1. 无源玻璃纤维； 2. 有源玻璃纤维； 3. 塑料纤维
套层 一次涂覆层 纤芯 包层
套层
一次涂覆层
包层
纤芯
光纤的结构示意图
光纤的结构
光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴园柱形电 介质波导。纤芯与包层的相对折射率Δ = 0.01 ~ 0.02。 对于石英光纤，纤芯是参杂GeO2的高纯SiO2 （99.999%)


V才是判断单模和多模光纤的标准 如图所示，当V ≤ 2.405时， 光纤只支持一个模式，即 所谓的单模传输。让 V变 小的一个途径就是减小光 纤半径 a 的值。故单模光 纤半径比多模光纤小。
最低阶模
3）子午光线的传播
通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，位于子 午面内的光线被称为子午线。 子午光线传播的条件是入射到纤芯和包层分界面上的 入射角应满足全反射条件，由于子午光线在光纤中传播的轨 迹是一条平面折线，所以光线在光纤中经过的路程长度（称 为光路）一般都大于光纤的长度。子午光纤在光纤中传播的 光路长度与纤芯直径无关，仅取决于光线在入射端面上的入 射角φ、光纤所处媒质的折射率n0和光纤纤芯的折射率n1； 全反射次数除与上述参数有关外，还有纤芯直径成反比。
光纤中光的传播路径有两种：
a) 子午光线：光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传 播 a-1) 约束光线：约束在纤芯内部传播的光线 a-2) 非约束光线：将折射到纤芯外面
b) 斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不 与光纤的轴线相交
P n1 Q

0
n2
P r n1
O
n2
Q
O
4)
光纤的特性参数
其中w2 = 2 [(2pn2)/l]2 纤芯外部的解为修正的贝塞尔函数
圆波导的模式
麦克斯韦方程的一个解即对应一个模式，对应着电磁场在 光纤中的一种分布形式。按分布形式，模式可以分为以下几种 类型：
1. 横电模 (TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z 2. 横磁模 (TM)： z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z 3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的电场和磁场都不为0 HE (Ez > Hz) 相反 EH (Ez < Hz)
第五章信息传输材料
光纤发展历史 光纤材料的结构、特性 光纤制备
光纤材料应用
光纤传输技术
信息传输的主要方法
有线 信道 无线 信道
有线电信道(双绞线、同轴电缆等) 光纤信道 无线电 微波 卫星 红外 移动电话
一、光纤通信发展历程
光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之 一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学 技术，创造了光电子学的新天地(领域)。
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1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。
1973 年 ， 美 国 贝 尔 (Bell) 实 验 室 的 光 纤 损 耗 降 低 到
ห้องสมุดไป่ตู้
2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。
1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2μm)。
e jv
代入波动方程，得到贝塞尔方程：
2 F 1 F 2 v 2 q 2 F 0 2 r r r r
H z r a BJ v ure jv e j t z
r 0 场解为有限值
E z r a AJv ure
目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统 将成为未来国家信息基础设施的支柱。
在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济 中占重要地位。
二、光纤结构与材料
选材的准则： 1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕 2. 在特定波长损耗低 3. 能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件
1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm λ波長 f (Hz)
10G 100G
1T 10T 100T 10^15 10^16 10^17
红外线
1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm
紫外线
光通信使用范围
三、光纤传输的基本原理 1）光的折射定律 (Snell定律 )
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 入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin1 = n2 sin2