现代光纤通信技术2-光纤
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▪ 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
•
•光线理论
•光的反射与折射
•光的全反射现象
•
•光线理论
•单模光纤中光线传播路径
光在阶跃光纤中的传播轨迹
•
•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
场中Ez和Hz的分量哪个更强，分为HE模和EH模;
▪ 光纤可以被看作是一个弱柱形波导结构, HE-EH模成
对出现,且它们的传播常数基本相等，称为简并模;
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。
材料吸收
物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失 。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原 子缺陷吸收。
光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关 。对于石英(SiO2)材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域。
－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）
•
•光纤光缆的制作
•制造光纤预制棒 •的MCVD流程示意图
•光纤拉丝装置示意图
•
•§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
TElm 、TMlm 、HElm和EHlm。
•
•波动理论
贝塞尔函数图形
•贝塞尔函数根
•贝塞尔函数 •前三个根 •（不包括零根）
•J0（u）
•2.4048 3 •5.5200 8 •8.6537 3
•J1（u）
•3.83171
•7.01559
•10.1734 7
•J2（u）
•5.13562
•8.41724
▪ PMD是一个统计量，它对传输有线电视(CATV)
的模拟系统和长距离、高速率的数字系统， 例如海底光缆系统的影响是不可忽视的。当 数据传输速率小于10Gbit/s时，基本上不必 考虑它的影响。
•
•色散的种类及其产生原因
▪ 在多模光纤中模式色散是主要的，材料色
散相对较小，波导色散一般可以忽略。
▪ 单模光纤波导色散的作用不能忽略，它与
•若Pin是入纤的功率，则出纤功率Pout为： •这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用 dB/km来表示：
•
示例
对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的 损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能 的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损 耗为3dB/km，这表示传输1km后信号光功 率将损失50％，2km后损失达75％(损失了 6dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用 分贝表示的损耗具有可加性。
•11.6198 4
•
•归一化频率V
•确定传输模式的参数 。可由波动方程导出。
a为纤芯半径，为光波波长，
为折射率差。
参量V决定了光纤中能容纳的模
式数量。如果V<2.405，则它只 容纳单模——单模光纤。
模式: 每一个传输常数对应着 一种可能的光场分布。一个模 式是由它的传播常数唯一确定 的。
•几个低阶模的归一化传播常数随V的变化
•
•SMF的条件
经计算HE11 ，归一化截止频率V=0 HE21 ,TE01 ,TM01 ，归一化截止频率V=2.405 所以要实现SMF，0<V< 2.405
通过选材、尺寸可以控制V值。因为工作波长 小，而a过小会给耦合连接带来困难，所以一 般选用弱导光纤（相对折射率指数差小）
掺杂来实现。 纤芯掺入Ge和P 折射率 包层掺入B 折射率
•
•§2.1 光纤概述
•根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：
•不同的折射率分布，传输特性完全不同
•
•三种主要类型光纤的比较
•
•光纤的分类
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
材料色散有同样的数量级。
▪ 波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如
纤心半径a，芯－包层折射率差。由此可改 变光纤的色散系数。
G.652G.653 G.655
•
• 光纤的损耗特性
•光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定 着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高 和对石英材料的研究。
•损耗定义:
色散的基本概念 色散的种类及其产生原因
•
•色散的基本概念
▪ 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于
不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。
▪ 光纤的色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离
和容量。
▪ 色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不
同波长成分传输同样距离而产生的时间差。单位：ps/nm.km
•
•单模光纤材料色散和波导色散随波长的变化关系
•D=DM+D
W
•17ps/nm.k m@1550nm
•零色散 波长
•
•偏振模色散
▪ 在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂
直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使 这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏 振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏 振模色散(PMD) 。
