【正文】 慣稱為彎曲或宏彎；另一種是光纖軸線產(chǎn)生微米級的彎曲 ， 這種高頻彎曲習(xí)慣稱為微彎 。 對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。 ? 2. 光纖中的有害雜質(zhì)主要有過渡金屬離子 ， 如鐵 、 鈷 、 鎳 、 銅 、 錳 、 鉻等和 OH－ 。km)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(shí)，應(yīng)同時(shí)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(shù) 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(zhì)對光的吸收而產(chǎn)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 。 ? 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 。 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 。 ? (4) 帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶 ， 然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯 。 圖 ? (1) 層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式 ， 故又稱為古典式光纜 。 其作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖 ， 使光纖能適應(yīng)在各種場地敷設(shè) ， 如架空 、 管道 、 直埋 、 室內(nèi) 、過河 、 跨海等 。 光 纜 ? ? 1. 光纜的構(gòu)造 光纜的構(gòu)造一般分為纜芯和護(hù)層兩大部分 。 ? (4) 模的特性可以用 3個(gè)特征參數(shù) U、 W和β來描述 。 即 Ez＝ 0、 Hz＝ 0。 ? (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 。 對于同一類型的波，其場強(qiáng)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。 ? (2) 從麥克斯韋方程組出發(fā) ， 可以導(dǎo)出光波所滿足的亥姆霍茲方程 。 ? (3) 導(dǎo)行波和輻射波的概念 綜上所述 ， 當(dāng)平面波由光密介質(zhì)射向兩介質(zhì)分界面上時(shí) ， 根據(jù)入射角 θ1的大小 ，可以產(chǎn)生兩種類型的波：當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)行波 ， 能量集中在光密介質(zhì)及其界面附近；當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)產(chǎn)生輻射波 ， 一部分能量輻射到光疏介質(zhì)中并在其中傳播 。 ? 2. 平面波在介質(zhì)分界面上的反射和折射 反射波與入射波在原點(diǎn)處的復(fù)振幅之比稱為反射系數(shù)；傳遞波與入射波在原點(diǎn)處的復(fù)振幅之比稱為傳遞系數(shù) ， 表示為： 式中： R、 T都是復(fù)數(shù) ， 包括大小及相位 。 均勻光纖的波動理論分析 ? 平面波在理想介質(zhì)中的傳播 ? 1. 所謂均勻平面波是指在與傳播方向垂直的無限大的平面上 ， 電場強(qiáng)度 E和磁場強(qiáng)度 H的幅度和相位都相等的波型 ， 簡稱為平面波 。 ? 2. 只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖 。 對于漸變型多模光纖 ， 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 。 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 。 ? ? 1. 模式是波動理論的概念 。 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 。 按套塑 (二次涂覆層 )可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖 。 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 。 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 。 根據(jù)系統(tǒng)的工作波長 ， 光纖通信系統(tǒng)可分為短波長光纖通信系統(tǒng) 、 長波長光纖通信系統(tǒng)和超長波長光纖通信系統(tǒng) 。 中繼器分為電中繼器和光中繼器 (光放大器 )兩種 ， 其主要作用就是延長光信號的傳輸距離 。光發(fā)送機(jī)一般由驅(qū)動電路 、 光源和調(diào)制器構(gòu)成 ， 如果是直接強(qiáng)度調(diào)制可以省去調(diào)制器 ， 這些將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹 。 ? 5. 體積小 ， ? 6. ? 事物都是一分為二的 ， 光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn) ， 因而發(fā)展很快 ， 但光纖通信也有以下缺點(diǎn) 。 ? 3. 我們知道 ， 電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的 ， 也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè) 。 到如今 ， 光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用光放大器 (Optical Amplifier， OA)增加中繼距離和采用波分復(fù)用 ( Wavelength Division Multiplexing， WDM)增加傳輸容量為特征的第四代系統(tǒng) 。 圖 反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo) 1966年 ， 英籍華人高錕 (， 當(dāng)時(shí)工作于英國標(biāo)準(zhǔn)電信研究所 )博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問題 ，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過量的鉻 、 銅 、 鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì) ， 其次是拉制光纖時(shí)工藝技術(shù)造成了芯 、 包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻 ， 他還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小 。