情境2 光纤光缆0

1、1 光光 纤纤 通通 信信 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、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无损无畸变地地 传输。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。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？其传输特性、传输在实际系统中，光信号到

2、底如何传输？其传输特性、传输 能力究竟如何？能力究竟如何？ 2.1 2.1 光纤结构与类型光纤结构与类型 2.2 2.2 光纤的射线传输理论光纤的射线传输理论 2.3 2.3 光纤的波动传输理论光纤的波动传输理论 2.4 2.4 光纤传输特性光纤传输特性 2.5 2.5 光缆光缆 2.6 2.6 光纤的连接方法光纤的连接方法 光传输的最重要的组成元素是光纤光传输的最重要的组成元素是光纤 光纤的主要成分是二氧化硅（光纤的主要成分是二氧化硅（SiO2） 具有很好的光传播特性具有很好的光传播特性 光纤与铜线相比具有极低的损耗和几乎无限的带宽，不受光纤与铜线相比具有极低的损耗和几乎无限的带宽，不受 电

3、磁干扰和腐蚀电磁干扰和腐蚀 是光纤通信系统的重要组成部分是光纤通信系统的重要组成部分 光纤（光纤（OFOF，Optical FiberOptical Fiber）是一种高度透明的玻璃丝，由）是一种高度透明的玻璃丝，由 纯石英经复杂的工艺拉制而成。纯石英经复杂的工艺拉制而成。 一根实用化的光纤是由多层透明介质构成。一根实用化的光纤是由多层透明介质构成。 光纤光纤中心部分中心部分( (纤芯纤芯Core)Core)同心圆状包裹层同心圆状包裹层( (包层包层 Coating)Coating)表面涂覆层（表面涂覆层（JacketJacket） 光纤由纤芯、包层和涂覆层光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，

4、如部分组成，如下下图所示。图所示。 一、光纤的结构一、光纤的结构 纤芯的作用纤芯的作用约束光的传输约束光的传输 包层的作用包层的作用形成光波导效应形成光波导效应 纤芯和包层纤芯和包层合起来构成裸光纤，光纤的光学及传输特性主要由合起来构成裸光纤，光纤的光学及传输特性主要由 它决定。它决定。 ( (纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折射率对光纤的传输特性起着决定性的影响纤芯的粗细、纤芯材料和包层材料的折射率对光纤的传输特性起着决定性的影响) ) 涂覆层涂覆层是光纤的最外层，是光纤的最外层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆 层层（也称套塑）（也称套塑） 作用是作用是保护

5、光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤 的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用 实用光纤或通常所说的光纤是有涂覆层的光纤实用光纤或通常所说的光纤是有涂覆层的光纤. 光纤制作过程光纤制作过程 纤芯是光的传纤芯是光的传 输通道输通道 折射率略低折射率略低 于纤芯于纤芯 特点特点：n n1 1nn2 2光在芯和包层之间的界面上光在芯和包层之间的界面上 反复进行全反射，并在光纤中传递下去反复进行全反射，并在光纤中传递下去 光纤制作过程光纤制作过程 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主 要

6、在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离， 并起一定的机械保护作用。 1) 位置：光纤的中心部位位置：光纤的中心部位 2) 尺寸：直径尺寸：直径2a = 8（10）m mm 50（62.5） m mm（欧洲（欧洲/美国美国 标准）标准） 3) 材料：纤芯的主要成分是材料：纤芯的主要成分是石英（二氧化硅石英（二氧化硅SiO2 ），），掺有掺有 极少量的掺杂剂极少量的掺杂剂(二氧化锗二氧化锗GeO2，五氧化二磷，五氧化二磷P2O5)，作用，作用 是提高纤芯对光的折射率是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号，以传输光信号 纤芯纤芯 包层包层 位置：位于纤芯的周围位置：位于纤芯的周围 尺寸

7、：直径尺寸：直径2b = 125 m mm 材料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅材料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅 SiO2。而掺杂剂五氧化二硼。而掺杂剂五氧化二硼B2O3的作用则是适当降低包的作用则是适当降低包 层对光的折射率层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，使之略低于纤芯的折射率，即即n1 n2，它使得光信号能约束在纤芯中传输，它使得光信号能约束在纤芯中传输 1) 位置：位于光纤的最外层位置：位于光纤的最外层 2) 尺寸：涂覆后的光纤外径约为尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5 mm1.5 mm 3) 结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层结构和

8、材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a) 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b) 缓冲层一般为性能良好的填充油膏缓冲层一般为性能良好的填充油膏 (防水防水) c) 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物 4) 作用：作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加，同时又增加 了了光纤的机械强度与可弯曲性光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作，起着延长光纤寿命的作 用用 按截面折射率分布分类按截面折射率分布分类 阶跃型光纤阶跃型光纤 渐变型光纤渐变型光纤

