第二章光纤和光缆本科
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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
……
10:13:54
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
10:13:54
37
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
10:13:55
48
2.3均匀光纤的波动理论分析
10:13:55
49
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)
7
……
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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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第2章 光纤和光缆
(c)
n1
单 模 光
n(r) 2a
纤
2 a = 8.3 m 2 b = 125 m
光强 2b
3 21
0 t
3 21
0
0'
t
光强
1.0 0.5
t
SI
光强
0 ''
1.0
0.5
t
GI
光强
0
1.0
t
0.5
脉冲展 宽 SI > GI > SM
t
SM
光
预制棒
纤
拉
加热炉
丝
线径测量
装
预涂覆
• 这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。
• 色散较小的理由：虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输，但是这 种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相 同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢，因折射率最大；越远离轴线， 到达终点传输的距离越长，但传输速度越快，这样到达终点所需的时 间几乎相同，输出脉冲展宽不大。
置
牵引辊
在 鼓 上 的 光 纤
光纤结构
• 纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，含量达 99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等， 以提高纤芯的折射率。
• 纤芯直径约为 8 m ~100 m。 • 包层材料一般也为SiO2，外径为125 m，作用是
把光强限制在纤芯中。 • 为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，
1550nm: 0.3 LED, LD
本地网，宽域网或 中等距离
阶跃 单模光纤
0.003
8.3(MFD = 9.3) 125 0.1
<3.5ps/(km nm) >100(Gb/s) km
第二章 光纤及光缆
但脉冲时延增大，限制信息传输容量.
NA
n n n1 2
2 1 2 2
例1：一种石英光纤芯折射率为1.465，包层折 射率1.46；一种塑料光纤纤芯折射率1.495， 包层1.4，分别计算数值孔径和接收角 例2：NA对光纤集光能力的影响
问：射到光纤端面的光都能在光纤中传播么？
概念1：子午面
渐变光纤中的折射率分布
空气
g 1/ 2 r n1 1 2 r a nr a n2 n1 (1 ) r a
n2
1、渐变光纤内的光纤轨迹
子 午 面 内 的 光 线
各 种 光 线 轨 迹
2、渐变光纤的数值孔径 局部数值孔径NA(r)
n0 sin i n1 cos c
2
2 NA n0 sin i n12 n2
数值孔径N.A.(Numerical Aperture)
NA
n n n1 2
2 1 2 2
1 、 NA是光纤的光学参数，仅与芯－包折射 率有关，与其它参数无关。 2 、 NA反映光纤集光能力的大小； 3、NA越大，光纤接收光的能力越强，纤芯对 光能量的束缚能力越强，抗弯曲性能越好。
J m (U r) a 0r a J (U ) m H z B exp( jz ) cos m Km (W r) a ra K m (W )
引入两个参量：
U n12 k 02 2 a
W 2 2 n 2 k 02 a
6 根据已经建立的关系式可以求解其它4个分 量——Er、 Eφ 和Hr、 Hφ
1 3 core cladding 2
所有大于 临界角C的 光线都被限 制在纤芯内。
光纤通信第2章光纤与光缆
������ = 2arctg
������1 2 ������2
sin2������1 − sin2������������ cos������1
10:19:53
20
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。
������ ������ = ������
������ = 3 × 108m/s(真空中)
������为媒质的折射率 空气������ = 1 水������ = 1.33 硅玻璃������ = 1.5
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：
������
=
������12−������22 2������12
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
10:19:53
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2.2光纤的射线理论分析
渐变光纤的数值孔径
������������ = sin������0 = ������(0)2 − ���������2��� = ������(0) 2Δ
第二章 光纤与光缆
10:19:53
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
2.第二部分 光纤和光缆
1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。
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18
实用的光纤不是如图所示的裸露的玻璃丝，而是要在它的外表附加 几层塑料涂层。目前，在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤 与松套光纤，如图 。紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上 一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤， 就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活 动。
紧套 光纤： 光纤被 套管紧 紧箍住， 不能在 其中松 动。
松套光纤： 光纤的护套 为松套管， 即光纤能在 其中松动， 管内空间填 充油膏，以 防水分渗入。
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按照 ITU—T 建议分类 为了使光纤具有统一的国际标准，国际电信联盟—电信小组 （ITU—T）制订了统一的光纤标准（G 标准）。按照 ITU—T 关于 光纤的建议，可以将光纤分为 G.651 光纤（又称为渐变型多模光 纤）、G.652 光纤（又称为常规单模光纤或1．31μm性能最佳单 模光纤）、G.653 光纤（又称为色散位移光纤—DSF）、G.654 光 纤（又称为 1550nm 性能最佳单模光纤）、G.655 光纤（又称为 非零色散位移光纤，主要包括非零色散位移光纤NZDSF和大有效 面积光纤LEAF）等。
光纤的结构
一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般为同心圆 柱形细丝，为轴对称结构，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，其外形如图 所示。
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无论何种光纤，其包 层直径都是一致的
纤芯和包层仅在 折射率等参数上 不同，结构上是 一个完整整体
涂覆层的主要作用 是为光纤提供保护
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第二章光纤和光缆.
