光纤通信原理与应用

Ez


AJm (U r)e jm BKm (W r)e jm
e j z e j
z
Hz

CJm (U r)ejm ej z
DKm (W
r )e jm
ej
z
（r≤a） （r≥a）
（2-8）
（r≤a） （r≥a）
（2-9）
综合分析，可以得到 导波存在的条件为 kn2＜β＜ kn1 导波截止的临界条件为 β= kn2
临界入射角，它与光纤端面上入射点位置无关。
（2）在渐变光纤内
图2-14 子午光线在渐变光纤内的传播示意图 （光纤纵剖面图）
子午光线在渐变光纤内传播的基本特点：
① 光纤纤芯内传光路线是周期性连续曲线，与光纤轴心 线相交，并且传光路线与光纤轴心线共面。
② 光纤端面临界入射角为0(r) = arcsin n12(r) n22 ，与光纤 端面上入射点位置r有关。其中，0(r = 0)称为中心临界 入射角，0(r 0)称为非中心临界入射角。
光缆各项参数的具体意义如下： 第一项光缆分类代号 第二项加强构件代号 第三项结构特征代号 第四项护套代号 第五项外护层代号
图2-4 多模光纤和单模光纤规格参数的具体表示
光缆类型举例：
（1）GYFGTY－4D9/125（ 205）B型骨架式光纤束光缆
（2）GYTS型层绞式光纤束 光缆
Er


j K



Ez r

0
r
H z


E


j K


r
Ez

0
H z r

Hr


j K



H z r

i
r
Ez


H


j K


r
H z

i
Ez r

（3）利用Eφ, Hφ在纤芯和包层交界处连续的特点，即在 r = a处 Eφ1 = Eφ2, Hφ1 = Hφ2，可以求出导波 特征方程为
（2）TM0n（n = 1, 2, 3, …）模式，称为横磁波。 特点：纵向无磁场，仅有电场，即Hz = 0，Ez≠0。
（为3混）合EH波m。n（m = 1, 2, 3, …；n = 1, 2, 3, …）模式，称
特点：纵向既有电场，又有磁场，即Ez和Hz≠0。 （为4混）合HE波m。n（m = 1, 2, 3, …；n = 1, 2, 3, …）模式，称
（3）光缆护层
光缆从里到外加入一层或多层圆筒状护套，用来防 止外界各种自然外力和人为外力的破坏。护套应具有防 水防潮、抗弯抗扭、抗拉抗压、耐磨耐腐蚀等特点。
光缆护层常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯和 聚酰胺。此外，还有铝、钢、铅等密实的金属层用来防 潮。
（4）填料
在缆芯与护套之间填充防潮油胶，用来阻止外界水 分和潮气侵入缆芯内。
2.2 光纤传光原理
2.2.1 光的射线理论及光纤传光分析
1．光的射线理论 （1）直线传播定律
光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为 v = c/n
c是真空中光速，n是均匀介质折射率 。 （2）反射定律和折射定律
光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。
定律（3）全反射
光线从光密介质n1射向光疏介质n2时，若入射角θ1满足 以下关系：
可见，0(r = 0)＞0(r 0)，表明中心入射光线比非中
心入射光线可以有大一些的入射角。
③ 光纤端面入射角in越小，则光纤纤芯内光线越靠近轴
心线传播。
0
4．斜射光线的传播分析
（1）在阶跃光纤内 斜射光线在阶跃光纤内传播Fra Baidu bibliotek基本特点：
① 纤芯内传光路线是一系列折线，这些折线与光纤轴 心线不共面，而是围绕光纤轴心线旋转前进的。这些折 线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆，内切圆的 半径大小与斜射光线的入射角有关。 ② 光纤端面临界入射角为
光纤通信 ―原理与应用
第2章 光纤
第2章 光 纤
2.1 光纤的基本概念 2.2 光纤传光原理 2.3 光纤特性参数 2.4 光纤连接方式 2.5 光纤在通信领域中的应用
第2章 光 纤
2.1 光纤的基本概念 2.1.1 光纤基本结构
光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心 圆柱体结构
图2-1 光纤结构示意图
3．拉丝工艺 拉丝的目的是将已制作好的预制棒拉成高质量的光纤。 4．套塑工艺
套塑的目的是将带有涂覆层的光纤再套上一层热塑性材 料，进一步增强光纤的强度。
2.1.4 光缆结构及类型
1．光缆结构 （1）缆芯
光缆中包含的光纤构成缆芯。缆芯可以放在光缆的中心 或非中心部位。 （2）加强构件 在光缆中心或外护层内加入钢丝或玻璃纤维增强塑料， 用来增强光缆的拉伸强度。
（5）按有无铠装分类 简式光缆：主要用于架空光缆、管道光缆。 铠装光缆：主要用于长途干线直埋光缆。
2.1.5 光缆（光纤）型号命名方法
光缆（光纤）型号的命名是采用一横列十三项参 数来表示的。其中，第一至第五项是光缆类型参数 ，第六至第十二项是光纤规格参数，第十三项是附 加参数。
图2-3 光缆型号命名方法
0称为基模。
（2）ℓ越高，则纤芯内入射角1越小，或光纤端面入射角 in越大。
（3）ℓ越高，则k1x越大，即1越短，故横向电场波节数越
密。
2.2.3 光纤导波模式的精确解(电磁场分析方 法)
1．理论计算的三大步骤
（1）利用圆柱坐标系（r, φ, z）中的赫姆霍兹方程求出z 方向的电场分量和磁场分量EZ, HZ。解得：
n0sin0 = n1sin1= n1cosc
在光纤内n1, n2交界面上的全反射公式为
n1sinc = n2
联立求解得
sin0 n1 1 sin2 c n12 n22 n1 2
式中


