【正文】 上時 ， 根據入射角 θ1的大小 ，可以產生兩種類型的波：當入射角大于臨界角時產生導行波 ， 能量集中在光密介質及其界面附近；當入射角小于臨界角時產生輻射波 ， 一部分能量輻射到光疏介質中并在其中傳播 。 對于光波導來說 ， 導波是一種重要的波型 。 ? ? 1. ? (1) 麥克斯韋方程組和邊界條件 ［ 1］ 在均勻光纖中 ， 介質材料一般是線性和各向同性的 ， 并且不存在電流和自由電荷 ， 因此在無源區(qū)域 ， 均勻 、 無損 、 簡諧形式的麥克斯韋方程組為： 式中： E為電場強度矢量； D為電位移矢量； H為磁場強度矢量； B為磁感應強度矢量。且 D與 E，B與 H有下列關系。 ? (2) 從麥克斯韋方程組出發(fā) ， 可以導出光波所滿足的亥姆霍茲方程 。 根據矢量關系 ，有如下兩個等式 。 式中： A代表任何一個矢量，當然 E、 H也滿足式 (247)。 ? (3) 在單一均勻介質中傳播的波為平面波 ，稱為橫電磁波 ， 用 TEM表示 ， TEM波的電場和磁場方向與波的傳播方向垂直 ， 即在波導的傳播方向上既沒有磁場分量也沒有電場分量 ， 且三者兩兩相互垂直 。 對于同一類型的波，其場強在圓周方向 (即 φ方向 )或徑向方向 (即 r方向 )的分布情況又會有所區(qū)別，即電磁場的分布會不盡相同。 目前通信用光纖的相對折射率差 Δ1， 稱為弱導光纖 。 這種光纖可以近似地用平面波束分析光的傳播 。 ? 2. 階躍型光纖的波動理論分析就是以麥克斯韋方程組為基礎 ， 根據光纖的邊界條件 ， 從亥姆霍茲方程解出階躍型光纖中導波的場方程 ， 在此基礎上推導出其特征方程 ， 研究其導波模式 ， 分析其傳輸特性 。 ? (1) 階躍型光纖的纖芯半徑為 a， 包層半徑為 b， 纖芯和包層的折射率分別為 n1和 n2，其截面形狀如圖 (a)所示 。 圖2.16幾個低階模的場型(實線為電力線， 虛線為磁力線，λg=2π/β) ? (2) 要確定光纖中導模的特性 ， 就需要確定參數 U、 W和 β， 只有亥姆霍茲方程的解是不夠的 。 由于光纖中的導模還必須滿足光纖的邊界條件 ， 所以還要利用光纖的邊界條件來確定場表達式中的參數 U、 W和 β。 ? (3) 上面已經得到了光纖中場的亥姆霍茲方程和弱導光纖中導波的特征方程，接下來分析光纖中存在哪些模式及這些模式的 ? ① TEM 光纖中是否存在 TEM波呢 ?根據定義 ，TEM波在波導的傳播方向 (Z方向 )上既沒有電場分量 ， 又沒有磁場分量 。 即 Ez＝ 0、 Hz＝ 0。 如果光纖中存在 TEM波 ， 則根據 Ez、Hz的表達式 (275)和式 (276)可以得到 A＝ B＝ 0， 再將 A＝ B＝ 0代入式 (277)、 式 (278)得到 Er、 Eφ、 Hr、 Eφ都為零 ， 即光纖中不存在電磁場 ， 所以光纖中根本不存在 TEM波 。 ? ② TE波和 TM 光纖中是否存在 TE波和 TM波 ， 實際上是看單獨的 TE波和 TM波是否滿足邊界條件 。 如果光纖中存在 TE波 ， 根據 TE波的定義 ， TE波在波導的傳播方向 (Z方向 )上沒有電場分量 ， 只有磁場分量 ， 即 Ez＝ 0， 根據 Ez表達式 (275)可以得到 A＝ 0， 然后將 A＝ 0代入式 (283b)中得到 ? ③ EH波和 HE 從上面的闡述中可以看到 ， 當 m≠0時 ，光纖中不能存在 TE波和 TM波 ， 而只能是Ez、 Hz同時存在的 EH波和 HE波 。 ? (4) 模的特性可以用 3個特征參數 U、 W和β來描述 。 U表示導模場在纖芯內部的橫向分布規(guī)律； W表示導模場在纖芯外部的橫向分布規(guī)律 。 ?① 導模的截止條件 → → ? ② 遠離截止時的 U 光纖中導模的 U值是隨頻率而變化的 。上面所討論的 Uc值只適用于導模截止時的情況 。 光 纜 ? ? 1. 光纜的構造 光纜的構造一般分為纜芯和護層兩大部分 。 ? (1) 在光纜的構造中 ， 纜芯是主體 ， 其結構是否合理 ， 與光纖的安全運行關系很大 。