定义数值孔径（NA，Numerical Aperture）
max
N A n 0sinm a xn 1 2 n 2 2 n 1 2 仅用于子午光线
(n1n2)/n1
纤芯与包层相对折射率差
CCITT建议光纤的NA取值范围为0.18～0.23。
例 设Δ=0.01，n1=1.5,求NA和αmax?
NAn0 sinmax n1 2
n(r) 2 a
纤
2a =8.3m 2 b =125m
光强 2b
3 21
0 t
3 21
0
0'
t
光强
1.0 0.5
t
SI
光强
0''
1.0
0.5
t
GI
光强
0
1.0
t
0.5
脉冲展宽 SI > GI > SM
t
SM
阶跃多模、渐变多模和阶跃单模光纤的特性比较
(n1 n2 ) n1
芯径 2a（m） 包层直径（m）
D E
(5)
B H
(6)
直角坐标系下的哈密顿算符
ij k x y z
波动方程
2E
2H
n2
c2 n2
c2
2E t 2 2H t 2
0 0
设光波具有简谐振荡形式，即与时间t的函数关系有 e jt ，
用 j代替
t
22HEkk0022nn22H E00
k0
c
00
K0是自由空间中光传播的相位常数。
Ez(r,φ, z)=Ez(r)ej(vφ-βz)
(4)
把式(4)代入式(3)得到
d 2 d E Z 2 (r ) r 1 rd d Z (r E )r (n 2 k 2 2 v r 2 2 )E Z (r ) 0(5)
第2章 光纤与光缆.ppt
2019-10-21
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22
2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法
• 这种具有横向场的极化方向（即电场的空间指向）在 传输过程中保持不变的横电磁波，可以看成为线极化 波（或称线偏振波）。
• 由于E（或H）近似在横截面上，而且空间指向基本不 变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的 空间矢量E变为沿传输方向其方向不变（仅大小变化） 的标量E。
①首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程
如选横向电场的极化方向与y轴一致，则横向场只有Ey分量，而
Ez=0,则
Et ey Ey
它在圆柱坐标系中，满足矢量的亥姆霍兹方程，而矢量的亥姆霍 兹方程已在预备知识中给出，为
2E k 2E 0 2Et k 2Et 0
k k0n
2 (eyEy ) k02n2 (eyEy ) 0
n0
1
n2 n1
2
sin n12 n22
(2-4)
• 只有能满足式（2-4）的射线，才可以在纤芯中形成 导波（即满足了全反射条件）。
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17
2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析
4．数值孔径的概念
• 由上面分析可知，并不是由光源射出的全部光射线都能在纤芯 中形成导波，只有满足式（2-4）条件的子午线，才可以在纤芯 中形成导波，这时就认为这些子午线被光纤捕捉到了。
18
2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析
例2.2.1：计算n1=1.48，n2=1.46的阶跃折射率分布光 纤的相对折射指数差和数值孔径。
n1 n2 1.48 1.46 0.0135
n1
1.48
光通信第02章光纤和光缆
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光通信第02章光纤和光缆
Ê(3)
上面已经得到了光纤中场的亥姆霍兹 方程和弱导光纤中导波的特征方程，接下 来分析光纤中存在哪些模式及这些模式的
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光通信第02章光纤和光缆
²① TEM
光纤中是否存在TEM波呢?根据定义， TEM波在波导的传播方向(Z方向)上既没有 电场分量，又没有磁场分量。即Ez＝0、Hz ＝0。如果光纤中存在TEM波，则根据Ez、 Hz的表达式(2-75)和式(2-76)可以得到A＝B ＝0，再将A＝B＝0代入式(2-77)、式(2-78) 得到Er、Eφ、Hr、Eφ都为零，即光纤中不 存在电磁场，所以光纤中根本不存在TEM 波。
光纤的折射率变化可以用折射率 沿半径的分布函数n(r)来表示。
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光通信第02章光纤和光缆
š2.