▪ 具有相同传播常数的简并模，可用线偏振模（LP模
）表示
•
•波动理论
•表2.1 低阶LP模的组成
LP模 LP01 LP11 LP21 LP02 LP31 LP12 LP1m LPlm( l≠0或1)
传统模式
HE11 HE21 ,TE01 ,TM01
HE31 ,EH11 HE12
HE41,EH21 HE22 ,TE02 ,TM02 HE2m ,TE0m ,TM0m HEl+1,m ,EHl-1,m
•
•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
•
•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： •（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：
▪ 单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21
。
•
•光线理论
•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:
•
•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
•
模场直径MFD
•对单模光纤，2a与
处于同一量级，由于衍
射效应，模场强度有相
当一部分处于包层中，
不易精确测出2a的精确
值，因而只有结构设计
上的意义，在应用中并
•2
无实际意义，实际应用
w
中常用模场直径2w，
即光斑尺寸表示，近似
•2a
为：
•e=2.7182 8
•电场强 度降到峰 值的1/e
•E0/e
•
聚焦状
•
•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。
•（2.9）
•同理可得到磁场z分量Hz的波动方程
•
•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
•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
•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
2020年6月2日星期二
•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
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
▪ 只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决
于光纤的折射率分布。
•
•波导色散
▪ 波导色散DW由于光纤中某一导模在不同光
波长下，相位常数（传播常数β）不同，
群速度不同而引起的色散。
▪ 波导色散取决于波导的结构参数和波长。 ▪ 波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如
纤芯半径和芯－包层折射率差。根据光纤 的这种特性，可改变光纤的色散情况，进 行色散位移（非零色散位移光纤）。
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 。
•
光纤光缆的制作
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Байду номын сангаас长1m,直径2cm）
使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉 中加热
成缆--光缆 预制棒制作技术
•
•材料色散
▪材料色散DM是由于光纤的折射率随波长而改变，
实际光源不是纯单色光，模内不同波长成分的光 ，其时间延迟不同而产生的。
▪这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源
的谱线宽度。
▪合理设计成将零色散波长移到1550nm的色散移
位光纤，使1300nm和1550nm处色散皆为零的色散 平坦光纤，或1550nm处具有负色散值的色散补偿 光纤
•z=0
•z=L
•色散
•
•色散的种类及其产生原因
▪ 色散类型
•模间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速
度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有）
•波导色散 ：传播常数随频率变化 •材料色散 ：折射率随频率变化
•波长色散
•偏振模色散PMD
•
•模式色散
▪ 模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下
传播速度不同，使传播时延不同而产生的色 散。
•光学参数
•折射率差 •数值孔径
•
•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
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。
特性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点 。
•
•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
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
•
•光纤损耗谱特性
•2.5
•第一传输窗口
•OH离子吸收峰
•损 耗 (dB/km)
•第二传输窗口
•在1.55m 处最小损
耗约为
•第三传0输.2窗d口B/km
•瑞利散射
•红外吸收
•0.2
•紫外吸收
•850
•1300
•1550
•波 长 (nm)
•损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损
耗 •
光纤的损耗机理(1)
•§2.3 光纤的的传输特性
▪ 色散 ▪ 损耗 ▪ 光纤非线性效应
•
•光纤的带宽
•光纤带宽的定义是频率响应H(f)和零频率响应
H(0)的比值下降一半(3dB)的频率，即：
•H(f3dB)/ H(f) =1/2 •其中H(f)=F{Pout(t)}
