第9章--光纤通信技术上课讲义

1．采用射线光学分析光纤的特性
（1）多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分 析
在多模阶跃光纤的纤芯中，光接直线传输， 在纤芯和包层的界面上光发生反射。由于光纤
中纤芯的折射率 n1 大于包层的C折射率 所以在
芯包界面存在着临界角 ，如图9．6所示。图 9．6为阶跃光纤的子午光线。
通过光纤轴线的平面称称作子午面，
在多模阶跃折射率光纤中满足全反射条 件，但入射角不同光线的传输路径是不同的， 使不同的光线所携带的能量到达终端的时间 不同，即存在着时延差，即模式色散，从而 使传输的脉冲发生了展宽，限制了光纤的传 输容量。采用射线光学的分析方法可以计算 出多模阶跃折射率光纤中子午光线的最大时 延差：
（2）多模渐变折射率光纤的射线光学理论分析
由于渐变光纤纤芯折射率是变化的，所 以纤芯端面上不同点的集光能力不同，因此在 渐变光纤中引入本地数值孔径的概念，它是指 光纤端面上某一点的数值孔径，表征了渐变光 纤端面上某一点的集光能力的大小。其表达式 为
2．采用波动理论分析光纤的特性 光是电磁波它具有电磁波的通性。因此，
光波在光纤中传输的一些基本性质都可以从电 磁场的基本方程——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，经过简化后 的波动方程为
这一参数直接影响光纤的性能。光纤通信 中所用的光纤的△一般小于1％，所以△可近 似表示为
由光纤中光线在界面的全反射条件。可以推出临
界角 c为
那么光在纤芯端面的最大入射角 max应满足
由此可以定义光纤的数值孔径为
数值孔径表征了光纤的集光能力。由此看出n1,n2差别 越大，即△ 越大，光纤的集光能力越强。通信用光 纤的数值孔径是较小的。
(1) 单模光纤 光纤中只传输一种模式，即基模（最低阶模式）。单
模光纤的纤芯直径约为 4－10μm范围，包层直径为 125μm。单模光纤适用于长距离、大容量的光纤通信 系统。 (2) 多模光纤 光纤中传输的模式不止一个，即在光纤中存在多个传 导模式。多模光纤的纤芯纤芯直径一般为 50μm，其 横截面的折射率分布为渐变型，包层的外径125μm。 多模光纤适用于中距离、中容量的光纤通信系统。
LD/LED
PIN/APD
图9.2 光纤通信系统组成
光纤通信系统由于采用了光纤传输信号 实现通信，因此，和其他通信系统相比，具 有一系列独特的优点： （1）频带宽，通信容量大
（2）传输损耗低，无中继距离长 （3）抗电磁干扰 （4）光纤通信串话小，保密性强，使用安全 （5）体积小，重量轻，便于敷设 （6）材料资源丰富
9.2 光纤传输原理与特性
9.2.1 光纤的结构和分类
光纤是圆截面介质波导(图9.3 )。光纤由纤芯、 包层和涂覆层构成。纤芯由高度透明的材料构成；
包层的折射率略小于纤芯，从而可以形成光波导 效应，使大部分的光被束缚在纤芯中传输；
涂覆层的作用是增强光纤的柔韧性。
为了进一步保护光纤，提高光纤的机械强度，在 带有涂覆层的光纤外面在套一层热塑性材料，成为套 塑层（或二次涂覆层）。在涂覆层和套塑层之间还需 填充一些缓冲材料，成为缓冲层（或称垫层）。
3．按光纤构成的原材料分类 （1）石英系光纤
石英系光纤主要是由高纯度的 SiO2 并掺有适当的
. 杂质制成，如用 Ge2SOi2O和 P2O5.SiO2
作芯子，用 B2O3.SiO2作包层。目前这种光纤损耗最低、
强度和可靠性最高、应用最广泛。
（2）多组分玻璃光纤 例如用钠玻璃掺有适当杂质制成的光纤。这种光纤
分析指出，如果光纤的折射率分布采取双曲正割 函数的分布，所有的子午射线具有完善的自聚焦性 质，即从光纤端面入射的子午光线经过适当的距离 会重新汇聚到一点，这些光线具有相同的时延。纤 芯折射率分布为
分析渐变光纤中的光线传输轨迹时，采用 射线方程，可以由已知的折射率分布和初始条 件求出光线的轨迹。射线方程为
第9章 光纤通信技术
9．1 光纤通信概述
9.1.1 电磁波谱
信息的传输是以电磁波为媒介进行的。电 磁波的波谱很宽，如图9.1所示。通信所用的 波段是在波长为千米至微米数量级范围。