按光纤中传输的模式数量，可以将光 纤分为多模光纤(lti-Mode Fiber，MMF) 和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
在一定的工作波上，当有多个模式在 光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。
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光通信第02章光纤和光缆
ý2.2.4
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输 的模式数决定的，判断一根光纤是不是单 模传输，除了光纤自身的结构参数外，还 与光纤中传输的光波长有关。
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光通信第02章光纤和光缆
为了描述光纤中传输的模式数目，在 此引入一个非常重要的结构参数，即光纤 的归一化频率，一般用V表示，其表达式 如下：
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光通信第02章光纤和光缆
š1.
顾明思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤 中允许存在多个分离的传导模。
第二章光纤和光缆
G.653光纤：色散位移光纤，在1.55μm处实现最低损耗与零色散波长 一致，但由于在1.55μm处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应 用。
G.654光纤：性能最佳单模光纤，在1.55μm处具有极低损耗（大约 0.18dB/km）且弯曲性能好。。
G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55μm～1.65μm处色散值 为0.1～6.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于 高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。
N(r A )n (r)2 n 2 2 n (r)2
第二章光纤和光缆
光纤中的模式（教材11，20，23）
电磁波的传播遵从麦克斯维尔方程，而在光纤中传播的电磁场， 还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定 的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式有横电波、横 磁波和混合波。
截止波长(教材24页）
通常可用它判断是否单模传输。 其为光缆出厂参数之一
第二章光纤和光缆
（教材24页） 模场直径 d
由于单模光纤的边界没有明确的边界， 包层之外有相当大的光场存在，故不能象 多模光纤一样用纤芯表示横截面的导光范
围，只能用模场直径 表示。d它表示了单
模光纤的基模能量集中的程度。CCITT规定， 单 模 光 纤 .31μm 处 的 模 场 直 径 应 在 9 ～ 10μm,偏差不应超过±10%。
光纤的分类
按光纤组成材料划分
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）
光纤种类
按光纤纤芯折射率分布划分
阶跃型光纤（SIF） 渐变型光纤（GIF） W型光纤
按光纤传输模式数划分
G.654光纤：性能最佳单模光纤，在1.55μm处具有极低损耗（大约 0.18dB/km）且弯曲性能好。。
G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55μm～1.65μm处色散值 为0.1～6.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于 高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。
N(r A )n (r)2 n 2 2 n (r)2
第二章光纤和光缆
光纤中的模式（教材11，20，23）
电磁波的传播遵从麦克斯维尔方程，而在光纤中传播的电磁场， 还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定 的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式有横电波、横 磁波和混合波。
截止波长(教材24页）
通常可用它判断是否单模传输。 其为光缆出厂参数之一
第二章光纤和光缆
（教材24页） 模场直径 d
由于单模光纤的边界没有明确的边界， 包层之外有相当大的光场存在，故不能象 多模光纤一样用纤芯表示横截面的导光范
围，只能用模场直径 表示。d它表示了单
模光纤的基模能量集中的程度。CCITT规定， 单 模 光 纤 .31μm 处 的 模 场 直 径 应 在 9 ～ 10μm,偏差不应超过±10%。
光纤的分类
按光纤组成材料划分
石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料）
光纤种类
按光纤纤芯折射率分布划分
阶跃型光纤（SIF） 渐变型光纤（GIF） W型光纤
按光纤传输模式数划分
第-2-章-光纤和光缆
|H(f3dB)/H(0)|= 1/2
(2.44a)
或
T(f)=10 lg|H(f3 dB)/H(0)|=-3
(2.44b)
一般， 光纤不能按线性系统处理， 但假如系统光源旳频
谱宽度Δωλ比信号旳频谱宽度Δωs大得多，光纤就能够近似为 线性系统。
光纤传播系统一般满足这个条件。
光纤实际测试表白，输出光脉冲一般为高斯波形，设
均 方 根 脉 冲展/ (宽ns·km －1)
0.1 未 修 正(＝ 0) 的 均 方根 宽 度
注 入 式激 光 器
0.01 1.6
分 布 反馈 激光器
g0 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8
折 射 率分 布 指g 数
图 2.12 三种不同光源旳均方根脉冲展宽与折射率分布指数旳关系
3. 单模光纤旳色散
(2.41)
光纤带宽旳概念起源于线性非时变系统旳一般理论。
假如光纤能够按线性系统处理，其输入光脉冲功率Pi(t)和 输出光脉冲功率Po(t)旳一般关系为
Po(t)= h(t t) pi (t)dt
(2.42)
当输入光脉冲Pi(t)=δ(t)时，输出光脉冲Po(t)=h(t)，式中δ(t) 为δ函数，h(t)称为光纤冲击响应。
1
输出脉 冲
光纤
1/ e
1/2
2
0
f
f3dB
－3
t Po(t)＝h(t)
H2( f )＝H( f )
10lgH( f )/dB
图 2.11 光纤带宽和脉冲展宽旳定义
2.