9、 按传输模式数目分类按传输模式数目分类 单模光纤单模光纤 多模光纤多模光纤 按传输的工作波长分类按传输的工作波长分类 短波长光纤短波长光纤(0.85(0.85m)m) 长波长光纤长波长光纤(1.31(1.31m/1.55m/1.55m)m) 按套塑按套塑(二次涂覆层二次涂覆层)分类分类 松套光纤松套光纤 紧套光纤紧套光纤 阶跃型光纤（阶跃型光纤（SIFSIF，Step-Index FiberStep-Index Fiber） 渐变型光纤（渐变型光纤（GIFGIF，Graded-Index FiberGraded-Index Fiber） 光纤的光学特光纤的光学特 性决定于它的性决定于它的 折射

10、率分布折射率分布 阶跃型：阶跃型：( (又称为均匀光纤又称为均匀光纤)n n1 1nn2 2， 光在纤芯光在纤芯包层交界面上全反射包层交界面上全反射 前进。纤芯的折射率是均匀的。前进。纤芯的折射率是均匀的。 光纤中心芯到玻璃包层的折射率光纤中心芯到玻璃包层的折射率 是突变的，只有一个台阶。这种是突变的，只有一个台阶。这种 光纤的模间色散高，传输频带不光纤的模间色散高，传输频带不 宽，传输速率不能太高，只适用宽，传输速率不能太高，只适用 于短途低速通讯，比如：工控。于短途低速通讯，比如：工控。 渐变型：渐变型： （又称为非均匀光纤）（又称为非均匀光纤）包层折射率分布均匀，纤芯折射率中包层折射率分

11、布均匀，纤芯折射率中 心最大，沿纤芯半径方向到玻璃包层的折射率逐渐变小，可使高次心最大，沿纤芯半径方向到玻璃包层的折射率逐渐变小，可使高次 模的光按正弦形式传播，减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输模的光按正弦形式传播，减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输 距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并 能在光纤纤芯能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，包层交界面上产生全反射的传播光线， 就可以称为一个光的传播模式。就可以称为一个光的传播模式。

12、高次模（路径长）高次模（路径长）基模基模低次模（路径短）低次模（路径短） 纤芯纤芯 包层包层 v 按传导模的数目分类：按传导模的数目分类： 传导模传导模指能够在光纤中远距离传输的传播模式。指能够在光纤中远距离传输的传播模式。 (1)多模光纤多模光纤 当纤芯的几何尺寸（直径一般为当纤芯的几何尺寸（直径一般为50m）远大于光波远大于光波 波长波长(如如1.55m)时时，光纤剖面折射率分布为渐变型，外光纤剖面折射率分布为渐变型，外 径径125m。光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百 种传输模式，称为种传输模式，称为多模光纤多模光纤。 (2)单模光纤单模光纤 当

13、纤芯的几何尺寸较小（一般为当纤芯的几何尺寸较小（一般为8m10m ），与光波长在同一数量级，这时，光纤只允许一种，与光波长在同一数量级，这时，光纤只允许一种 模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止， 这样的光纤称为这样的光纤称为单模光纤单模光纤。 单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。单模光纤的折射率分布多呈阶跃性。 多模光纤（多模光纤（MMFMMF，Multi-Mode FiberMulti-Mode Fiber） 多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在 多模光纤中允许存在多个分离的传

14、导模。多模光纤中允许存在多个分离的传导模。 优点：优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用芯径大，容易注入光功率，可以使用LEDLED作为光源作为光源 缺点：缺点：存在存在模间色散模间色散，只能用于短距离传输，只能用于短距离传输 每个模式在光纤每个模式在光纤 中传播速度不同中传播速度不同 ，导致光脉冲在，导致光脉冲在 不同模式下的能不同模式下的能 量到达目的的时量到达目的的时 间不同，造成脉间不同，造成脉 冲展宽。冲展宽。 单模光纤（单模光纤（SMFSMF，Single Mode FiberSingle Mode Fiber） 只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。只能传输一种模式的光纤称为单模光

15、纤。 单模光纤中只能传输一个模式，可以完全消除多路径单模光纤中只能传输一个模式，可以完全消除多路径 色散色散 优点：优点：单模光纤只能传输基模单模光纤只能传输基模( (最低阶模最低阶模) )，它不存在，它不存在 模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽， 这对于高码速长途传输是非常重要的。这对于高码速长途传输是非常重要的。 缺点：缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合， 需要使用半导体激光器激励。需要使用半导体激光器激励。 单模光纤单模光纤SMF(Signal Mode Fiber)：仅允许一个模式