通信的容量与电磁波频率成正比
探索将更高频率的电磁波用于通信技术是 人们追求的目标。
各种频段电磁波的划分和常用传输媒质如 表9.1所示。
图（a）是光纤的横截面图，其纤芯直径 为2a，包层直径为2b。
(1) 阶跃光纤：
图(b)为阶跃光纤横截面的折射率分布，纤 芯折射率为n1，包层折射率为n2。纤芯和包层 的折射率都是均匀分布，折射率在纤芯和包层 的界面上发生突变。
第9章 光纤通信技术
（2）渐变光纤： 图（C）为渐变光纤横截面的折射率分布，
（1）标量近似解
分析阶跃光纤时，假设光纤里的横向(非光传输的 方向）电磁场的幅度满足标量亥姆霍兹方程，求出近 似解。这是一种近似，前提是光纤的相对折射率差已 很小。西很小的光纤称作弱导波光纤，一般阶跃光纤 可以满足这一条件。
分析渐变光纤时，假设纤芯的尺寸无穷，边界不起 作用，然后假设横向（非光传输的方向）电磁场的幅 度满足标量亥姆霍兹方程，求出近似解。采用这一解 法可以得到光纤中各个模式的传输系数、模式的截止 条件、单模传输条件、多模传输时的模式数量、模式 功率分布等的简便计算公式。还可以利用这一方法来 分析光纤的色散特性。
（2）松套光纤
典型的松紧套光纤的护套为松套管，光纤 能在其中松动。管内空间填充油膏，以防水份 渗入。松套光纤的机械性能、防水性能都比较 好，便于成缆。若一根管内放入2－20根光纤， 可制成光纤束，称为松套光纤束。
9.2.2 光纤的导光原理*
光具有波粒二象性，既可以将光看成光波，也可以 将光看作是由光子组成的粒子流。因而，在分析光纤中 光的传输特性时相应地也有两种理论，即射线光学（即 几何光学）理论和波动光学理论。
光纤的损耗特性是光纤的一个很重要的传输参数， 它对于评价光纤质量和确定光纤通信系统的中继距离 有着决定性的作用。目前光纤在 1.55μm处的损耗可以 做到0.2dB／km左右，接近光纤损耗的理论极限值。
（1）引起光纤损耗的因素
光纤的损耗因素主要有吸收损耗、散射损耗和其他 损耗。这些损耗又可以归纳为本征损耗、制造损耗和 附加损耗等。
采用矢量解得到的光纤中的模式为矢量模式。
9.2.3 光纤的传输特性
光纤的传输特性主要包括光纤的损耗特性 和色散特性，此外还有光纤的非线性效应。
1．光纤的损耗特性
光波在光纤中传输时，随着传输距离的增 加，光功率会不断下降。光纤对光波产生的衰 减作用称为光纤的损耗。
衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损 耗系数）α，定义为单位长度光纤引起的光功 率衰减，其表达式为
调幅广播、电视、移动通信、 电
离层散射通信 微波接力、移动通信、空间遥 测雷达、电视
雷达、微波接力、卫星和空间 通信 雷达、微波接力、射电天文
光通信
9.1.2 光纤通信系统基本结构与特点
光纤通信是以光波为载频、以光纤（光导 纤维）为传输媒质的通信方式。
光纤通信系统的基本组成如图9.2所示， 它包括了电收发端机、光收发端机、光纤光缆 线路、中继器等。
除上述三类损耗外，在光纤的使用中还会存在连 接损耗、耦合损耗，如果光纤中入射光功率超出某值 时还会有非线性效应带来的散射损耗。
3—30GHz 10—1cm
波导厘米波无线电
30一300GHz 10一lm
105—107 GHz O．3～3×10-6 cm
波导毫米波无线电 光纤激光空间传播
主要用途
潜艇通信、矿井通信．
潜艇通信、远程导航、远 程无 线电通信 中远距离通信、地下通信、 无 线电导航 调幅广播、导航、业余无线电
调幅广播、移动通信、军用通 信
的损耗较低，但可靠性不高。
（3）塑料包层光纤 光纤的芯子是用石英制成，包层是硅树脂。
（4）全塑光纤 光纤的芯子和包层均由塑料制成，其损耗较大，可靠性也不高。4．按光纤的套塑层分类
（1）紧套光纤
典型的紧套光纤各层之间都是紧贴的，光 纤被套管紧紧箍住，不能在其中松动。在光纤 与套管之间放置了一个缓冲层，以减小外面应 力对光纤的作用。紧套光纤的结构简单，使用 和测试都比较方便。