多模光纤折射率分布旳普遍公式用式(2.6)n(r)表达，第q阶模 式群旳传播常数用式(2.34)旳βq表达。
光纤通信 第 2 章 光纤和光缆-2.4-2.5
应力筛选条件直接影响光纤的使用寿命。 应力筛选 设对光纤进行拉伸应力筛选时，施加的 应力为σp，作用时间为tp(设为1s)； 长期使用 时，容许施加的应力为σr，作用时间为tr，断 裂概率为106km一个断裂点。理论推算得到 的容许作用时间(光纤使用寿命)tr 和应力比 σr/σp的关系示于图2.17。
光学系统
光源
耦合器件 光学系统
光学系统
被测光纤
光检测器 放大器 示波器
信号处理
数据处理系统
图2.23 后向散射法光纤损耗测量系统框图
dB
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(a) (e) (b) PA (c) (d) PB 长度
图2.24 后向散射功率曲线的示例
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2.5.2带宽测量 带宽测量 光纤带宽测量有时域 频域 时域和频域 时域 频域两种基本方 法。时域法 时域法是测量通过光纤的光脉冲产生的 时域法 脉冲展宽，又称脉冲法 脉冲法； 脉冲法 频域法是测量通过光纤的频率响应，又 频域法 称扫频法 扫频法。 扫频法 两种方法是等效的。具体介绍扫频法。 通常用于多模光纤的测量。
测量框图：图2.23 应用：用后向散射法的原理设计的测量 仪器称为光时域反射仪(OTDR)。这种仪器采 用单端输入和输出，不破坏光纤，使用方便。 且使用此仪器不仅可以测量光纤损耗系数和 光纤长度，还可以测量连接器和接头的损 耗，观察光纤沿线的均匀性和确定故障点的 位置。是光纤通信系统工程现场测量不可缺 少的工具。
2.5.1 损耗测量 光纤损耗测量有两种基本方法：一种是 测量通过光纤的传输光功率，称剪断法和插 剪断法和插 入法；另一种是测量光纤的后向散射光功率， 入法 称后向散射法 后向散射法。 后向散射法 1.剪断法 测量的理论依据：（2.3.2 光纤损耗） Pi 10 α = lg ( dB / km ) (2.61a) L P0
第二章 光纤与光缆
38
波动方程的求解
运用分离变量法求解波动方程经过一系列数学处 理，可得
d 2Ez dr2
1 r
dEz dr
(n2k2 0
2
m2 r2
)Ez
0
d 2Hz dr 2
1 r
dH z dr
(n2k 2 0
2
m2 r2 )Hz
0
上式是贝塞尔方程，式中m是贝塞尔函数的阶数，称为方 位角模数，它表示纤芯沿方位角 绕一圈场变化的周期数。
23
光缆结构示意图
层绞式
中心束管式
带状式
24
2.2 光纤传输原理
2.2.1 射线光学分析方法 2.2.2 波动光学分析方法
25
★光的传输理论
光纤的三个基本性能指标
（1）定义临界角θc的正弦为数值孔径 (Numerical
Aperture, NA)
物理意义：数值孔径反映了光纤的集光能力，值越 大，集光能力越强。
2.1.3 光纤制造工艺
改进的化学汽相沉积法(MCVD) 轴向汽相沉积法(VAD) 棒外化学汽相沉积法(OVD) 等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)
19
光纤接续方法
□ 永久接续法 □ 连接器接续法
20
2.1.4 光缆及其结构
光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件 和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤 来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必 须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。
单模光纤 多模光纤
14
单模光纤---色散最小
r n2 n1
2a =8.3m 2 b =125m
