《光纤通信》电子教案 光纤通信_02_光纤光缆

2．按光纤中传输的模式数量
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
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
包层
D
C B
芯(n1)
A
包层(n2)
(a) 阶跃型多模光纤（SI）
包层
C
B
芯
A
包层
(b) 梯度型多模光纤（GI）
2b
2a
折射率
折射率
A 芯 包层
二、光纤的分类
光纤的分类方法很多
按照光纤截面折射率分布来分类 按照光纤中传输模式数的多少 按照光纤使用的材料 按照传输的工作波长来分类
1．按照光纤截面折射率分布
阶跃型光纤（SIF，Step-Index Fiber） 渐变型光纤（GIF，Graded-Index Fiber）
光纤的光学特 性决定于它的 折射率分布
1．阶跃折射率光纤
只有在半锥角为θ≤θc 的圆锥内入射的光束才能在
光纤中传播
临界光锥
非全反射光
全反射光
θc
纤芯 n1(> n2) 包层 (n2)
定 义 临 界 角 θc 的 正 弦 为 数 值 孔 径 （ NA ， Numerical Aperture)
1．阶跃折射率光纤
数值孔径（NA，Numerical Aperture)
在同一种介质中的偏折称为反射 在不同介质中的偏折称为折射
反射和折射分别遵循反射定律和折射定律
一、光的射线理论
若光线从光密物质（n1）射向光疏物质（n2）时，
当入射角θ1 满足以下关系
1
c
arcsin
n2 n1
将产生全反射
①
光疏媒质
n2
光纤是利用光的全 反射特性来导光的
②
③
θc
③
②
光密媒质 ①
二、光纤的几何导光原理
NA n0 sinc n12 n22 n1 2
2.1 光纤结构与类型
光传输的最重要的组成元素是光纤 光纤的主要成分是二氧化硅（SiO2） 具有很好的光传播特性 光纤与铜线相比具有极低的损耗和几乎无限的带宽， 不受电磁干扰和腐蚀 是光纤通信系统的重要组成部分
一、光纤的结构
光纤（OF，Optical Fiber）就是用来导光的透 明介质纤维，是石英玻璃丝 一根实用化的光纤是由多层透明介质构成 折射率略
(c) 单模光纤
折射率
2．按光纤中传输的模式数量
单模光纤（SMF，Single Mode Fiber）
当光纤的几何尺寸（纤芯）与光波波长（约1μm）相 当时，光纤只允许传输一种模式 不存在模间时延差 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
3．按光纤的工作波长
短波长光纤
波长为850nm
长波长光纤
波长为1300nm ~ 1600nm 主要有1310nm和1550nm两个窗口
4．按照ITU-T关于光纤类型的建议
G.651光纤（渐变型多模光纤） G.652光纤（常规单模光纤） G.653光纤（色散位移光纤DSF，Dispersion Shifted Fiber） G.654光纤（截止波长光纤） G.655光纤（非零色散位移光纤NZ-DSF）
第2章 光纤光缆
第2章 光纤光缆
在光纤通信系统中，光纤是光波的传输媒介 研究光纤中光信号的传输可以采用两种方法
其一是几何光学方法 其二是波动光学方法
工程应用上需要重点关注光纤的传输特性
损耗与色散是两个重要的特性参数
光缆 光纤之间的连接
第2章 光纤光缆
2.1 光纤结构与类型 2.2 光纤的射线传输理论 2.3 光纤的波动传输理论 2.4 光纤传输特性 2.5 光缆 2.6 光纤的连接方法
2．按光纤中传输的模式数量
多模光纤（MMF，Multi-Mode Fiber）
当光纤的几何尺寸（纤芯）远大于光波波长（约1μm） 时，光纤的传输过程中会存在多个传输模式 在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时 存在模式色散 多模光纤结构简单、易于实现，有较大的纤芯半径，可 以很容易将光功率注入光纤，接头连接要求不高，使用 方便
用几何光学方法分析光纤传输原理，关注的问题主 要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 并由此得到数值孔径的概念
1．阶跃折射率光纤
以阶跃折射率光纤传播子午光线（与光纤轴心线相 交）为例 阶跃折射率光纤的全反射图
3
2
y
2c
o
1
3
c l
1 1
L
x
z
纤芯 n1
包层 n2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1．阶跃折射率光纤
改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交 界面发生反射或折射 当θ<θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而 返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1 当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并 沿交界面向前传播（折射角为90°），如光线2， 这时为全反射临界 当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层 并逐渐消失，如光线3
5．按套塑（二次涂覆层）
松套光纤
光纤能在塑料套管内自由活动的是松套光纤，其耐侧压 力和防水性能较好，便于成缆
紧套光纤
在一次涂覆的光纤外再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯塑 料套管，光纤在套管内不能自由活动，其耐侧压力稍差， 但结构简单，外径较小，测量和使用方便
2.2 光纤的射线传输理论
分析光波在光纤中的传输可以应用两种理论：
折射率较高的纤芯（core），用来传送光 低于纤芯 折射率较低的包层（coating），与纤芯一起形成全反 射条件 外面的涂覆层（jacket）
纤芯是光的 传输通道
一、光纤的结构
纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折射率对光纤 的传输特性起着决定性的影响 实用的光纤或通常所说的光纤是有涂覆层的光纤 涂覆层是光纤的最外层，包括一次涂覆层、缓冲层 和二次涂覆层（也称套塑）
波动理论 射线理论
射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对 定性理解光的传播现象很有帮助，对光纤直径远大 于光波波长的多模光纤能有很好地近似 应用射线理论即应用几何光学的方法，用射线代表 光能量传输的路径
一、光的射线理论
光在均匀介质中总是沿直线传播 光线经过两种不同的介质的交界面时，会发生偏折
一、光纤的结构
一次涂覆层一般使用硅铜树脂或聚氨基甲醚乙脂 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 二次涂覆层（套塑）大都采用尼龙、聚乙烯或聚苯 烯等塑料等高聚物 裸纤从高温炉拉出来后2秒内要进行涂覆 涂覆的作用是延长光纤寿命
保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤 增加光纤的机械强度与可弯曲性
经过涂覆、套塑形成的光纤常称为被覆光纤