光通信：第02章光纤和光缆

1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常 数n 1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2，如图2.6所示。
图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播
2. 子午射线在渐变型பைடு நூலகம்纤中的传播
渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于 其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的 增加而递减直到等于包层的折射率。
第二章 光纤和光缆
光纤作为光纤通信系统的物理传输媒 介，有着巨大的优越性。
本章首先介绍光纤的结构与类型，然 后用射线光学理论和波动光学理论重点分 析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简 要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型 号。
2.1 光纤的结构与类型 2.2 光纤的射线理论分析 2.3 均匀光纤的波动理论分析 2.4 光 缆
3.
按光纤的工作波长可以将光纤分为短 波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。
4. 按ITU-T
按照ITU-T关于光纤类型的建议，可 以将光纤分为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)、G.654光纤(截止波长光纤)和 G.655(非零色散位移光纤)光纤。
1. 按光纤截面上折射率分布分类
按照截面上折射率分布的不同可以将 光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber， GIF)，其折射率分布如图2.2所示。
图2.2 光纤的折射率分布
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。
反射定律：反射光线位于入射光线和 法线所决定的平面内，反射光线和入射光 线处于法线的两侧，并且反射角等于入射
角，即：θ1′＝θ1。
折射定律 ：折射光线位于入射光线和 法线所决定的平面内，折射光线和入射光 线位于法线的两侧，且满足：
n1sinθ1=n2sinθ2
2.2.2
一束光线从光纤的入射端面耦合进光 纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一 种情形是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，这种光线称为子午射线， 那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面； 另一种情形是光线在传播过程中不在一个 固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交， 这种光线称为斜射线。
平面波是非常重要的波型，一些复杂 的波可以由平面波叠加得到。在折射率为n 的无限大的介质中，一工作波长为λ0的平 面波在其中传播，其波数为：
2.
按光纤中传输的模式数量，可以将光 纤分为多模光纤(Multi-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。
单模光纤是只能传输一种模式的光纤， 单模光纤只能传输基模(最低阶模)，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。
一旦确定了光波导和光波长，那么n1、 n2、纤芯直径2a以及真空中光的传播常数 k0也就确定了，而且式(2-17)中的最大N值 也就确定了。
对于渐变型多模光纤，同样，其导模 不仅要满足全反射条件，还要满足相位一 致条件。
在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠 近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线 处的折射率大，该处光线传播速度慢；高 阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴 线越远折射率越小，该处光线的传播速度 越快。
图2.9 光纤中光波相位的变化情况
相位一致条件就是说：如果图中所示 的这个模式在A、B处相位相等，则经过一 段传播距离后，在A′、B′处也应该相位相 等或相差2π的整数倍。
光纤的相位一致条件也可以从另外一
个角度出发得到。根据物理学的知识可知： 波在无限空间中传播时，形成行波；而在 有限空间传播时，形成驻波。
3.
子午射线的传播过程始终在一个子午 面内，因此可以在二维的平面内来分析， 很直观。
2.2.3
1.
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，有时也称之为射线模 式。
2.
光纤中光波相位的变化情况如图2.9所 示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤 的相位一致条件，不作复杂的数学推导， 只提及波动光学中的基本观点和结论。
2.
只能传输一种模式的光纤称为单模光 纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模)， 它不存在模间时延差，因此它具有比多模 光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是 非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几 十GHz·km以上。
2.3 均匀光纤的波动理论分 析
2.3.1 平面波在理想介质中的传播
1.
所谓均匀平面波是指在与传播方向垂 直的无限大的平面上，电场强度E和磁场 强度H的幅度和相位都相等的波型，简称 为平面波。
2.2.4
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。
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：
1.
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。
按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为 松套光纤和紧套光纤。
现在实用的石英光纤通常有以下三种： 阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃 型单模光纤。
2.2 光纤的射线理论分析
2.2.1
光在均匀介质中是沿直线传播的，其 传播速度为
v=c/n
式中：c＝2.997×105km/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，近似为1；玻璃的折 射率为1.45左右)。
2.1 光纤的结构与类型
2.1.1
光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导 光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是 由多层透明介质构成的，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，如图2.1所示。
图2.1 光纤结构示意图
2.1.2
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截 面折射率分布来分类，又可以按照光纤中 传输模式数的多少、光纤使用的材料或传 输的工作波长来分类。