光纤传输原理及特性

（4）皮线光缆
图2-14 2芯入户皮线光缆结构
常用的特种光缆主要有电力系统光缆、 海底光缆和野战军用光缆等，如图2-15 、图2-16所示。
（1）电力系统光缆 其结构如图2-15所示。
图2-15 架空地线光缆 （OPGW）结构
（2）海底光缆
海底光缆是为将陆地型光纤传输能力延伸至无中继站 的海底应用而设计的光缆。野战军用光缆及特种军用 光缆是为野战部队的战术通信、雷达车的信息传输、 导弹制、导鱼雷制导等应用而设计的光缆。
3.光缆特性
光缆的主要特性有几何参数、光学特性 、传输特性、机械特性和环境特性。
光缆的光学特性和传输特性主要由光缆 中光纤决定。
光缆机械性能指标有拉伸、压扁、冲击 、反复弯曲、扭转、曲绕等受力状态
2.2 光纤传输原理分析
光纤属于介质圆波导,分析导光原理很复杂,可 用两种理论进行即射线理论和波动理论.
铠装层材料 单/双细圆钢丝铠装 单/双粗圆钢丝铠装 单钢带皱纹纵包铠装
双钢带铠装
代码 1 2 3 4
外被层或外套材料 纤维外被 聚氯乙烯套 聚乙烯套
聚乙烯套加覆尼龙套
GYFTY—— GYTA53（ GY*TA53 ）——
2．光缆中光纤规格代码及意义
光缆规格由五大部分构成，均用代号表示。
按下列顺序排列：
（6）适用温度 用英文字母表示： （1） A——适用温度范围为 一40～＋ 40（℃） （2） B——适用温度范围为 一30～＋50 （℃） （3） C——适用温度范围为 一20～十60（℃） （4） D——适用温度范围为 一5～＋60（℃）
举例
GY G Z L-03-12-J 50/125（2 10 08）C GYTA53 GYTA 8B1
sin 1 n2 1 sin 2 n1
若n1>n2,则入射角θ1<折射角θ2
当1θ2=9c 0°sin时1对nn12应9的0 0 入射角θ1 =临界角θc 只要θ1>θc，入射光出现全反射，光被限制在
n1介质里传播。
若光从n2向n1入射，光线是否能出现全反射？
4)绝对折射率n=c /v
v 1
n , r v介质里光速. 00r
（2）加强件代码及意义
无符号——金属加强件 F——非金属加强件 G——金属重型加强件 H——非金属重型加强件 X——两根分散加强件
（3）派生（结构特征）的代码及意义
B——扁平式结构； C——自承式结构 T——填充式结构； D——带状结构 G——骨架槽结构； Z——阻燃结构 X——中心束管结构
（4）护套代码及意义
图2-2 光纤的分类
按模式来分
1)多模光纤（Step-Index Fiber/ GradedIndex Fiber） 2)单模光纤： ①双包层光纤
② 三角芯光纤
SiO2+GeO2 SiO2
SiO2+F
图2-3 典型特种单模光纤
③椭圆芯光纤：保偏单模光纤。 ④熊猫光纤：保偏状态；⑤蝴蝶光纤：保偏状态
n(r0)sinθ1=n(r1)sinθ2=……=n (r)sinθ (4.6) 同理得出：n(r0)sin(900-θz0) = n(r1)sin(900-θz1) =……=n(r)sin(900-θz) 即n(r0)cosθz0=n(r1)cosθz1=……= n (r) cosθz
射线上任一点符合下列ຫໍສະໝຸດ 系：n(r0 )1 n22 n 2 (r0 ) (2.7)
光纤的本地数值孔径
NA sin n(r0 )
1 n22 n2 (r0 )
NA n2 (r0 ) n22
在渐变折射率光纤中，相对折射指数差定义为
n2 (0) n2 2 2n2 (0)
其中n(0),n2分别是r=0处和芯子界面上的折射率
图2-16 海底光缆结构
2.1.3 光缆型号、规格及特性
图2-17 光缆型号与规格组成图
1．光缆型号代码及意义
（1）分类代码及其意义
GY——通信用野外光缆； GR——通信用软光缆 GJ——通信用局内光缆 ； 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 GW——通信用无金属光缆； GM——通信用移动式光缆
2.2.1 射线理论分析光纤的传输原理 然后用波动理论讨论导光原理 1.基本光学定律和定义 1)直线传播定律
光在均匀介质(折射率n不变)中是沿直线路径传 播的. 其传播的速度为：v=c/n (2.1)
式中，C=3×108m/s，是光在真空中的传播速度， n是介质的折射率(空气的折射率为1.00027，近似
光纤接收角?