•可得： •光纤的带宽取决于均方根脉冲宽度
•
•
•光纤的色散
•属于同一个LP模的模式的横向场强（Ex或Ey）相等
•
•波动理论
•由（2.9）得到： •（2.9）
•其中： •Jl (x)：第一类l阶贝塞尔函数； Kl (x)：第一类l阶改进的贝塞尔函数
▪ ；光波在光纤中成为导波的条件是n2k<βlm<n1k，其中
βlm是光波的传播常数。
▪ 用数值法求解确定βlm ，可以得到许多电磁场模式：
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
•
•光线理论
•光的反射与折射
•光的全反射现象
•
•光线理论
•单模光纤中光线传播路径
光在阶跃光纤中的传播轨迹
•
•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
场中Ez和Hz的分量哪个更强，分为HE模和EH模;
▪ 光纤可以被看作是一个弱柱形波导结构, HE-EH模成
对出现,且它们的传播常数基本相等，称为简并模;
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。
材料吸收
物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失 。吸收损耗有三个原因，一是本征吸收，二是杂质吸收，三是原 子缺陷吸收。
光纤材料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐振有关 。对于石英(SiO2)材料，固有吸收区在红外区域和紫外区域。
－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）
•
•光纤光缆的制作
•制造光纤预制棒 •的MCVD流程示意图
•光纤拉丝装置示意图
•
•§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
TElm 、TMlm 、HElm和EHlm。
•
•波动理论
贝塞尔函数图形
•贝塞尔函数根
•贝塞尔函数 •前三个根 •（不包括零根）
•J0（u）
•2.4048 3 •5.5200 8 •8.6537 3
•J1（u）
•3.83171
•7.01559
•10.1734 7
•J2（u）
•5.13562
•8.41724
▪ PMD是一个统计量，它对传输有线电视(CATV)
的模拟系统和长距离、高速率的数字系统， 例如海底光缆系统的影响是不可忽视的。当 数据传输速率小于10Gbit/s时，基本上不必 考虑它的影响。
•
•色散的种类及其产生原因
▪ 在多模光纤中模式色散是主要的，材料色
散相对较小，波导色散一般可以忽略。
▪ 单模光纤波导色散的作用不能忽略，它与
•若Pin是入纤的功率，则出纤功率Pout为： •这里代表光纤损耗，L是光纤长度，习惯上光纤的损耗通过下式用 dB/km来表示：
•
示例
对于理想的光纤，不会有任何的损耗，对应的 损耗系数为0dB/km，但在实际中这是不可能 的。实际的低损耗光纤在900nm波长处的损 耗为3dB/km，这表示传输1km后信号光功 率将损失50％，2km后损失达75％(损失了 6dB)。之所以可以这样进行运算，是因为用 分贝表示的损耗具有可加性。
•11.6198 4
•
•归一化频率V
•确定传输模式的参数 。可由波动方程导出。
a为纤芯半径，为光波波长，
为折射率差。
参量V决定了光纤中能容纳的模
式数量。如果V<2.405，则它只 容纳单模——单模光纤。
模式: 每一个传输常数对应着 一种可能的光场分布。一个模 式是由它的传播常数唯一确定 的。
•几个低阶模的归一化传播常数随V的变化
•
•SMF的条件
经计算HE11 ，归一化截止频率V=0 HE21 ,TE01 ,TM01 ，归一化截止频率V=2.405 所以要实现SMF，0<V< 2.405
通过选材、尺寸可以控制V值。因为工作波长 小，而a过小会给耦合连接带来困难，所以一 般选用弱导光纤（相对折射率指数差小）
掺杂来实现。 纤芯掺入Ge和P 折射率 包层掺入B 折射率
•
•§2.1 光纤概述
•根据芯区折射率径向分布的不同，可分为：
•不同的折射率分布，传输特性完全不同
•
•三种主要类型光纤的比较
•
•光纤的分类
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
材料色散有同样的数量级。
▪ 波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如
纤心半径a，芯－包层折射率差。由此可改 变光纤的色散系数。
G.652G.653 G.655
•
• 光纤的损耗特性
•光纤损耗是通信距离的固有限制，在很大程度上决定 着传输系统的中继距离，损耗的降低依赖于工艺的提高 和对石英材料的研究。
•损耗定义:
色散的基本概念 色散的种类及其产生原因
•
•色散的基本概念
▪ 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于
不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。
▪ 光纤的色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离
和容量。
▪ 色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不
同波长成分传输同样距离而产生的时间差。单位：ps/nm.km
•
•单模光纤材料色散和波导色散随波长的变化关系
•D=DM+D
W
•17ps/nm.k m@1550nm
•零色散 波长
•
•偏振模色散
▪ 在理想的单模光纤中，基模是由两个相互垂
直的简并偏振模组成。如果由于某种因素使 这两个偏振模有不同的群速度，出纤后两偏 振模的迭加使得信号脉冲展宽，从而形成偏 振模色散(PMD) 。
▪ 具有相同传播常数的简并模，可用线偏振模（LP模
）表示
•
•波动理论
•表2.1 低阶LP模的组成
LP模 LP01 LP11 LP21 LP02 LP31 LP12 LP1m LPlm( l≠0或1)
传统模式
HE11 HE21 ,TE01 ,TM01
HE31 ,EH11 HE12
HE41,EH21 HE22 ,TE02 ,TM02 HE2m ,TE0m ,TM0m HEl+1,m ,EHl-1,m
•