n12 n22 2n12
，称为相对折射率差
结论：当光纤端面入射角in≤0时，光纤可以传光；当光 纤端面入射角in＞0时，光纤不能传光。0 称为光纤端面
多模光纤： 纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50
m左右），适用于中容量、中距离通信。 单模光纤：
纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小 （几个微米），适用于大容量、长距离通信。
2.1.3 光纤制造简述
通信用光纤大多数由石英玻璃材料构成。光纤的制造要 经历材料提纯、熔炼、拉丝、套塑等具体的工艺步骤。 1．提纯工艺 提纯的目的是去掉原料中的有害杂质，一般要求有害杂 质的含量不得大于10−6。 2．熔炼工艺 熔炼的目的是将超纯的原料经过高温化学反应，合成具 有一定折射率分布的预制棒。
特点：纵向既有电场，又有磁场，即Ez和Hz≠0。
3．导波模式的存在条件
表2-2 导波模式与归一化截止频率Vc的对应关系
导波模式（矢量模）
Vc
HE11 TE01, TM01, HE21 EH11, HE12, HE31
0 2.4048 3.8317
EH21, HE41 TE02, TM02, HE22
（5）铠装 用钢丝、钢带等坚硬金属材料做成光缆的外护套，
进一步提高光缆强度，用来防鼠、防虫、防火、防外力 损坏。
（6）其他
有些光缆内放入若干根铜导线，用做中继馈电线、 监控信号线等。
2．光缆类型 （1）按敷设方式分类
可分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水下光缆（海底 光缆）、室内光缆等。
（2）按缆芯分类
图2-13 子午光线在阶跃光纤内的传播示意图 （光纤纵剖面图）
子午光线在阶跃光纤内传播的基本特点：
① 光纤纤芯内传光路线是一系列在纤芯与包层交界面上不 断反射前进的折线，这些折线与光纤轴心线相交，并且与 光纤轴心线共面。
② 若选择光纤内的光线恰好满足全反射定律，于是在光纤 入射端面上的折射律公式为
θ1 ≥ θc arcsin(n2/n1) 则只有反射光，而无折射光。θc称为全反射临界角。
2．光纤的两类入射光 子午光线：若入射光线与光纤轴心线相交，则称
为子午光线。
斜射光线：若入射光线与光纤轴心线无论在光纤 的入射端面上还是在光纤内部都不相交，则称为斜 射光线。
3．子午光线的传播分析
（1）在阶跃光纤内
（ψ是入射光线进入纤芯后的第0' 一arc条sin(折sin线0在/ co光s纤), 横截面
上的正投影与半径之间的夹角）。可见斜射光线比子午 光线可以有更大的入射角。
（2）在渐变光纤内
斜射光线在渐变光纤内传播的基本特点：
① 纤芯内传光路线是一系列曲线，这些曲线与光纤轴 心线不共面，而是围绕光纤轴心线旋转前进的。这些曲 线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆，内切圆的 半径大小与斜射光线的入射角有关。
② 上述这些曲线的起点和终点形成一个外圆，外圆上 各点的介质折射率都相等，称为等折射率面。外圆的半 径大小与斜射光线的入射角有关，外圆的最大半径等于 纤芯半径。
③ 光纤端面入射角in越小，则外圆和内切圆半径越小，
即纤芯内曲线越靠近轴心线传播。 ④ 若光纤折射率为抛物线分布，则外圆和内切圆重合，
此时光纤内传光路线是围绕光纤轴心线旋转前进的螺 旋线。