数值孔径NA(r)?一个渐变型光纤的子午面上分层
如图2-12所示.
各层之间的折射率满足以下关系：n(r0) ＞n(r1)＞n(r2)＞n(r3)＞……由于光都是 由光密介质向光疏介质传播
其入射角将会逐渐增大，即有θ1 ＜θ2＜θ3 ＜θ4＜θ5……
(1)光纤接收角φ 分析N层的渐变型光纤的导光条件即光纤端面的入 射角φ必须满足条件是什么？光线最迟也必须在N层 与包层界面上发生全反射。根据光线的折射和全反
（3）光纤主要尺寸参数及意义 用阿拉伯数（含小数点数）及以m为单位表示 多模光纤的纤芯/包层的直径，如50/125，单位 为m或单模光纤的模场直径/包层直径，单位为 m。
（4）传输特性代码及意义（由a，bb及cc共三组数 字构成 。）
光纤传输特性代码由使用波长的代码a、衰减常数的 代码bb及模式带宽的代码cc三组数字构成。 （5）适用温度代码及意义 ·A——适用于-40～+ 40（℃）； ·B——适用于-30～+50（℃）； ·C——适用于-20～+60（℃）； ·D——适用于-5～+60（℃）。
内容提要：
2.1 光纤和光缆的结构及类型 2.2 光纤传输原理分析 2.3 光纤的结构参数 2.4 光纤的传输特性
2.1 光纤和光缆的结构及类型
在光纤通信系统与网络中，光纤作为 光波传输的良好介质，尤其是石英系列光 纤得到了广泛的应用。光纤的传输特性对 光纤通信的传输质量起决定作用。本章从 应用角度介绍光纤和光缆类型与特性。
表2.1 各种光纤适用范围
O2
O2
O2
O2
O2 O2
图2-6几种典型的光纤折射率分布图
单模光纤的波段划分
从G.656光纤的应用范围可知，它适用S+C+L三个波段。单模 光纤的波段划分见表所示。
表2.2 单模光纤的波段划分
O波段（原始波 E波段（扩展波 S波段（短波段 C波段（常规波
L波段
U波段（超长波
为1，玻璃的折射率为1.45左右)。
2)独立传输定律
在线性介质中(光纤为线性介质),来自不同
方向的光线即使在空中相交也能互不影响,
按各自原有方向继续前进. 3)反射定律和折射定律
θ2
n 2=1
θ2=900
(1)反射定律θ1= θ’1
θ1=θc θ1 θ’1
(2)折射定律
n 1=1.45
n1 sin1 n2 sin 2
光纤 纤数
Ⅰ
光纤 类别
Ⅱ
光纤 尺寸
Ⅲ
工作 波长
Ⅳ(a)
损耗 模式 适用 常数α 带宽 温度
Ⅳ(bb) Ⅳ(cc) Ⅴ
（1）光纤纤数 用光缆中同一类别光纤的实际数字表示． （2）光纤类别 J——SiO2系列多模渐变光纤 T——SiO2系列多模阶跃光纤 Z——SiO2系列多模准突变型光纤 D——SiO2系列单模光纤 B1——SiO2 的G.652单模光纤 X——SiO2芯、塑料包层光纤 S——全塑光纤
c 1
0 0
2.光纤中光的传播
当子午线（始终在一个包含光纤轴线的子午 面内传播，并且一个传播周期与中心轴相交两次 的光线称为子午线）在阶跃光纤中传播时，由于
光纤中纤芯折射率n1大于包层折射率n2（即 n1>n2，），所以在纤芯与包层界面存在着临界 角c，如图2-19所示。
子午线在阶跃（均匀）光纤中的传播 _____射线理论分析导光原理
图2-4 几种保偏光纤的截面结构
按ITU-T已给的建议，光纤可分为多模光纤G.651，单 模光纤G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、 G.657；还有其他相关的单模光纤，如色散平坦光纤 （DFF）和色散补偿光纤（DCF）。至今已有G.651～ G.657等系列光纤产品种类，在抑制色散上各有独道 之处，各种光纤的适用范围见表2.1
图2-12 8芯分支光缆结构
（3）互连光缆 互连光缆是为计算机、过程控制和办公室布线系 统等进行语言、数据、视频，图像传设备互连所 设计的光缆，其结构通常为单纤或双纤结构，图 2-13为双纤结构。这些光缆里的光纤常为G.657， 主要优点是连接容易、直径细、弯曲半径小。
