《光纤通信》第二章讲课提纲

《光纤通信》第二章光纤光缆讲课提纲

浙江传媒学院 陈柏年

一、光纤（Fibel ）：圆柱形介质光波导，作用是引导光能沿着轴线平行方向传输。

1、导光波（guided wave ）：光纤中携带信息、由纤芯和包层的界面引导前进的光波。

2、光纤的传导模：在光纤中既满足全反射条件又满足相位一致条件的光线束。

3、光纤的三层结构：（1）纤芯（core ），（2）包层（coating ），（3）涂覆层（jacket ）：包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。纤芯折射率为n 1，包层折射率为n 2，纤芯包层相对折射率差

121n n n -D =

4、光纤的分类：有多种分类的方法。

（1）按照光纤截面折射率分布：SIF （小容量、短距离，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传输），GIF （中等容量、中等距离，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输）、双包层光纤（色散平坦光纤DFF 、色散移位光纤DSF ）、三角芯光纤（非零色散长距离光纤）；

（2）按照光纤中传输模式数量：MMF ，SMF （光线以直线形状沿纤芯轴线方向传输）；

（3）按照按光纤的工作波长：短波长（850 nm ）光纤，长波长（1310 nm 、1550 nm ）光纤；

（4）按套塑（二次涂覆层）：松套光纤，紧套光纤。

二、光的两种传输理论

（一）光的射线传输理论

1、几何光学方法：基于射线方程，依据光线的斯奈耳反射定律和折射定律，研究光线的运动轨迹。

2、光纤的几何导光原理：光纤是利用光的全反射特性导光；

3、突变型折射率多模光纤主要参数：

（1）光线轨迹: 限制在子午平面内传播的锯齿形折线。光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。

（2）光纤的临界角θc ：只有在半锥角为θ≤θc 的圆锥内的光束才能在光纤中传播。

（3）数值孔径NA ：入射媒质折射率与最大入射角（临界角）的正弦值之积。与纤芯

与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。它表示光纤接收和传输光的能力， NA 通常为0.18～0.23。

（4）光纤的时延差Δτ：

，时延差大，则造成脉冲展宽和信号畸变，影响光纤的容量，模间色散增大。

4、渐变型折射率多模光纤主要参数：

（1）光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。轨迹曲线在光纤端面投影线仍是过园心的直线，但一般不与纤壁相交。

（2）自聚焦效应：如果折射率分布恰当，有可能使不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输，同时达到光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期。

（3）光纤的时延差Δτ：比突变型光纤要小，减小脉冲展宽，增加传输带宽。

（二）光纤波动传输理论

1、波动光学方法：基于光纤波导中的电磁场方程，依据边界条件，研究光波的模式分布。

2、光纤模式：波导结构的固有电磁共振属性的表征。满足边界条件的电磁场波动方程的解，光纤中电磁场的稳态分布。表示光纤中电磁场（传导模）沿光纤横截面的场形分布和沿光纤纵向的传播速度。一个满足电磁场方程和边界条件的电磁场结构。

光纤模式基本特征：

（1）每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波；

（2）每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件；

（3）每一个模式具有确定的相速群速和横场分布；

（4）光纤中光的传播常数决定电磁场分布形式（模式）；光纤中可能存在的模式有横电模TE 、横磁模TM 及混合模HE 和EH 等四套模式。

3、光纤的归一化工作参数：V 2＝U 2+W 2

（1）径向归一相位常数U ：反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率；

（2）径向归一衰减常数W ：反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度，其值越大衰减越快。

（3）归一化频率V ：涉及光纤结构、工作波长和模式数目等诸多特性的重要综合参数，它是一个直接与光的频率成正比的无量纲的量，定量表示了光纤支持横模的能力。 1m n L c

t D 籇

4、色散曲线：根据本征值方程式，利用数值计算得到各导模传播常数β与光纤归一化频率V 值的关系曲线。

（1）“模式截止”：光纤包层中出现辐射模，纤芯中导波模截止；

（2）“远离截止”：光纤包层中不出现辐射模，导波模紧紧束缚于纤芯中很好传输。

（3）模式中下角标含意：第一下标称为方位角模数，它表示纤芯沿方位角绕一圈电场变化的周期数；第二下标称为径向模数，表示从纤芯中心到纤芯与包层交界面电场变化的半周期数。

（4）“弱导光纤”：纤芯与包层相对折射率差很小（Δ<0.01）的光纤。

（5）“线偏振模（LP ）”：将弱导条件下传播常数相等的多个模式简并概括起来而得到的简化分析模式。场的横向分量线偏振，且远大于纵向分量。

（6）模式数量：222V g M g

= +，g 为纤芯的折射率分布参数 三、单模光纤SMF ：只能传播一种模式（基模）的光纤。

1、单模传输条件（截止条件）

：2 2.4048V p l

= 当V<2.405时，光纤中传播的只有唯一HE 11(LP 01)一个基模存在（由两个偏振态简并而成），其余模式全部截止。

2、截止波长λc ：光纤中光不能传播的最短波长。只有当λ>λc 时，光纤中才是单模传输。

3、模场直径W 0：纤芯中径向场分布曲线中心轴处最大值的1/e 处所对应的径向宽度。

4、单模光纤的类型：

（1）G.652光纤（STD 常规单模光纤／标准单模光纤）：零色散波长1310nm ，工作波长1310 / 1550nm 。

（2）G.653光纤（DSF 色散位移光纤）：零色散波长1550nm ，工作波长1550nm ，单信道长距离传输。

（3）G.654光纤（截止波长光纤／低损耗光纤）：零色散波长1310nm ，工作波长1550nm 损耗最小，长距离无再生海底光缆系统。

（4）G.655光纤（NZ-DSF 非零色散位移光纤）：1550nm 最小损耗，色散较小，波分复用系统。

c l =