（5）光纤端面临界入射角0越小，高阶模数量越少；0
令 V U2 W2a ，称为归一化频率。
临界状态时 W 0 Wc ，则 V Ua Vc ，Vc称为归一化截
止频率。 可将上述导波条件改写成
导波存在的条件为 V＞Vc 导波截止的临界条件为 V=Vc
（2）由EZ和HZ利用麦克斯韦方程组求出r方向和φ方向的 电场和磁场分量Er, Eφ, Hr, Hφ。
2.2.2 光纤导波模式的粗糙解(射线分析方法)
1．导波形成的两个必要条件
（1）全反射条件
（2）等相面条件
ABCD 相位变化量- A′D′相位变化量 = 2ℓ
2．等相面条件的化简 (2-4)式化简为
4akn1cos1 + 20 = 2ℓ （ℓ = 0, 1, 2, …）
称为导波特征方程。
(2-4) (2-6)
（2）满足0＜V≤2.4048条件的光纤，仅含基模，称为单 模光纤；反之，满足V＞2.4048条件的光纤，则含有基 模和其他模式，称为多模光纤。于是得到
光纤的单模工作条件为 0＜V≤2.4048
多模工作条件为 V＞2.4048
（3）纤芯越细，高阶模数量越少；纤芯越粗，高阶模数 量越多。
（4）工作波长越长，高阶模数量越少；工作波长越短， 高阶模数量越多。
光纤束光缆：光纤与光纤之间不是固定黏结在一起的，每 根光纤具有一定的位移自由。
光纤带光缆：光纤带是利用黏结材料将多根光纤（带有一 次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平面排列。
（3）按加强构件材料分类 分为金属加强构件光缆和无金属光缆
（4）按加强构件位置分类 集中型加强构件：又分为层绞式光缆、骨架式光缆 分布型加强构件：又称为中心管式光缆。
5.1356 5.5201
理论指出，实际光纤中能够传输的导波模式必须满
足
V ＞Vc
(2-16)
V
U 2 W 2 a 2 a
n12 n22
(2-17)
对于实际光纤，可以先由 (2-17)式算出V的数值大小 ，然后利用 (2-16)式就可确定该光纤传输的导波模式
结论：
（1）HE11模式（Vc = 0）在任何光纤中都存在（因为单 模和多模光纤总有V＞0）。 HE11 模式称为基模。
(2-6)式是纤芯内能够形成导波的入射角1所应满足的条 件，可见1不能连续取值。
若将k1x= kn1cos1代入特征方程，可得 4ak1x + 20 = 2ℓ （ℓ = 0, 1, 2, …）
称为横向谐振条件。
(2-7)
3．导波模式的初步结论
（1）特征方程中的ℓ 称为导波模式的阶次，最低阶次ℓ =
纤芯和包层由透明介质材料构成，其折射
率分别为n1和n2。
为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的
必要条件是n1＞n2。
2.1.2 光纤分类
1．按纤芯和包层材料划分
可分为石英光纤和塑料光纤
2．按光纤折射率分布特点划分
主要分为阶跃光纤和渐变光纤
3．按光波模式（即电磁波类型）划分
可分为多模光纤和单模光纤 。

Jm (u) uJm (u)

Km (w) wKm (w)


n12
Jm (u) uJm (u)
n22
Km (w) wKm (w)


m2

1 u2

1 w2


n12 u2

n22 w2

2．四类导波模式
（1）TE0n（n = 1, 2, 3, …）模式，称为横电波。 特点：纵向无电场，仅有磁场，即Ez = 0，Hz≠0。