图2-13 双纤互连光缆结构
段Original） 段-Extended）
-Short）
Conventional） （长波段-Long） 段-Ultralong）
1 326～1 360 1 360～1 460 1 460～1 530
nm
nm
nm
1 530～1 560 nm
1 565～1 625 1 625～1 675
nm
nm
2.1.2．光缆结构及类型
2.1 光纤和光缆的结构及类型
光纤？光缆？
所谓“光纤”就是工作在光频下的一 种圆柱体介质波导，它引导光能沿着轴 线平行方向传输。
所谓“光缆”就是由多根光纤和加强 构件以及外护层构成。
2.1.1．光纤结构及类型
1.光纤结构
图2-1 光纤结构
2．光纤的分类
光纤可依据材料、波长、传导模式、纤芯折射率 分布、制造方法的不同，将其分为多种，如图2-2 所示。
NA=sinφα=?
NA的表达示
图2-19光纤中的子午线传播
因为: n0sinφα=n1sin(900-θc)=n1cosθc,
n1 cosc n1
1 sin 2 c n1
1 n22
n
2 1
s in c
n2 n1
n
2 1
n22
NA n0 sin n1 cosc n12 n22
.渐变型光纤中子午射线的传播
•中心点垂直入射(r0=0）的数值孔径NA（0） 为最大数值孔径：
NA(0) n2 (0) n22 n(0) 2
2.2.2 波动理论分析光纤的传输原理
•波动理论的基础是波动方程，波动方程由麦克斯 韦方程组作电磁分离而得到。光波在光纤中传输的 一些基本性质都可以从麦克斯韦方程组推导出来。
一般的求解方法是由麦克斯韦方程组推导出光在均匀 介质中的波动方程，若电磁波做简谐振荡，由波动方 程可推出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程：
什么样的子午线能限制在光纤纤芯中传 输?它必须能在纤芯的界面上产生全反射.
(1)光纤的接收角(如图2-19所示)
B点:1
c
sin 1
n2 n1
90 0
时,所对应的光纤
端面接收角φα为最大接收角.
φα为什么是最大接收角? (2)数值孔径NA(Numerical Aperture) NA的定义? NA=sinφα 物理意义: NA大小反映了光纤捕捉 线的能力.
2E k02n2E 0 2H k02n2H 0
（2.9-a） （2.9-b）
式中，E是电场强度；H是磁场强度； k0=2/是真空中波数；是真空中的光波长； n是介质的折射率。
1.标量解法
由于n1/n2≈ 1对弱导光纤，可采取近似解法—— 标量近似解法。
1．层绞式光缆
2.骨架式光缆
3.中心束管式光缆
带状结构光缆
常用的室内光缆都是非金属的，可分为4种类型，即 多用途室内光缆、分支光缆、互连光缆和皮线光缆， 如图2-11～2-14所示。
（1）多用途室内光缆
图2-11所示为48芯多用途室内光缆的结构。
图2-11 48芯多用途室内光缆的结构
（2）分支光缆 分支光缆用于各光纤的独立布线和分支，图2-12所示 为一个8芯分支光缆结构。
Y——聚乙烯护套 V——聚氯乙烯护套 U——聚氨酯护套 A——铝一聚乙烯粘接护套 L——铝护套 G——钢护套
（5）外护套代码及意义（外护套是指铠装层及铠装层外边
的外护层，外护套的代码两位数字组成。第一位数字:铠装层材料，第一位
数字:外护层材料）
表2.3 外护套的代码及含义
代码 3/33 4/44
5 2
n(r0)cosθz0=n(r)cosθz 在转析点A处，射线与光纤轴平行，则 cosθz=1， n(r)=n2， n2为包层的折射率 n(r0)cosθZ0=n2, cosθz0=n2/n(r0) (2)数值孔径NA(r)? 设θz0所对应φ为最大入射角
sinφ=n(r0)sinθz0
= n(r0 ) 1 cos2 z0