16、传播的光纤：仅允许一个模式传播的光纤 多模光纤多模光纤MMF(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式进行传播：同时允许多个模式进行传播 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤纤芯纤芯- -包层包层交界面交界面 上产生全反射的传播光线，就可以称为入射光的一个上产生全反射的传播光线，就可以称为入射光的一个传播模式传播模式 多模光纤多模光纤 单模光纤单模光纤 阶跃（突变）型多模光纤阶跃（突变）型多模光纤 光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播 信号畸变大信号畸变大 渐变型多模光纤渐

17、变型多模光纤 光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播 信号畸变较小信号畸变较小 单模光纤单模光纤 光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播 光纤中传输一个模式，信号畸变很小光纤中传输一个模式，信号畸变很小 直径直径5-10m直径直径50-200m直径直径50-200m 多模光纤和单模光纤的横截面图多模光纤和单模光纤的横截面图 u 多模光纤芯径多模光纤芯径 2a=50m/62.5m2a=50m/62.5m u 单模光纤芯径单模光纤芯径 2a=8m2a=8m10m10m n 包层外径包层外径 2b=125m2b=125m 短波长光纤

18、短波长光纤 波长为波长为850nm850nm 多模光纤主要用于短距离市话中继和专用通信网络等多模光纤主要用于短距离市话中继和专用通信网络等 长波长光纤长波长光纤 波长为波长为1300nm 1300nm 1600nm 1600nm 主要有主要有1310nm1310nm和和1550nm1550nm两个窗口两个窗口 单模光纤主要用于干线传输单模光纤主要用于干线传输 松套光纤松套光纤 光纤能在塑料套管内自由活动的是松套光纤，其耐侧压光纤能在塑料套管内自由活动的是松套光纤，其耐侧压 力和防水性能较好，便于成缆力和防水性能较好，便于成缆 紧套光纤紧套光纤 在一次涂覆的光纤外再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯塑在

19、一次涂覆的光纤外再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯塑 料套管，光纤在套管内不能自由活动，其耐侧压力稍差，料套管，光纤在套管内不能自由活动，其耐侧压力稍差， 但结构简单，外径较小，测量和使用方便但结构简单，外径较小，测量和使用方便 . 紧套光纤用于制造各种室内光缆的基本元件；用于作为尾纤，用于紧套光纤用于制造各种室内光缆的基本元件；用于作为尾纤，用于 各类光有源或无源器件的光连接；用于仪表或终端设备的光连接。各类光有源或无源器件的光连接；用于仪表或终端设备的光连接。 紧套光纤紧套光纤 松套光纤松套光纤 按光纤材料不同按光纤材料不同 (1)(1)石英光纤石英光纤 (2)(2)氟化物光纤氟化物光纤 (3)

20、(3)全塑光纤全塑光纤 现在实用的石英光纤通常有以下三种：现在实用的石英光纤通常有以下三种： 阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤 。 G.651G.651光纤（光纤（渐变多模光纤渐变多模光纤） 在在1310 nm1310 nm工作时，光纤有最小色散工作时，光纤有最小色散 在在13101310nmnm工作时，光纤有最小损耗工作时，光纤有最小损耗 G.651G.651光纤适用于中小容量和中短距离的传输，主要用于计光纤适用于中小容量和中短距离的传输，主要用于计 算机局域网。算机局域网。 G.652G.652光纤光纤( (常规单模光纤常规单模光

21、纤) ) 在在1310 nm1310 nm工作时，理论色散值为零工作时，理论色散值为零 在在1550 nm1550 nm工作时，传输损耗最低工作时，传输损耗最低 G.652G.652光纤光纤传输距离受损耗限制，适用于大容量传输，是传输距离受损耗限制，适用于大容量传输，是 目前应用最广的光纤。目前应用最广的光纤。 G.653G.653光纤光纤( (色散位移光纤色散位移光纤DSF)DSF) 零色散点从零色散点从1310 nm1310 nm移至移至1550 nm1550 nm， 同时同时1550 nm1550 nm处损耗最低处损耗最低 G.653 G.653光纤光纤是单波长超长距离传输的最佳光纤；但

22、这种是单波长超长距离传输的最佳光纤；但这种 色散位移光纤在色散位移光纤在1550nm1550nm色散为零，不利于多信道的色散为零，不利于多信道的WDMWDM 传输，用的信道较多时，信道间距变小，就会产生四传输，用的信道较多时，信道间距变小，就会产生四 波混频（波混频（FWMFWM），导致信道间发生串扰，阻碍了其应用。），导致信道间发生串扰，阻碍了其应用。 G.654G.654光纤光纤( (单单模光纤模光纤) ) 纤芯纯石英制造，在纤芯纯石英制造，在1550 nm1550 nm处衰减最小处衰减最小( (仅仅0.185dB/km)0.185dB/km)， G.654G.654光纤为性能最佳的单模光