一般來說 ， 纜芯結構應滿足以下基本要求：光纖在纜芯內處于最佳位置和狀態(tài) ， 保證光纖傳輸性能穩(wěn)定 ， 在光纜受到一定的拉力 、 側壓力等外力時 ， 光纖不應承受外力影響；其次纜芯內的金屬線對也應得到妥善安排 ， 并保證其電氣性能；另外纜芯截面應盡可能小 ， 以降低成本和敷設空間 。 ? (2) 光纜護層同電纜護層的情況一樣 ， 是由護套和外護層構成的多層組合體 。 其作用是進一步保護光纖 ， 使光纖能適應在各種場地敷設 ， 如架空 、 管道 、 直埋 、 室內 、過河 、 跨海等 。 對于采用外周加強元件的光纜結構 ， 護層還需提供足夠的抗拉 、 抗壓 、 抗彎曲等機械特性方面的能力 。 ? 2. 光纜的基本結構按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式 、 骨架式 、 束管式和帶狀式四種 ， 如圖 。 我國及歐亞各國用的較多的是傳統(tǒng)結構的層絞式和骨架式兩種 。 圖 ? (1) 層絞式光纜的結構類似于傳統(tǒng)的電纜結構方式 ， 故又稱為古典式光纜 。 ? (2) 骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中 ， 槽的橫截面可以是 V形 、 U形或其他合理的形狀 ， 槽的縱向呈螺旋形或正弦形 ， 一個空槽可放置 5~10根一次涂覆光纖 。 ? (3) 束管式結構的光纜近年來得到了較快的發(fā)展 。 它相當于把松套管擴大為整個纖芯 ， 成為一個管腔 ， 將光纖集中松放在其中 。 ? (4) 帶狀式結構的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內做成光纖帶 ， 然后將幾層光纖帶疊放在一起構成光纜芯 。 ? ? 1. 光纜的種類很多 ， 其分類方法也很多 ， 根據光纜的傳輸性能 、 距離和用途 ，光纜可以分為市話光纜 、 長途光纜 、 海底 根據光纖的種類，光纜可以分為多模光纜、單模光纜； 根據光纖套塑的種類，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和 根據光纖芯數的多少，光纜可以分為 根據加強構件的配置方式 ， 光纜可以分為中心加強構件光纜 (如層絞式光纜 、 骨架式光纜等 )、 分散加強構件光纜 (如束管式光纜 )和護層加強構件光纜 (如帶狀式光纜 ) 根據敷設方式 ， 光纜可以分為管道光纜 、 直埋光纜 、 根據護層材料性質 ， 光纜可以分為普通光纜 、 阻燃光纜和防蟻 、 防鼠光纜等 。 ? 2. 光纜的型號 ［ 6］ 光纜的種類較多，同其他產品一樣，具有具體的型式和規(guī)格。 ? (1) 光纜的型式代號是由分類 、 加強構件 、派生 (形狀 、 特性等 )、 護套和外護層五部分組成 ， 如圖 。 圖 光纜的型式代號 ? ① GY： 通信用室 (野 ) GR： GJ： 通信用室 (局 ) GS： GH： 通信用海底光纜； GT： GW： 通信用無金屬光纜 。 ? ② 無符號：金屬加強構件； F： G： H： ? ③ B： 扁平式結構； Z： T： 填充式結構； S： 注：當光纜型式兼有不同派生特征 ? ④ Y： 聚乙烯護套； V： U： 聚氨酯護套； A： L： 鋁護套； Q： G： 鋼護套； S： ? ⑤ 外護層是指鎧裝層及鎧裝層外面的外被層 ， 參照國標 GB295282的規(guī)定 ， 外護層采用兩位數字表示 ， 各代號的意義如表 。 ? (2) 光纖的規(guī)格代號是由光纖數目 、 光纖類別 、 光纖主要尺寸參數 、 傳輸性能和適用溫度五部分組成 ， 各部分均用代號或數字表示 。 ? ① 用光纜中同類別光纖的實際有效數目的阿拉伯數字表示 。 ? ② 光纖類別的代號及其意義 J： T： 二氧化硅系多模階躍型 (突變型 ) Z： D： X： S： 塑料光纖 。 ? ③ 用阿拉伯數字 (含小數點 )以 μm為單位表示多模光纖的芯徑 /包層直徑或單模光纖的模場直徑 /包層直徑 。 ? ④ 光纖的傳輸特性代號是由使用波長 、損耗系數 、 模式帶寬的代號 (分別為 a、 bb、cc)構成 。 