多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是连续变化 的。它随纤芯半径r的增加按一定规律减小，如前图 9．4所示。采用渐变光纤的目的是减小多模光纤的模 式色散。 在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为
渐变折射光纤的折射率分布可以表示为
如图9．7所示的渐变光纤中的子午射线，以不 同入射角进入纤芯的光射线在光纤中传过同一距离 时，靠近光纤轴线的射线所走的路程短，而远离轴 线所走的路程长。由于纤芯折射率是渐变的，所以 近轴处的光速慢，远轴处的光速快。当折射率分布 指数g取最佳时，就可以使全部子午射线以同样的轴 向速度在光纤中传输。
包层的折射率为n2，是均匀的，而在纤芯中 折射率则随着纤芯的半径的加大而减小，是 非均匀的、且连续变化。
此外，还有三角型折射率光纤n2 ，其纤芯折 射率分布曲线为三角形；双包层光纤、四包 层光纤等，如图9．5所示。
2．按光纤中的传导模式数量分类 光是一种电磁波，它沿光纤传输时可能存在多种不
同的电磁场分布形式（即传播模式），能够在光纤中 远距离传输的传播模式称为传导模式。根据传导模式 数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。
采用标量近似解得到的光纤中的模式为标量模。
（2）矢量解
矢量解是求满足边界条件的矢量亥姆霍兹方程的解 答。矢量解中各个分量在直角坐标系中都满足标量的 亥姆霍兹方程。
在分析阶跃光纤时，纤芯和包层的折射率都是均匀 的，所以矢量解是严格的分析方法，它可以得到精确 的模式及分布，但是比较复杂。对于渐变光纤，需要 作一些近似假设，分析仍然十分复杂，需进行数值计 算。
射线光学是用光射线代表光能量传输线路来分析问题的 方法。这种理论适用于光波长远远小于光波导尺寸的多 模光纤，可以得到简单、直观的分析结果。
波动光学是把光纤中的光作为经典电磁场来处理。从波 动方程和电磁场的边界条件出发，可以得到全面、正确 的解析或数字结果，给出光纤中的场的结构形式（即传 输模式），从而给出光纤中完善的场的描述形式。它的 特点是：能够精确地、全面地描述光纤的传输特性，这 种理论适合于单模光纤和多模光纤的分析。
频段和波段名称 极低频(ELF)极长波
甚低频(TLF)超长波
低频(LF)长波
中频(MF)中波 高频(HF)短波 甚高频(VHF)超短波
特高频(UHF) 分米波
微
超高频(SHF)
波
厘米波
极高频(EHF) 毫米波
紫外、可见光、红外
频率范围和波长
9 范围
30-3000Hz 0.1-l 000km
3-30kHz 1 000-lOkm
式中μ0为光波导介质（或真空）的导磁率；
ε 为光波导介质的介电系数。
如果电磁场作简谐振荡，由波动方程可以推出均 匀介质中的矢量亥姆霍兹方程
在直角坐标系中，E，H的x，y，z分量均满足标
量的亥姆霍兹方程
在光纤的分析中，求上述亥姆霍兹方程满足边界 条件的解，即可得到光纤中的场的解答。求解的方 法主要有标量近似解和矢量解。
光纤大多为石英光纤。它以纯净的二氧化硅材料为 主，中间掺以合适的杂质。掺锗和磷使折射率增加， 掺硼和氟使折射率降低。
1．按光纤横截面的折射率分布分类
根据光纤横截面折射率分布的不同，常用 的光纤可以分成阶跃折射率分布光纤（简称阶 跃光纤）和渐变折射率分布光纤（简称渐变光 纤〕两种类型，其折射率分布如图9．4所示。
把传输中总是位于子午面内的光线称为子午光线）
当光线在芯包界面上的入射角 大于c 时，将
产生全反射。若 小于 ，c 入射光一部分反射
，一部分通过界面进入包层，经过多次反射后 ，光很快衰减掉。所以可以形象地说阶跃光纤 中的传输模式是：
靠光射线在纤芯和包层的界面上全反射而 使能量集中在芯子之中传输。
这里首先定义光纤的相对折射率差，
传输媒质
有线线对极长波无线电 ●
有线线对超长波无线电 ●
30-300kHz lO-1 km
有线线对长波无线电 ●
O．3-3MHz 同轴电缆中波无线电 l 000-100m
3-30MHz 100—10m
同轴电缆短波无线电
30—300MHz 同轴电缆超短波无线电 10～lm
0.3—3 GHz 波导分米波无线电 lO—l cm