23、纤，主要应用于远距离无需光纤为性能最佳的单模光纤，主要应用于远距离无需 插入有源器件的无中继海底光缆通信系统，其缺点是制造困插入有源器件的无中继海底光缆通信系统，其缺点是制造困 难，价格昂贵。难，价格昂贵。 G.655G.655光纤光纤( (非零色散位移光纤非零色散位移光纤NZDSF)NZDSF) 此光纤零色散波长不在此光纤零色散波长不在1550nm1550nm，而是在，而是在1525nm1525nm或或1585nm1585nm处，处， 光纤的衰减一般在光纤的衰减一般在0.190.190.25dB/km0.25dB/km，在，在153015301565nm1565nm波段波段 的色散为的色散为

24、1 16ps/(nmkm)6ps/(nmkm) G.655 G.655光纤光纤抑制了四波混频，可采用抑制了四波混频，可采用WDMWDM扩容，也可以开通高扩容，也可以开通高 速系统。速系统。 G.656G.656光纤（非零色散位移光纤）光纤（非零色散位移光纤） G.656 G.656光纤与光纤与G.655G.655光纤不同的是：光纤不同的是： 具有更宽的工作带宽具有更宽的工作带宽 色散斜率更小（更平坦）色散斜率更小（更平坦） G.656 G.656光纤适用于通道间隔为光纤适用于通道间隔为100GHz100GHz、传输速率为、传输速率为 40Gbit/s40Gbit/s，传输距离为，传输距离为40

25、0km400km的的DWDMDWDM或或CWDMCWDM系统的传输介系统的传输介 质。质。 2.2.12.2.1折射和折射率折射和折射率 光在均匀介质中总是沿直线传播光在均匀介质中总是沿直线传播 光线经过两种不同的介质的交界面时，会发生偏折光线经过两种不同的介质的交界面时，会发生偏折 在同一种介质中的偏折称为反射在同一种介质中的偏折称为反射 在不同介质中的偏折称为折射在不同介质中的偏折称为折射 光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为 v=c/n 式中：式中： c2.997105km/s，是光在真空中的传播速度；是光在真空中的传播速度； n是介质的是

26、介质的折射率折射率(空气的折射率为空气的折射率为1.00027，近似为，近似为1； 玻璃的折射率为玻璃的折射率为1.5左右左右)。 2.2.1 2.2.1 几何光学几何光学 1.1.全内反射全内反射 光（线）传输理论：光（线）传输理论： 当光线射到两种介质之间的当光线射到两种介质之间的 界面上时，一部分光线被反射界面上时，一部分光线被反射 ，形成，形成反射光线反射光线，而一部分被，而一部分被 折射，而形成折射，而形成折射光线折射光线，如图，如图 2-22-2所示。所示。 反射定律：反射定律： 1. 1. 反射光线保持在由入射光线与反射光线保持在由入射光线与 法线所构成的入射平面中；法线所构成的

27、入射平面中； 2. 2. 相对于入射光线来说，反射光相对于入射光线来说，反射光 线位于法线的相反侧；线位于法线的相反侧； 3. 3. 反射光线和入射光线分别与法反射光线和入射光线分别与法 线形成的夹角线形成的夹角1=21=2。 折射定律：折射定律： 如果是在各向同性的介质（如玻璃）如果是在各向同性的介质（如玻璃） 中，则由式菲涅尔折射定律可得出：中，则由式菲涅尔折射定律可得出： 光的入射角正弦光的入射角正弦sinsin与折射角正弦与折射角正弦 sinsin之比与其各自入射介质的折射之比与其各自入射介质的折射 率率n1n1与折射介质的折射率与折射介质的折射率n2n2成反比。成反比。 即有如下关系

28、式：即有如下关系式： 当光线由当光线由光密介质光密介质n1n1入射到入射到光疏介质光疏介质 n2n2的界面时，折射角的界面时，折射角大于入射角大于入射角 。 当当= 90= 900 0 时，光纤会沿着平行于两时，光纤会沿着平行于两 介质的界面传播，如图介质的界面传播，如图2-32-3所示的光所示的光 线。这时的入射角写成线。这时的入射角写成0 0 ，我们 ，我们 称它为两种介质的称它为两种介质的临界角临界角，如式（，如式（2-2- 3 3）所示。）所示。 即即临界角临界角由两种介质的折射率由两种介质的折射率n1n1和和n2n2 的比值决定的。的比值决定的。 对于入射角对于入射角大于临界角大于临