n(r) 2a
第二章 光纤与光缆
（2-11） （2-12）
式中，E 和 H分别是电场强度矢量和磁场强度矢量，k为
波数，表示为 k 2
ω为角频率，ε和μ分别为介电常数和磁导率。
34
光纤中波动方程的求解
考虑光纤的外形是圆柱形，纤芯和包层是存在一定 折射率差的石英（SiO2）材料。因此，可以把光纤 抽象为一个圆柱形介质波导体，z轴是轴向坐标（光 信号传播的前进方向）。用求解波动方程的方法考 察光在光纤中具体的传播和存在形式，即在圆柱坐 标系中求解 6个变量。由于波动方程只有2个方程， 因此需要进行必要的矢量变换。
程度的参数。
d
2[
F 2 (q)q2dq
0
F
2 (q)qdq
]1/ 2
0
q sin( / )
当远场锥角到光纤的数值孔径附近时，基模的远场强
度急剧衰减，则
d 2 1
2
NA
2.3 光纤传输特性
光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减 和畸变，因而输出信号和输入信号不同，光脉冲信 号不仅幅度要减小，而且波形要展宽。产生信号衰 减和畸变的主要原因是光在光纤中传输时存在损耗 和色散、非线性效应等性能劣化。损耗和色散、非 线性效应是光纤的最主要的传输特性，它们限制了 系统的传输距离和传输容量。
第二章 光纤与光缆
光纤是光纤通信系统中的传输媒质，其材料、 结构和传输性能的好坏直接影响了系统的性能。本 章首先介绍光纤光缆的基本结构和类型，然后分别 应用射线光学和波动光学理论分析光纤传输原理， 在此基础上对光纤的损耗、色散和非线性等传输性 能参数进行介绍，最后给出光纤的类型及工程技术。
1
2、光纤结构和类型
NA n12 n22 n1 2
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域，每个区域内的折射
率也都是均匀的。
２b
n１〉n２〉n３
可以实现超大容量超长 距离传送。
纤芯：2a＝４~10m 内包层： 2a’＝10~100m
外包层： 2b＝125m
第二章光纤和光缆本科
③单模三角型光纤
纤芯折射率分布曲 线为三角形，在 1.55μm有微量色 散
用于密集波分复用 和孤子传输
多模光纤截面图
多模(MM)
芯层
包层
85 m
规格: 62.5/125um 50/125um 100/140um
表层
头发的尺寸
第二章光纤和光缆本科
3.按光纤的材料来分
石英系光纤：纤芯、包层由SiO2适当的杂质 制成。
石英芯、塑料包层光纤：纤芯用石英、包层是 硅树脂。
多成分玻璃纤维：用钠玻璃掺有适当杂质制成。 塑料光纤：纤芯和包层都是塑料制成。
1.43 2.42
第二章光纤和光缆本科
二. 光的反射和折射定律
反射定律：1 = 3 折射定律： n1sin 1 = n2sin 2
第二章光纤和光缆本科
当入射角θ1大到某一值θc时，可使折射角 θ2=90°，此时的折射定律变为ｎ1sinθ1=ｎ 2sin90°。这时的入射角θc称为临界角。 sinθc=ｎ2/ｎ1。
n1l
c
nc1cL o1snc1L1212
最大入射角（ θ= ）和最小入射角（ θ=0）的光线之间 时间延迟差近似为
L2 LN2 An1L
2n1c 2n1c
c
第二章光纤和光缆本科
四．阶跃型光纤的单模传输条件
第二章光纤和光缆本科
一. 折射率
折射率：n = c/v 其中ν是光在某种介质中的速度，с是
光在真空中的速度。
第二章光纤和光缆本科
在折射率为n的介质中，光波长变为0/n（ 0
表示光在真空中的波长）。
表2-1不同介质的折射率
材料 空气 折射率 1.003
水
玻璃
石英 钻石
1.33
1.52～ 1.89
光纤通信中主要使用石英系光纤。
第二章光纤和光缆本科Fra bibliotek4. 按光纤的套塑层分 紧套光纤 松套光纤
第二章光纤和光缆本科
(1) 紧套光纤
光纤被套管紧紧 箍住，不能在 其中松动。
第二章光纤和光缆本科
(2)松套光纤
光纤的护套为松 套管，即光纤能 在其中松动。
第二章光纤和光缆本科
第二节 光学原理
