光纤通信第2章光纤与光缆

N=0，对应的模式为基模 N=1，一阶模 N=2，二阶模
……
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36
2.2光纤的射线理论分析
阶跃型多模光纤中各模式的光线轨迹
模式阶数高
θ小
反射的次数越多
导模到达终点时间长
传播的路径越长
高阶模和低阶模之间出现较大的时延差
不利于高码速脉冲的传输
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2.2光纤的射线理论分析
预备，跑
模0
多模光纤
模1 模2
Vc 2.405
1 2 a
到达终点时的差距
2 （a）模拟多模光纤
模0
单模光纤
（b）模拟单模光纤
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2.3均匀光纤的波动理论分析
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2.3均匀光纤的波动理论分析
光学波动理论
把光纤中的光作为经典电磁场处理 从麦克斯韦方程组出发 根据光纤的边界条件严格求解，得到光纤中电
目的
用于解决光源与光纤的耦合，以及一根光纤与另一 根光纤之间的耦合。
含义
如果认为光波能量集中在一条极细的通道中传播， 则可以对大量的光现象(尤其是那些与透镜有关的 现象)做出令人信服的解释。这种极细的传播通道 称为射线或者光线。由于射线用于描述光的几何效 应，所以光的射线理论又称为几何光学。
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阶跃型 渐变型 多模 光纤 光纤 光纤
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单模 光纤
短波长 长波长
超长 波长
G.651 G.652 (渐变型 (常规 多模) 单模)
G.653 (色散 位移)
G.654 (截止 波长)
G.655 (非零 色散
位移)
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2.1光纤的结构与类型
（1）按光纤截面上折射率分布分类 分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber) 和 渐 变 型 光 纤 (Graded-Index
G.653 G.654 G.655
色散位移单模光纤 截止波长位移单模光纤 非零色散位移单模光纤
G.656 宽带光传送用的非零色 散光纤
G.657 接入网用的弯曲损耗不 敏感单模光纤
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长途链路应用。1530-1565nm波长范围内色散 大于0 扩展WDM用的低色散光纤
宽带接入网应用的单模光纤
低阶模 高阶模
渐变型多模光纤中各模式的光线轨迹
靠近光纤轴线
传播路程短
传播速度慢
远离光纤轴线
传播路程长 传播速度快
高低次模间的时延差得到补偿 可实现高速信号传输
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2.2光纤的射线理论分析
2.2.4 多模光纤与单模光纤
传输的模式数
？ 多模光纤
单模光纤
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工作波长
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2.2光纤的射线理论分析
15
2.2光纤的射线理论分析
适用范围
适用于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤。 不适用于单模光纤的传输原理分析，对于复杂的 问题，射线光学只能给出较粗糙的概念。
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2.2光纤的射线理论分析
2.2.1基本光学定义和定律
光的射线理论的简单规则：
射线在媒质中的传播速度
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全反射
光密介质 光疏介质
备注
Z方向 X方向 驻波分布 电场幅度指数衰减
导行波
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2.3均匀光纤的波动理论分析
V
2π λ0
n1a
2Δ 2.405
a 2.405 λ0 4.05 μm
n1 2Δ 2π
V
2π λ1
n1a
2Δ 2.405
a 2.405 λ1 4.83 μm
n1 2Δ 2π
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2.2光纤的射线理论分析
3.单模光纤和多模光纤的特点
多模光纤传输带宽小，连接容易，使用起来比较方便，用于低速系统； 单模光纤传输带宽大，连接不容易，主要用于高速系统。
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V值
传导模数量 是否单模传输
40
2.2光纤的射线理论分析
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2.2光纤的射线理论分析
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2.2光纤的射线理论分析
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2.2光纤的射线理论分析
（2）单模光纤 判断一根光纤是不是单模传输的主要依据： 归一化频率的大小
光纤单模工作的充分必要条件
2.2.3光纤中的模式传输 传导模的概念
波动理论中, 一种电磁场的分布称之为一个模式。 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式。 光源在光纤中激励出所有模式中的一部分模式能由 光纤的一端传到另一端，这种能在光纤中长距离传 播的模式称之为传导模(简称导模)。