29、界角0 0的的 所有光线，在光疏介质中没有所有光线，在光疏介质中没有 对应的折射光线存在，这些光对应的折射光线存在，这些光 线在界面上全部被反射回光密线在界面上全部被反射回光密 介质中，这种现象称为介质中，这种现象称为全内反全内反 射射，如图，如图2-32-3所示的光线。所示的光线。 全反射现象全反射现象：在某种条件下，光线被关在一种介质中，不射到：在某种条件下，光线被关在一种介质中，不射到 另一种介质中的现象。另一种介质中的现象。 0 法线 n1 n2 1 2 3 4 1 3 4 2 临界角临界角0 0：折射角为：折射角为 9090时的入射角时的入射角 sino= n2 / n1 全反射条件

30、全反射条件： （1 1） n n1 1 n n2 2 （2 2）入 入 o o 光密物质（光密物质（n n1 1） 光疏物质（光疏物质（n n2 2） 光纤是利用光的全反射特性来导光的光纤是利用光的全反射特性来导光的 全反射全反射是光信号在光纤中传播的是光信号在光纤中传播的必要条件必要条件 。 入射光反射光 折射光 M N 0 入射光反射光 折射光 M N 0 入射光反射光 折射光 M N 0 入射光反射光 M N 0 n 1 n 2 1 M N 1 1 N M n 1 n 2 N M N M 1 (a)(b)(c)(d) n 1 n 2 n 1 n 2 全反射过程全反射过程 由此可知，由此可

31、知，全内反射全内反射只能发生在光由只能发生在光由光密介质光密介质入射到与入射到与光疏介质光疏介质的界面上，的界面上， 对于圆柱形光波导（纤），如果使对于圆柱形光波导（纤），如果使纤芯纤芯中心部分的折射率高于外中心部分的折射率高于外包层包层的折射的折射 率，就有可能在率，就有可能在纤芯纤芯和和包层包层之间满足全内反射，从而使光线之间满足全内反射，从而使光线“限制限制”在芯层在芯层 内并以锯齿形连续反射光纤形式在光纤中向前传输，直至传播到信息终端。内并以锯齿形连续反射光纤形式在光纤中向前传输，直至传播到信息终端。 2 2.2.2 .2.2 光的偏振光的偏振 光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播

32、方向垂直。如果光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果 光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光 称为线偏振光，如图称为线偏振光，如图c c和图和图d d所示。所示。 从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如图从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如图a a所所 示。示。 自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方向 的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光 称为部分

33、偏振光，如图称为部分偏振光，如图b b所示。所示。 2.2.2.2.3 3光在阶跃型光纤中的传播光在阶跃型光纤中的传播 阶跃型光纤的光射线种类阶跃型光纤的光射线种类 子午线是平面曲线，偏射线是空间曲线子午线是平面曲线，偏射线是空间曲线 子午射线子午射线 ： 通过纤芯轴线的光线通过纤芯轴线的光线 斜射线斜射线 ： 与光轴轴线不相交。与光轴轴线不相交。 以阶跃折射率光纤传播子午光线（与光纤轴心线相交）为以阶跃折射率光纤传播子午光线（与光纤轴心线相交）为 例例 阶跃折射率光纤的全反射图阶跃折射率光纤的全反射图 当当ccc时，相应的光时，相应的光 线将在交界面折射进入线将在交界面折射进入 包层并逐渐消

34、失，如光包层并逐渐消失，如光 线线3 3。 只有在半锥角为只有在半锥角为 c c 的圆锥内入射的光束才能在光纤中的圆锥内入射的光束才能在光纤中 传播传播 定义临界角定义临界角 c c的正弦为数值孔径（ 的正弦为数值孔径（NANA，Numerical Numerical Aperture) Aperture) NANA表示光纤接收和传输光的能力，表示光纤接收和传输光的能力，NANA（或（或c c）越大，光）越大，光 纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。 但但NANA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，会产生越大，经光纤传输后产生的信号

35、畸变越大，会产生 较为严重的模间色散，因而限制了信息传输容量。较为严重的模间色散，因而限制了信息传输容量。 引入一个物理量引入一个物理量相对折射率差相对折射率差。 它的表达式如（它的表达式如（2-12-1）式）式 在实际应用中，纤芯与包层的折射率数值相差无几。在实际应用中，纤芯与包层的折射率数值相差无几。 单模光纤单模光纤的相对折射率差的相对折射率差大约为大约为0.2%0.2%； 多模光纤多模光纤的相对折射率差的相对折射率差大约是大约是1%1%。 由于由于n1与与n2差别较小，所以差别较小，所以sin00，定义，定义sin0 为光纤的数值孔径为光纤的数值孔径NA： 光纤产生全反射时光纤端面最大