折射率 光的反射和折射定律
sin
1
n2 n1
当 n 0 1时 (空气 ) NA n 1 1 sin 2 1
n1
1
n
2 2
n
2 1
n2 1
n
2 2
n1
2
第二章光纤和光缆本科
三．时间延迟
光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程L(oy)， 在θ不大的条件下，其传播时间即时间延迟为：式中 C=3×108m/S。为真空中的光速。
第二章光纤和光缆本科
1. 按光纤芯的折射率分布来分
阶跃型光纤（Step Index Fiber）简称 SIF(也称为突变型光纤）
渐变型光纤（Graded Index Fiber）简 称GIF
第二章光纤和光缆本科
(1)阶跃型光纤(突变型光纤)
纤芯的折射率n1保持不变，到包层突然变为 n2，折射率有一不连续的阶跃性突变。
2. 按传输模式的多少来分
单模光纤 多模光纤
第二章光纤和光缆本科
(1) 单模光纤
只能传输一个模式。 纤芯直径较小，约为
4m~10 m。 传输带宽宽，适用于大容量、
长距离通信。 激光光源（LD）。 在1310和1550nm下工作。
第二章光纤和光缆本科
单模光纤截面图
单模(SM)
芯层
包层
纤芯直径为50~80μm，光线以曲折形状传播 特点是信号畸变大。
第二章光纤和光缆本科
(2) 渐变型光纤（非均匀光纤）
纤芯中心的折射率最大，沿径向向外逐步变小， 最后达到包层的折射率。包层折射率n2是均匀 的。
纤芯直径为50μm，光线以正弦形状传播 特点是信号的畸变小。
第二章光纤和光缆本科
第二章光纤和光缆本科
④单模椭圆型光纤
纤芯折射率分布为椭 圆型，这种光纤具有 双折射特性
传输距离长。
第二章光纤和光缆本科
（2）多模光纤
可以传输多种模式。 纤芯直径大，约为50 m ~80μm 。 带宽窄，短距离。 使用发光二极管光源（LED） 在850或1300nm下工作
第二章光纤和光缆本科
第二章 光纤和光缆
了解光纤和光缆的结构和类型 掌握光纤传输原理和传输特性
第二章光纤和光缆本科
第二章 光纤和光缆
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节
光纤的结构和类型 光学原理 阶跃型光纤 光纤的传输特性 常用的光缆结构和类型
第二章光纤和光缆本科
第一节 光纤的结构和类型
光纤结构 光纤的种类
85 m
表层
头发的尺寸
规格: 8.3/125 m 9/125 m
第二章光纤和光缆本科
①单模环型光纤
折射率分布与突变型光纤相似 光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传
播。 它的折射率最高，其信号畸变小。
第二章光纤和光缆本科
②单模w型光纤（也称为双包层光纤）
折射率分布像W型，它
的横截面也分为三个区
第二章光纤和光缆本科
一. 光纤结构
纤芯 包层
n2 n1
纤芯的作用是导光；其折射率为（一般 是1.463~1.467）。
包层的作用是将光封闭在纤芯内并保护 光纤，其折射率为（一般是1.45~1.46 左右）
第二章光纤和光缆本科
二．光纤的种类
按光纤芯的折射率分布 来分
按传输模式的多少来分 按光纤的材料来分 按光纤的套塑层分类
显然，如果入射角再增大，则光线不能再进入
介质ｎ2中，只能全部反射回介质ｎ1，这种现 象称为全反射。光纤就是利用光的这种全反射
特性导光的。
90 °
Air 空气n2
θ2
Glass 玻璃n1
θ1 θ3
临界角θc
第二章光纤和光缆本科
第三节 阶跃型光纤
相对折射指数差 数值孔径的概念 时间延迟 阶跃型光纤的单模传输条件
第二章光纤和光缆本科
一.相对折射指数差△
相对折射指数差△=（n12-n22）/2n12 （n1-n2）/n1
第二章光纤和光缆本科
二．数值孔径的概念
定义：表示光纤捕捉光射线能力的物理量，用NA 表示
n 0 sin c n 1 sin 1 n 1 cos 1
NA n 0 sin c n 1 cos 1 n 1 sin 1 n 2 sin 90 n 2