现代光纤通信技术2光纤
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•（2.8）
•采用柱坐标(r,,z)，使z轴和光纤轴线一致，即可得到 电场z分量Ez的波动方程：
•（2.9）
•同理可得到磁场z分量Hz的波动方程
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现代光纤通信技术2光纤
•对称平面波导的TE波
•z •x
•对称平面波导中几种低阶导模中的电场分布
•y
•对称平面波导
•x
•n2
•E
•0
•H
•n1 •z
和色散，当信号强度较高时还存在非线性。 ？在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输
特性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点。
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现代光纤通信技术2光纤
•本章内容
• §2.1 光纤概述 • §2.2 光纤传输原理 • §2.3 光纤的传输特性 • §2.4 几种常用于光纤通信系统的光
•§2.2 光纤的传输原理
▪ 光线理论（几何光学方法）
把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解 释光在光纤中传播的物理现象
▪ 波动理论 （波动光学方法）
把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分 布的模式来解释光在光纤中的传播现象
•几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光 纤的传输特性和传输原理有更精确的分析
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现代光纤通信技术2光纤
•波动理论
•麦克斯韦（Maxwell‘s Equations）方程 组
•磁场强度
•(1)
•电场强度
•(2)
•磁感应强度
•(3)
•电感应强
•(4)
度
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现代光纤通信技术2光纤
•波动理论
•考虑无源情况，即ρ=0，J=0。
•如果介质是均匀的，即可得到平面波导波动方程：
•光在渐变光纤中传播的定性解释
•将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:
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现代光纤通信技术2光纤
•光线理论
•理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：
•
•n•2 光在渐变光纤
以不同角度入
•n•1 射的光线族皆
以正弦曲线轨
迹在光纤中传
播，且近似成
聚焦状
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现代光纤通信技术2光纤
•y
•TE波
•n2
•平面波导的TE波是由垂直偏 振的平面波再平面边界反射而 成
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•x
•y •模的阶数等于穿过波导的零值点的个数
现代光纤通信技术2光纤
•波动理论
•讨论：
▪ Ez=0对应的模叫做横电模（TE模）； ▪ Hz=0对应的模叫做横磁模（TM模）； ▪ 若Ez和Hz都不为零，则称为混合模。混合模依据横向
纤
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现代光纤通信技术2光纤
•§2.1 光纤概述
•光纤的构 造
▪ 纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：9~50μm ▪ 包层：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125 μm ▪ 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙
▪ 纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的
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现代光纤通信技术2光纤
•光线理论
•光的反射与折射
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•光的全反射现象
现代光纤通信技术2光纤
•光线理论Βιβλιοθήκη Baidu
•单模光纤中光线传播路径
光在阶跃光纤中的传播轨迹
•光学参数
•折射率差 •数值孔径
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现代光纤通信技术2光纤
•数值孔径
▪ NA表示光纤接收和传输光的能力。 ▪ NA（或θa）越大，表示光纤接收光的能力越强，光
制造方法：有外汽相沉积法（OVD）、汽相轴向沉积法 （VAD）、改进汽相沉积法（MCVD）和等离子体化学汽 相沉积工艺（PCVD）等 。
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现代光纤通信技术2光纤
光纤光缆的制作
n 用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒 （典型预制棒长1m,直径2cm）
n 使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉 中加热
掺杂来实现。
纤芯掺入Ge和P 折射率
包层掺入B 折射率
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现代光纤通信技术2光纤
•§2.1 光纤概述
•根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：
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•不同的折射率分布，传输特性完全不同
现代光纤通信技术2光纤
•三种主要类型光纤的比较
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现代光纤通信技术2光纤
•光纤的分类
现代光纤通信技术2-光 纤
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2020/11/24
现代光纤通信技术2光纤
•第二章 光纤
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。
但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗
场中Ez和Hz的分量哪个更强，分为HE模和EH模;
n 成缆--光缆 n 预制棒制作技术
－改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气 相沉积法（PCVD）、棒外气相沉积法（OVD）和轴向气 相沉积法（VAD）
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现代光纤通信技术2光纤
•光纤光缆的制作
•制造光纤预制棒 •的MCVD流程示意图
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•光纤拉丝装置示意图
现代光纤通信技术2光纤
•波动理论
•光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中 传输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了 解光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。 尤其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能 正确处理单模光纤的问题。
•在光波导理论中，更普遍地采用波动光学的方法，即 把光作为电磁波来处理，研究电磁波在光纤中的传输规 律，得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及裁止 条件。
工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤 （0.85μm、1.3 μm和1.55 μm ）等
折射率：阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、 W型、凹陷型）等。
传输模式：单模（ SM）光纤（偏振保持光纤、非偏振保持 光纤）和多模（MM）光纤两种。
原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料 包层、液体纤芯等）、红外材料，晶体光纤等。按被覆材料 还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料 等。
源与光纤之间的耦合效率越高。
▪ NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯
曲特性越好。
▪ NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更
大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须