其中 a表示使用波長的代號，其數字 1：使用波長在 2：使用波長在 3：使用波長在 bb表示損耗系數的代號，其數字依次為光纜中光纖損耗系數值 (dB/km)的個位和 cc表示模式帶寬的代號，其數字依次是光纜中光纖模式帶寬數值 (MHzkm)的千 注意：同一光纜適用于兩種以上的波長，并具有不同的傳輸特性時，應同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用 / ? ⑤ A： 適用于 40℃ ~ +40℃ ； B： 適用于 30℃ ~ +50℃ C： 適用于 20℃ ~ +60℃ D： 適用于 5℃ ~ +60℃ 第三章 光纖的傳輸特性 光纖的損耗特性 光纖的色散特性 成纜對光纖特性的影響 典型光纖參數 光纖的損耗特性 ? 吸收損耗是由制造光纖材料本身以及其中的過渡金屬離子和氫氧根離子 (OH－ )等雜質對光的吸收而產生的損耗 ， 前者是由光纖材料本身的特性所決定的 ， 稱為本征吸收損耗 。 ? 1. 本征吸收損耗在光學波長及其附近有兩種基本的吸收方式。 ? (1) 紫外吸收損耗是由光纖中傳輸的光子流將光纖材料中的電子從低能級激發(fā)到高能級時 ， 光子流中的能量將被電子吸收 ，從而引起的損耗 。 ? (2) 紅外吸收損耗是由于光纖中傳播的光波與晶格相互作用時 ， 一部分光波能量傳遞給晶格 ， 使其振動加劇 ， 從而引起的損耗 。 ? 2. 光纖中的有害雜質主要有過渡金屬離子 ， 如鐵 、 鈷 、 鎳 、 銅 、 錳 、 鉻等和 OH－ 。 ? 3. 通常在光纖的制造過程中 ， 光纖材料受到某種熱激勵或光輻射時將會發(fā)生某個共價鍵斷裂而產生原子缺陷 ， 此時晶格很容易在光場的作用下產生振動 ， 從而吸收光能 ， 引起損耗 ， 其峰值吸收波長約為630nm左右 。 ? ? 1. 任何光纖波導都不可能是完美無缺的 ，無論是材料 、 尺寸 、 形狀和折射率分布等等 ， 均可能有缺陷或不均勻 ， 這將引起光纖傳播模式散射性的損耗 ， 由于這類損耗所引起的損耗功率與傳播模式的功率成線性關系 ， 所以稱為線性散射損耗 。 ? (1) 瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。 對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構成光纖損耗的理論極限值。 ? (2) 光纖結構不完善引起的散射損耗 (波導散射損耗 ) 在光纖制造過程中 ， 由于工藝 、 技術問題以及一些隨機因素 ， 可能造成光纖結構上的缺陷 ， 如光纖的纖芯和包層的界面不完整 、 芯徑變化 、 圓度不均勻 、 光纖中殘留氣泡和裂痕等等 。 ? 2. 光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。 ? 光纖的彎曲有兩種形式：一種是曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲 ， 我們習慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產生微米級的彎曲 ， 這種高頻彎曲習慣稱為微彎 。 在光纜的生產、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。 微彎是由于光纖受到側壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。 ? 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞 ，在此引入損耗系數 (或稱為衰減系數 )的概念 ， 即傳輸單位長度 (1km)光纖所引起的光功率減小的分貝數 ， 一般用 α表示損耗系數 ，單位是 dB/km。 用數學表達式表示為： 式中： L為光纖長度，以 km為單位；P1和 P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，以 mW或 μW為單位。 光纖的色散特性 ? 色散的概念 ? 模式色散 所謂模