36、入射角的正弦值光纤产生全反射时光纤端面最大入射角的正弦值sin0称称 为光纤的数值孔径。一般用为光纤的数值孔径。一般用NA（Numerical Aperture） 表示，此式表示了光纤收集光的能力。表示，此式表示了光纤收集光的能力。 凡是入射光线的入射角小于圆锥角凡是入射光线的入射角小于圆锥角0以内的光线都可以满以内的光线都可以满 足全反射条件，将被束缚在纤芯中沿轴向传播。足全反射条件，将被束缚在纤芯中沿轴向传播。 可见，光纤的数值孔径与相对折射率差的平方根成正比，可见，光纤的数值孔径与相对折射率差的平方根成正比， 也就是说也就是说光纤纤芯与包层的折射率相差越大，则光纤的数光纤纤芯与包层的折射

37、率相差越大，则光纤的数 值孔径越大，其集光能力越强。值孔径越大，其集光能力越强。 2 2 2 110 2sinnnnNA 2.2.42.2.4光在渐变型光纤中的传播光在渐变型光纤中的传播 渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理 是利用光的全反射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型是利用光的全反射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型 的曲线向前传播。的曲线向前传播。 2.2 2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 入射角大的光线路径长，由于折射率的变化，光速在沿路径变入射角大的光线路径长，由于折射率的变化，光速在沿路径变 化，虽然沿

38、光纤轴线传输路径最短，但轴线上折射率最大，光化，虽然沿光纤轴线传输路径最短，但轴线上折射率最大，光 传播最慢。传播最慢。 斜光线大部分路径在低折射率的介质中传播，虽然路径长，但斜光线大部分路径在低折射率的介质中传播，虽然路径长，但 传输快。传输快。 通过合理设计折射率分布，使光线同时到达输出端，降低模间通过合理设计折射率分布，使光线同时到达输出端，降低模间 色散。色散。 5.5.子午子午射线射线在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹 光在阶跃折射率多模光纤中的传播，近似于光在阶跃折射率多模光纤中的传播，近似于曲折的锯齿曲折的锯齿形状形状 光在渐变折

39、射率多模光纤中的传播，近似于光在渐变折射率多模光纤中的传播，近似于正弦型的曲线正弦型的曲线 2.2 2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 子午射线子午射线在单模光纤中的传播轨迹在单模光纤中的传播轨迹 子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在 二维的平面内来分析，很直观。二维的平面内来分析，很直观。 2.2 2.2 光纤的导光原理光纤的导光原理 对模间色散问题更好的解决方案对模间色散问题更好的解决方案单模光纤单模光纤 单模光纤不存在模间色单模光纤不存在模间色 散，因此能进一步提高散，因此能进一步提高 信道容量。信道容量。 尽管几何光学的方法

40、很有用，但与严格的模式分析的尽管几何光学的方法很有用，但与严格的模式分析的 方法相比，有很多局限和不足方法相比，有很多局限和不足 早在早在1919世纪世纪6060年代，英国物理学家麦克斯韦就指出，年代，英国物理学家麦克斯韦就指出， 光波是波长很短的电磁波光波是波长很短的电磁波 波动光学的基础是经典的电磁场理论，即满足麦克斯波动光学的基础是经典的电磁场理论，即满足麦克斯 韦方程韦方程 光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种 介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复 杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论

41、、杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、 波动光学理论，甚至量子场论方面的知识。波动光学理论，甚至量子场论方面的知识。 为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光 原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光 纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光 波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题 的基本出发点。的基本出发点。 进入光纤的光分解成称为进入光纤的光分

42、解成称为“模式模式”的离散光束，模式是的离散光束，模式是 在光纤内部存在的稳定的电磁场模型。在光纤内部存在的稳定的电磁场模型。 每个模式可认为是以特定传播角传播的一个独立光束。每个模式可认为是以特定传播角传播的一个独立光束。 以不同角度入射到光纤的射线将形成光纤中不同的模式。以不同角度入射到光纤的射线将形成光纤中不同的模式。 完全沿着光纤中心轴线传播的模式称为完全沿着光纤中心轴线传播的模式称为“基模基模” 模式的传播角度越大，它的级就越高模式的传播角度越大，它的级就越高 最高级的模式就是以临界角传播的模式最高级的模式就是以临界角传播的模式 只支持一个模式（基模）的光纤被称作单模光纤只支持一个模