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覆层
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4
2.1光纤的结构与类型
光纤实物
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2.1光纤的结构与类型
预
预
制 棒
制 棒
参 数 测 量
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加 热 炉
加 涂 覆 层
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2.1光纤的结构与类型
2.1.2光纤的类型
光纤 的类型
按光纤 截面上 折射率
分布
按传输 模式的
数量
按光纤 的工作
波长
按ITU-T 按套塑 建议 及材料 分类 分类
2.2.2光纤中光的传播
（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播
y
P
r
法线 入射
y
光线沿光纤传输的路经
1
3
2
光线路经在垂直光纤轴 平面内的投影 1,3
z
2
(a)子午光线总是与光纤轴相交
斜射 入射
x
1
2
3
6
z
5
4
61 2
5
3 4
(b)斜射光线不与光纤轴相交,而是围绕光纤轴曲折前进(螺旋光线)
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2.2光纤的射线理论分析
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2.2光纤的射线理论分析
例题
已知阶跃型光纤，纤芯折射率n1=1.50，工作波长λ0=1.31μm，试求： （1）相对折射率差Δ=0.5%，保证光纤单模传输时，光纤的纤芯半径a应 为多大？
（2）若a=5μm，保证光纤单模传输时，n2应如何选择？ 解：（1）因为是阶跃型光纤，所以归一化截止频率Vc＝2.405；
多模光纤
1~3
较大(<200) 接续较易
成本费最小
渐变型
50
125
多模光纤
1~3
大
接续较易
(200~3000) 成本费最大
阶跃型
<10
125
单模光纤
0.1~0.5
很大
接续较难
(>3000) 成本费较小
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2.1光纤的结构与类型
（3）按光纤的工作波长分类
分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。
垂直极化波
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水平极化波
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2.3均匀光纤的波动理论分析
2.3.1均匀平面波在理想介质中的传播
全反射 在光密介质中
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2.3均匀光纤的波动理论分析
2.3.1均匀平面波在理想介质中的传播
全反射 在光疏介质中
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2.3均匀光纤的波动理论分析
2.3.1均匀平面波在理想介质中的传播
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2.2光纤的射线理论分析
2.2.1基本光学定义和定律
光的射线理论的简单规则：
射线在均匀媒质中沿直线路径传播 除非媒质的折射率发生变化，射线才会偏斜
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2.2光纤的射线理论分析
2.2.1基本光学定义和定律
光纤导光原理： 全反射
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19
2.2光纤的射线理论分析
2.2.1基本光学定义和定律
10:13:53
2
2.1光纤的结构与类型
10:13:53
3
2.1光纤的结构与类型
2.1.1光纤的结构
光纤是用来导光的透明介质纤维。一般可以分为三部分：
折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。
涂覆层的作用是保
护光纤纤不芯受和水包汽层的一侵起蚀 造和成机械一擦种伤光，波可导增效加应光， 使纤各大的种柔颜部韧色分性，的， 涂光覆可信层被号又染被分成 束为缚一在次涂纤覆芯层中和传二输次涂
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27
2.2光纤的射线理论分析
透镜聚光
物体的位置、成像的位置和透
折射率
P (焦点)
镜焦距之间的关系由薄透镜方
程给出：
D
n
1 1 1 d0 di f
放大倍数M定义为像的尺寸和 物体尺寸的比值，由下式给出： 点源
M di do
f
焦距
o x i
光纤
光纤
i
像点和源点的光束张角之比为：
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i 1 o M
do
di
o = 光源的光束张角
i = 像点的光束张角
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2.2光纤的射线理论分析
数值孔径的扩展(扩展到各种接收机具有更一般的 物理意义)
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2.2光纤的射线理论分析
2.2.3光纤中的模式传输
多模光纤 单模光纤
模
模式 传导模
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2.2光纤的射线理论分析