光纖通信原理 第一章 概 述 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 光纖通信的主要特性 光纖通信系統(tǒng)的組成和分類 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 ? 早期的光通信 到了 1880年 ， 貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話 ， 這一大膽的嘗試 ， 可以說是現(xiàn)代光通信的開端 。 ? 在大氣光通信受阻之后 ， 人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn) ， 先后出現(xiàn)過反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn) ， 如圖 。T和日本 NTT均研制出了波長為 ， 日本也做出了超低損耗的光纖 (損耗為， 波長為 )， 同時(shí)進(jìn)行了多模光纖 (同時(shí)允許多個(gè)方向的光線在其中傳送的光纖 )試驗(yàn)。 如果今后采用非石英光纖 ， 并工作在超長波長 (＞ 2μm)， 光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到 103～ 105dB/km， 此時(shí)光纖通信的中繼距離可達(dá)數(shù)千 ， 甚至數(shù)萬公里 。更不用去說無線通信方式 。 系統(tǒng)中光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號轉(zhuǎn)換為光信號 ， 并將生成的光信號注入光纖 。 光纖的作用是為光信號的傳送提供傳送媒介 (信道 )， 將光信號由一處送到另一處 。 根據(jù)光纖的傳導(dǎo)模數(shù)量，光纖通信系統(tǒng)可以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)。 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 。 ? 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)。 ? 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 。 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。 ? 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 。 ? 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) ，只提及波動光學(xué)中的基本觀點(diǎn)和結(jié)論 。 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 。 為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用 V表示，其表達(dá)式如下： ? 1. 顧明思義 ， 多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w ， 或者說在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模 。km以上 。k 稱為平面波在該介質(zhì)中的波矢量 。 ? (2) 全反射情況時(shí)介質(zhì) 2 全反射時(shí) ， 將式 (234)代入式 (230b)，即可得到垂直極化波全反射時(shí)的傳遞系數(shù) 。且 D與 E，B與 H有下列關(guān)系。 ? (3) 在單一均勻介質(zhì)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(dǎo)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 。 ? 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(chǔ) ， 根據(jù)光纖的邊界條件 ， 從亥姆霍茲方程解出階躍型光纖中導(dǎo)波的場方程 ， 在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出其特征方程 ， 研究其導(dǎo)波模式 ， 分析其傳輸特性 。 ? (3) 上面已經(jīng)得到了光纖中場的亥姆霍茲方程和弱導(dǎo)光纖中導(dǎo)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(jù)定義 ，TEM波在波導(dǎo)的傳播方向 (Z方向 )上既沒有電場分量 ， 又沒有磁場分量 。 如果光纖中存在 TE波 ， 根據(jù) TE波的定義 ， TE波在波導(dǎo)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(jù) Ez表達(dá)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(dāng) m≠0時(shí) ，光纖中不能存在 TE波和 TM波 ， 而只能是Ez、 Hz同時(shí)存在的 EH波和 HE波 。上面所討論的 Uc值只適用于導(dǎo)模截止時(shí)的情況 。 ? (2) 光纜護(hù)層同電纜護(hù)層的情況一樣 ， 是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體 。 我國及歐亞各國用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種 。 它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纖芯 ， 成為一個(gè)管腔 ， 將光纖集中松放在其中 。 ? (1) 光纜的型式代號是由分類 、 加強(qiáng)構(gòu)件 、派生 (形狀 、 特性等 )、 護(hù)套和外護(hù)層五部分組成 ， 如圖 。 ? ① 用光纜中同類別光纖的實(shí)際有效數(shù)目的阿拉伯?dāng)?shù)字表示 。 其中 a表示使用波長的代號，其數(shù)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(shù)的代號，其數(shù)字依次為光纜中光纖損耗系數(shù)值 (dB/km)的個(gè)位和 cc表示模式帶寬的代號，其數(shù)字依次是光纜中光纖模式帶寬數(shù)值 (MHz ? (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(shí) ， 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 。 ? (1) 瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。 ? 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(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。 ? 為了衡量一根光纖損耗特性的好壞 ，在此引入損耗系數(shù) (或稱為衰減系數(shù) )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(shù) ， 一般用 α表示損耗