43、式（基模）的光纤被称作单模光纤 可支持多个模式的光纤为多模光纤可支持多个模式的光纤为多模光纤 多模光纤是一种传播多个模式的光纤，即它能够允许多个多模光纤是一种传播多个模式的光纤，即它能够允许多个 传导模通过传导模通过 多模光纤有两种结构多模光纤有两种结构 多模阶跃光纤多模阶跃光纤 结构简单、工艺易于实现，是早期的产品结构简单、工艺易于实现，是早期的产品 模式数目较多，因而模间延时较大，传输带宽较窄模式数目较多，因而模间延时较大，传输带宽较窄 多模渐变光纤多模渐变光纤 G.651光纤是多模渐变光纤光纤是多模渐变光纤 ITU-T对其主要参数作了严格的规定对其主要参数作了严格的规定 梯度型多模光纤梯

44、度型多模光纤 四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合见表四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合见表2-11。 四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合四种梯度型多模光纤的传输性能及应用场合 光纤 类型 芯/包直径 /m 工作波长 /m 带宽/MHz数值孔径 衰减系数/ dBkm-1 应用场合 Ala Alb Alc Ald 50/125 62.5/125 85/125 100/125 0.85，1.30 0.85，1.30 0.85，1.30 0.85，1.30 2001500 3001000 1001000 100500 0.200.24 0.260.29 0.260.30 0.260.29

45、0.81.5 0.82.0 2.0 3.04.0 数据链路、局域网 数据链路、局域网 局域网、传感等 局域网、传感等 只能传播一种模式的光纤称为单模光纤只能传播一种模式的光纤称为单模光纤 单模光纤两个基本的参数：单模光纤两个基本的参数： 截止波长截止波长 模场直径模场直径 截止波长是单模光纤的基本参量，也是单模光纤最基本参截止波长是单模光纤的基本参量，也是单模光纤最基本参 数数 光纤的光纤的截止波长与光纤的长度和弯曲状态有关截止波长与光纤的长度和弯曲状态有关 理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播 的的最小波长最小波长 截止波长条件

46、可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且 可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代 价减小到完全可以忽略的地步。价减小到完全可以忽略的地步。 单模光纤的标准与应用单模光纤的标准与应用 单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于 扩容等优点，作为一种理想的光通信传输媒介，在全世扩容等优点，作为一种理想的光通信传输媒介，在全世 界得到极为广泛的应用。界得到极为广泛的应用。 按照零色散波长和截止波长位移与否可将单模光纤分为按照零色散波长和截

47、止波长位移与否可将单模光纤分为 五种，国际电信联盟电信标准化部门五种，国际电信联盟电信标准化部门ITU-T在在2000年年 10月对其中四种单模光纤已给出建议：月对其中四种单模光纤已给出建议：G.652、 G.653、G.654和和G.655光纤。单模光纤的分类、名光纤。单模光纤的分类、名 称，称，IEC和和ITU-T命名对应关系如图命名对应关系如图2-10所示。所示。 注：注： 几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施 工对它们不产生变化，而传输特性则相反，它不影工对它们不产生变化，而传输特性则相反，它不影 响施工，但施工对传输特性将产生直接的影响。响

48、施工，但施工对传输特性将产生直接的影响。 光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变光信号经过一定距离的光纤传输后要产生衰减和畸变 幅度减小幅度减小 波形展宽波形展宽 产生信号衰减和畸变的主要原因是光纤中存在产生信号衰减和畸变的主要原因是光纤中存在损耗损耗和和 色散色散，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。，损耗和色散是光纤最重要的传输特性。 损耗导致脉冲幅度减小，限制系统的传输距离损耗导致脉冲幅度减小，限制系统的传输距离 色散导致脉冲展宽、畸变，限制系统的传输容量色散导致脉冲展宽、畸变，限制系统的传输容量 是光纤最重要的传输特性：是光纤最重要的传输特性： 即便是在理想的光纤中都存在损耗即便

49、是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗本征损耗 损耗损耗 一、损耗一、损耗 光纤损耗是限制光纤传输容量的一个因素，它是通信距离光纤损耗是限制光纤传输容量的一个因素，它是通信距离 的固有限制。的固有限制。 给定发送功率和接收机灵敏度条件下，损耗决定了从光发给定发送功率和接收机灵敏度条件下，损耗决定了从光发 送机到光接收机之间的最大距离，即光纤最大无中继传输送机到光接收机之间的最大距离，即光纤最大无中继传输 距离。距离。 损耗用损耗系数损耗用损耗系数( () )表示，单位为表示，单位为dB/kmdB/km。 （）10/L lg（P（0）/P（L）（dB/km） 或者或者（）-10/Llg（P（ L ）

50、/P（0） （dB/km）。）。 高琨指出只有光纤衰减下降至高琨指出只有光纤衰减下降至= 20dB/km= 20dB/km，光纤在通信中，光纤在通信中 的实际使用才可能开始。的实际使用才可能开始。 衰减衰减是表示光在光纤中传播时，平均是表示光在光纤中传播时，平均光功率光功率沿光纤长度方向呈指沿光纤长度方向呈指 数规律减少，即：数规律减少，即： 其中：其中： P P（0 0）大为在）大为在L=0L=0处注入光纤的光功率；处注入光纤的光功率； P P（L L）是传输到轴向距离）是传输到轴向距离L L处的光功率；处的光功率； 是衰减系数是衰减系数 光纤的损耗将导致传输信号的衰减，所以把光纤的损耗又称