•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
•
•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： •（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：
▪ 单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21
。
•
•光线理论
•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:
•
•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
•
模场直径MFD
•对单模光纤，2a与
处于同一量级，由于衍
射效应，模场强度有相
当一部分处于包层中，
不易精确测出2a的精确
值，因而只有结构设计
上的意义，在应用中并
•2
无实际意义，实际应用
w
中常用模场直径2w，
即光斑尺寸表示，近似
•2a
为：
•e=2.7182 8
•电场强 度降到峰 值的1/e
•E0/e
•
聚焦状
•
•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。
•（2.9）
•同理可得到磁场z分量Hz的波动方程
•
•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
•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
•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
2020年6月2日星期二
•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
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
▪ 只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决
于光纤的折射率分布。
•
•波导色散
▪ 波导色散DW由于光纤中某一导模在不同光
波长下，相位常数（传播常数β）不同，
群速度不同而引起的色散。
▪ 波导色散取决于波导的结构参数和波长。 ▪ 波导色散的影响依赖于光纤设计参数，如
纤芯半径和芯－包层折射率差。根据光纤 的这种特性，可改变光纤的色散情况，进 行色散位移（非零色散位移光纤）。
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 。
•
光纤光缆的制作
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Байду номын сангаас长1m,直径2cm）
使用精密馈送机构将预制棒以合适的速度送入炉 中加热
成缆--光缆 预制棒制作技术
•
•材料色散
▪材料色散DM是由于光纤的折射率随波长而改变，
实际光源不是纯单色光，模内不同波长成分的光 ，其时间延迟不同而产生的。
▪这种色散取决于材料折射率的波长特性和光源
的谱线宽度。
▪合理设计成将零色散波长移到1550nm的色散移
位光纤，使1300nm和1550nm处色散皆为零的色散 平坦光纤，或1550nm处具有负色散值的色散补偿 光纤
•z=0
•z=L
•色散
•
•色散的种类及其产生原因
▪ 色散类型
•模间色散：不同模式对应有不同的模折射率，导致群速
度不同和脉冲展宽（仅多模光纤有）
•波导色散 ：传播常数随频率变化 •材料色散 ：折射率随频率变化
•波长色散
•偏振模色散PMD
•
•模式色散
▪ 模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下
传播速度不同，使传播时延不同而产生的色 散。
•光学参数
•折射率差 •数值孔径
•
•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
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。
特性、传输能力究竟如何？——本章讨论的要点 。
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•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
纤
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•§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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•光纤损耗谱特性
•2.5
•第一传输窗口
•OH离子吸收峰
•损 耗 (dB/km)
•第二传输窗口
•在1.55m 处最小损
耗约为
•第三传0输.2窗d口B/km
•瑞利散射
•红外吸收
•0.2
•紫外吸收
•850
•1300
•1550
•波 长 (nm)
•损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损
耗 •
光纤的损耗机理(1)
•§2.3 光纤的的传输特性
▪ 色散 ▪ 损耗 ▪ 光纤非线性效应
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•光纤的带宽
•光纤带宽的定义是频率响应H(f)和零频率响应
H(0)的比值下降一半(3dB)的频率，即：
•H(f3dB)/ H(f) =1/2 •其中H(f)=F{Pout(t)}
•可得： •光纤的带宽取决于均方根脉冲宽度
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•光纤的色散
•属于同一个LP模的模式的横向场强（Ex或Ey）相等
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•波动理论
•由（2.9）得到： •（2.9）
•其中： •Jl (x)：第一类l阶贝塞尔函数； Kl (x)：第一类l阶改进的贝塞尔函数
▪ ；光波在光纤中成为导波的条件是n2k<βlm<n1k，其中
βlm是光波的传播常数。
▪ 用数值法求解确定βlm ，可以得到许多电磁场模式：