光通信：第02章光纖和光纜(已修改)
2025-01-08 22:46 本頁面
【正文】 第二章 光纖和光纜 光纖作為光纖通信系統(tǒng)的物理傳輸媒介 ， 有著巨大的優(yōu)越性 。 本章首先介紹光纖的結(jié)構(gòu)與類型 ， 然后用射線光學(xué)理論和波動(dòng)光學(xué)理論重點(diǎn)分析光在階躍型光纖中的傳輸情況 ， 最后簡要介紹光纜的構(gòu)造 、 典型結(jié)構(gòu)與光纜的型號(hào) 。 光纖的結(jié)構(gòu)與類型 光纖的射線理論分析 均勻光纖的波動(dòng)理論分析 光 纜 光纖的結(jié)構(gòu)與類型 ? 光纖 (Optical Fiber， OF)就是用來導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維 ， 一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的 ， 一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯 、 折射率較低的包層和外面的涂覆層 ， 如圖 。 圖 光纖結(jié)構(gòu)示意圖 ? 光纖的分類方法很多 ， 既可以按照光纖截面折射率分布來分類 ， 又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少 、 光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL來分類 。 ? 1. 按光纖截面上折射率分布分類 按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖 (StepIndex Fiber，SIF)和漸變型光纖 (GradedIndex Fiber，GIF)， 其折射率分布如圖 。 圖 光纖的折射率分布 光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù) n(r)來表示 。 ? ? ?。? 21??????arnarnrn? 2. 按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量 ， 可以將光纖分為多模光纖 (MultiMode Fiber， MMF)和單模光纖 (Single Mode Fiber， SMF)。 在一定的工作波上 ， 當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí) ， 則這種光纖稱為多模光纖 。 單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖 ，單模光纖只能傳輸基模 (最低階模 )， 不存在模間時(shí)延差 ， 具有比多模光纖大得多的帶寬 ， 這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的 。 ? 3. 按光纖的工作波長可以將光纖分為短波長光纖 、 長波長光纖和超長波長光纖 。 ? 4. 按 ITUT 按照 ITUT關(guān)于光纖類型的建議 ， 可以將光纖分為 (漸變型多模光纖 )、 (常規(guī)單模光纖 )、 (色散位移光纖 )、 (截止波長光纖 )和(非零色散位移光纖 )光纖 。 按套塑 (二次涂覆層 )可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖 。 現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖 、 漸變型多模光纖和階躍型單模光纖 。 光纖的射線理論分析 ? 光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的 ， 其傳播速度為 v=c/n 式中： c＝ 105km/s， 是光在真空中的傳播速度； n是介質(zhì)的折射率 (空氣的折射率為 ， 近似為 1；玻璃的折射率為 )。 反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi) ， 反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè) ， 并且反射角等于入射角 ， 即： θ1′＝ θ1。 折射定律 ：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi) ， 折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè) ， 且滿足： n1sinθ1=n2sinθ2 ? 一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí) ， 光纖中光線的傳播分兩種情形：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播 ， 并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次 ， 這種光線稱為子午射線 ，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱為子午面；另一種情形是光線在傳播過程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi) ， 并且不與光纖的軸線相交 ，這種光線稱為斜射線 。 ? 1. 子午射線在階躍型光纖中的傳播 階躍型光纖是由半徑為 a、 折射率為常數(shù) n 1的纖芯和折射率為常數(shù) n2的包層組 成 ， 并且 n1n2， 如圖 。 圖 光線在階躍型光纖中的傳播 ? 2. 子午射線在漸變型光纖中的傳播 漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù) ， 而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率 。 ? 3. 子午射線的傳播過程始終在一個(gè)子午面內(nèi) ， 因此可以在二維的平面內(nèi)來分析 ，很直觀 。 ? ? 1. 模式是波動(dòng)理論的概念 。 在波動(dòng)理論中 ， 一種電磁場的分布稱之為一個(gè)模式 。在射線理論中 ， 通常認(rèn)為一個(gè)傳播方向的光線對(duì)應(yīng)一種模式 ， 有時(shí)也稱之為射線模式 。 ? 2. 光纖中光波相位的變化情況如圖 示 ， 在這里以階躍型光纖為例來討論光纖的相位一致條件 ， 不作復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo) ，只提及波動(dòng)光學(xué)中的基本觀點(diǎn)和結(jié)論 。 圖 光纖中光波相位的變化情況 相位一致條件就是說：如果圖中所示的這個(gè)模式在 A、 B處相位相等 ， 則經(jīng)過一段傳播距離后 ， 在 A′、 B′處也應(yīng)該相位相等或相差 2π的整數(shù)倍 。 光纖的相位一致條件也可以從另外一個(gè)角度出發(fā)得到 。 根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)可知：波在無限空間中傳播時(shí) ， 形成行波；而在有限空間傳播時(shí) ， 形成駐波 。 一旦確定了光波導(dǎo)和光波長 ， 那么 nn 纖芯直徑 2a以及真空中光的傳播常數(shù)k0也就確定了 ， 而且式 (217)中的最大 N值也就確定了 。 對(duì)于漸變型多模光纖 ， 同樣 ， 其導(dǎo)模不僅要滿足全反射條件 ， 還要滿足相位一致條件 。 在漸變型多模光纖中 ， 低階模由于靠近光纖軸線 ， 其傳播路程短 ， 但靠近軸線處的折射率大
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