适当选择NA。
▪ 单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。
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现代光纤通信技术2光纤
•光线理论
•采用柱坐标(r,,z)，使z轴和光纤轴线一致，即可得到 电场z分量Ez的波动方程：
•（2.9）
•同理可得到磁场z分量Hz的波动方程
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现代光纤通信技术2光纤
•对称平面波导的TE波
•z •x
•对称平面波导中几种低阶导模中的电场分布
•y
•对称平面波导
•x
•n2
•E
•0
•H
•n1 •z
和色散，当信号强度较高时还存在非线性。 ？在实际系统中，光信号到底如何传输？其传输
特性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点。
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现代光纤通信技术2光纤
•本章内容
• §2.1 光纤概述 • §2.2 光纤传输原理 • §2.3 光纤的传输特性 • §2.4 几种常用于光纤通信系统的光
•§2.2 光纤的传输原理
▪ 光线理论（几何光学方法）
把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解 释光在光纤中传播的物理现象
▪ 波动理论 （波动光学方法）
把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分 布的模式来解释光在光纤中的传播现象
•几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光 纤的传输特性和传输原理有更精确的分析
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现代光纤通信技术2光纤
•波动理论
•麦克斯韦（Maxwell‘s Equations）方程 组
•磁场强度
•(1)
•电场强度
•(2)
•磁感应强度
•(3)
•电感应强
•(4)
度
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现代光纤通信技术2光纤
•波动理论
•考虑无源情况，即ρ=0，J=0。
•如果介质是均匀的，即可得到平面波导波动方程：
•光在渐变光纤中传播的定性解释
•将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:
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现代光纤通信技术2光纤
•光线理论
•理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：
•
•n•2 光在渐变光纤
以不同角度入
•n•1 射的光线族皆
以正弦曲线轨
迹在光纤中传
播，且近似成
聚焦状
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现代光纤通信技术2光纤
•y
•TE波
•n2
•平面波导的TE波是由垂直偏 振的平面波再平面边界反射而 成
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•x
•y •模的阶数等于穿过波导的零值点的个数
现代光纤通信技术2光纤
•波动理论
•讨论：
▪ Ez=0对应的模叫做横电模（TE模）； ▪ Hz=0对应的模叫做横磁模（TM模）； ▪ 若Ez和Hz都不为零，则称为混合模。混合模依据横向
纤
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现代光纤通信技术2光纤
•§2.1 光纤概述
•光纤的构 造
▪ 纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：9~50μm ▪ 包层：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125 μm ▪ 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙
▪ 纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的
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•光线理论
•光的反射与折射
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•光的全反射现象
现代光纤通信技术2光纤
•光线理论Βιβλιοθήκη Baidu
•单模光纤中光线传播路径
光在阶跃光纤中的传播轨迹
•光学参数
•折射率差 •数值孔径
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•数值孔径
▪ NA表示光纤接收和传输光的能力。 ▪ NA（或θa）越大，表示光纤接收光的能力越强，光
制造方法：有外汽相沉积法（OVD）、汽相轴向沉积法 （VAD）、改进汽相沉积法（MCVD）和等离子体化学汽 相沉积工艺（PCVD）等 。
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现代光纤通信技术2光纤
光纤光缆的制作
n 用气相沉积法制作具有所需折射率分布的预制棒 （典型预制棒长1m,直径2cm）
n 使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉 中加热
掺杂来实现。
纤芯掺入Ge和P 折射率
包层掺入B 折射率
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•§2.1 光纤概述
•根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：
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•不同的折射率分布，传输特性完全不同
现代光纤通信技术2光纤
•三种主要类型光纤的比较
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•光纤的分类
现代光纤通信技术2-光 纤
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2020/11/24
现代光纤通信技术2光纤
•第二章 光纤
光纤通信系统的基本要求是能将任何信息无失真 地从发送端传送到用户端，这首先要求作为传输 媒质的光纤应具有均匀、透明的理想传输特性， 任何信号均能以相同速度无损无畸变地传输。
但实际光纤通信系统中所用的光纤都存在损耗
场中Ez和Hz的分量哪个更强，分为HE模和EH模;
n 成缆--光缆 n 预制棒制作技术
－改进的化学气相沉积法（MCVD）、等离子体化学气 相沉积法（PCVD）、棒外气相沉积法（OVD）和轴向气 相沉积法（VAD）
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现代光纤通信技术2光纤
•光纤光缆的制作
•制造光纤预制棒 •的MCVD流程示意图
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•光纤拉丝装置示意图
现代光纤通信技术2光纤
•波动理论
•光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中 传输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了 解光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。 尤其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能 正确处理单模光纤的问题。
•在光波导理论中，更普遍地采用波动光学的方法，即 把光作为电磁波来处理，研究电磁波在光纤中的传输规 律，得到光纤中的传播模式、场结构、传输常数及裁止 条件。
工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤以及红外光纤 （0.85μm、1.3 μm和1.55 μm ）等
折射率：阶跃型、近阶跃型、渐变型和其它型（如三角型、 W型、凹陷型）等。
传输模式：单模（ SM）光纤（偏振保持光纤、非偏振保持 光纤）和多模（MM）光纤两种。
原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料 包层、液体纤芯等）、红外材料，晶体光纤等。按被覆材料 还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料 等。
源与光纤之间的耦合效率越高。
▪ NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯
曲特性越好。
▪ NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更
大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须
适当选择NA。
▪ 单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。
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现代光纤通信技术2光纤
•光线理论