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2.2光纤的射线理论分析
2.2.2光纤中光的传播
（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播
子午射线：光线从入射端面耦合进光纤中，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纤 轴线相交两次。
子午面：包含光纤轴线的固定平面
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2.2光纤的射线理论分析
22
2.2光纤的射线理论分析
2.2.2光纤中光的传播
（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播
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2.2光纤的射线理论分析
24
2.2光纤的射线理论分析
2.2.2光纤中光的传播
（2）子午射线在渐变型光纤中的传播
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2.2光纤的射线理论分析
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26
2.2光纤的射线理论分析
V
2 0
n1a
2 2.405
a 2.405 0
2.405
1.31m 3.34m
n1 2 2 1.50 2 0.5% 2
（2）若a=5μm，保证光纤单模传输时，
2 V 0 n1a 2 2.405
2.405 n1a
0 2
2
2
2.405 1.50 5m
1.31m 2
2
2
0.22%
✓ 在一定的工作波长上， 有多个模式在光纤中传 输时，这种光纤为多模 光纤。
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9
2.1光纤的结构与类型
目前通信上使用的是石英光纤
实用的三种石英光纤的主要特点如下表所示。
光纤类型 纤芯直径 包层直径 相对折射率差 传输带宽 接续和成本
(微米)
(微米)
(%)
(Mhz·km)
阶跃型
50
125
光纤种类
短波长光纤
0.7-0.9
长波长光纤
1.1-1.6
超长波长光纤 >2
应用
短距离、小容量
长距离、大容量 非石英光纤、损耗 低、发展方向
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2.1光纤的结构与类型
（Hale Waihona Puke ）按ITU-T建议分类ITU-T 名称 建议 G.651 渐变型多模光纤
G.652 常规单模光纤
特点
较大芯径和数值孔径，利于与光源耦合；传输 带宽小
第二章 光纤与光缆
10:13:53
1
内容
2.1光纤的结构与类型 (1)光纤的结构 (2)光纤的类型 2.2光纤的射线理论分析 (1)基本光学定义和定律 (2)光纤中光的传播 (3)光纤中的模式传输 (4)多模光纤与单模光纤 2.3均匀光纤的波动理论分析 (1)平面波在理想介质中的传播 (2)阶跃光纤的波动理论 2.4光缆 (1)光缆的典型结构 (2)光缆的种类与型号 2.5小结
Fiber) 阶跃型光纤的折射率表达式为：
n(r)
n1 n2
ra ra
渐变型光纤的折射率表达式为：
n(r)
nm 1 2 r
a
1/
2
ra
nc
ra
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8
2.1光纤的结构与类型
（2）按传输模式(传导模)的
数量分类 分为：
单模光纤(Single Mode Fiber) 多模光纤(Multi-Mode Fiber)
12
2.1光纤的结构与类型
（5）按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为松套光纤和紧套光 纤。光纤能在套管中活动的叫松套光纤，否则叫紧套光纤。
（6）按照制造材料的不同，可将光纤分为石英光纤、塑料 光纤和氧化物光纤等。
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13
2.2光纤的射线理论分析
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14
2.2光纤的射线理论分析
31
2.2光纤的射线理论分析
10:13:54
在光纤中全反射传播 相位一致条件
32
2.2光纤的射线理论分析
10:13:54
33
2.2光纤的射线理论分析
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2.2光纤的射线理论分析
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2.2光纤的射线理论分析
不同的N 值对应不同的模式，因此光纤中的传导
模数量是有限的，离散的。
＝
n
2 1
- n22
0.22%
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2n12
46
n 2 n1 1 2 1.5 1 2 0.22% 1.4967
2.2光纤的射线理论分析
例题
已知阶跃型光纤，纤芯折射率n1=1.4528，包层折射率n2=1.4205，工作 在波长λ0=1.31μm和λ1=1.55μm，试求：光纤为单模时的最大纤芯半径。 解：因为是阶跃型光纤，所以归一化截止频率Vc＝2.405；若要单模传输，
磁场的各种分布状态
给出波导中容许的场结构形式，即模式 从而给出光纤中完善的场描述，其结论很精确
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50
2.3均匀光纤的波动理论分析
10:13:55
51
2.3均匀光纤的波动理论分析
2.3.1均匀平面波在理想介质中的传播
n2 n1
10:13:55
52
2.3均匀光纤的波动理论分析
2.3.1均匀平面波在理想介质中的传播