光纤通信第02章精品PPT课件
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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。
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。
2.4 光 缆
2.4.1
1. 光缆的构造
光缆的构造一般分为缆芯和护层两大 部分。
(1)
在光缆的构造中，缆芯是主体，其结 构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。 一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求： 光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证 光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉 力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力 影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥 善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截 面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。
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
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。
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
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。
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。
2
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。
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。
2.2.4
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：
V k0nma
2
2 0
nma
2
Cபைடு நூலகம்
nma
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。
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。
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
2.4 光 缆
2.1 光纤的结构与类型
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。
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n1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. 子午射线在渐变型光纤中的传播
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。
问：为什么多模光纤传播带宽小？
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)。
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
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。
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。
2.4 光 缆
2.4.1
1. 光缆的构造
光缆的构造一般分为缆芯和护层两大 部分。
(1)
在光缆的构造中，缆芯是主体，其结 构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。 一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求： 光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证 光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉 力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力 影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥 善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截 面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。
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
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。
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
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。
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。
2
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。
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。
2.2.4
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：
V k0nma
2
2 0
nma
2
Cபைடு நூலகம்
nma
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。
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。
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
2.4 光 缆
2.1 光纤的结构与类型
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。
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n1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. 子午射线在渐变型光纤中的传播
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。
问：为什么多模光纤传播带宽小？
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)。
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