51、衰减。光信号在光纤的损耗将导致传输信号的衰减，所以把光纤的损耗又称衰减。光信号在 光纤中传输，随着距离延长光的强度随之减弱，其规律为光纤中传输，随着距离延长光的强度随之减弱，其规律为 式中，式中，P（0）为输入光纤的光功率，即）为输入光纤的光功率，即z=0处注入光功率；处注入光功率；P（z）为传输）为传输 距离距离z处的光功率；处的光功率；（）为波长）为波长处的光纤衰减系数，当处的光纤衰减系数，当z=L时，光纤衰时，光纤衰 减系数定义为减系数定义为 （）10/Llg（P（0）/P（L）（dB/km）。）。 当工作波长为当工作波长为时，在光纤上两个相距时，在光纤上两个相距L km的总衰减的总衰减

52、A（），用下式表示：），用下式表示： A（）（）L（dB） 光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平的不断提高，即光纤损耗的不断降低光纤通信可以说是伴随着光纤制造水平的不断提高，即光纤损耗的不断降低 而发展起来的。光纤损耗是决定光纤通信系统中继距离的主要因素之一。造而发展起来的。光纤损耗是决定光纤通信系统中继距离的主要因素之一。造 成光纤损耗的原因很多，主要是成光纤损耗的原因很多，主要是吸收损耗、散射损耗和附加损耗。吸收损耗、散射损耗和附加损耗。 10/)( 10)0()( L PzP 常规光纤常规光纤 全波光纤全波光纤 OH 吸收峰 吸收峰 2 dB 损耗与波长有关。在短波长区域，光纤损耗大大增加

53、。损耗与波长有关。在短波长区域，光纤损耗大大增加。 常规单模光纤在常规单模光纤在1310 nm1310 nm处的损耗为处的损耗为0.5 dB/km0.5 dB/km左右，在左右，在 1550 nm1550 nm处的损耗为处的损耗为0.3 dB/km0.3 dB/km左右左右 在在1400 nm1400 nm附近有一个衰减峰值，这是光纤中水分子的吸收附近有一个衰减峰值，这是光纤中水分子的吸收 作用造成的作用造成的 19981998年朗讯科技（年朗讯科技（Luceng TechnologiesLuceng Technologies）全波（）全波（All All WaveTMWaveTM）光纤）光纤

54、 单模光纤的损耗谱特性已逐渐拉平，消除了三个吸收峰值，单模光纤的损耗谱特性已逐渐拉平，消除了三个吸收峰值， 获得了获得了0.80.81.6m1.6m整个波长段上具有较低损耗。可提供整个波长段上具有较低损耗。可提供50 50 THzTHz的带宽，这种光纤称为的带宽，这种光纤称为全波光纤全波光纤。 光纤损耗主要包括：光纤损耗主要包括： 材料的吸收损耗材料的吸收损耗 光纤的散射损耗光纤的散射损耗 光纤的附加损耗光纤的附加损耗 光纤材料吸收损耗包括光纤材料吸收损耗包括紫外吸收、红外吸收和杂质吸收紫外吸收、红外吸收和杂质吸收等，等， 它是材料本身所固有的，因此是一种它是材料本身所固有的，因此是一种本征吸

55、收损耗本征吸收损耗。 材料本身材料本身 ( (如如SiO2) SiO2) 的特性决定，即便波导结构非常完美的特性决定，即便波导结构非常完美 而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收。而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收。 1 1吸收损耗吸收损耗 （1 1） 紫外吸收紫外吸收 光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级，同时 引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围。（引起入射光的能量损耗，一般发生在短波长范围。（这种吸这种吸 收发生在紫外波长区，故通常为紫外吸收。）收发生在紫外波长区，故通常为紫外吸收。） 1 1吸收损耗吸收损耗 （2 2） 红外吸

56、收红外吸收 光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格， 使其振动加剧，从而引起的损耗。使其振动加剧，从而引起的损耗。 晶格晶格 1 1吸收损耗吸收损耗 （3 3）杂质吸收）杂质吸收 由氢氧根离子（由氢氧根离子（OHOH ) )和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、 和过渡金属离子，如铁、钴、镍、铜、 锰、铬等杂质对光的吸收而产生的损耗。锰、铬等杂质对光的吸收而产生的损耗。 解决方法：解决方法： 光纤材料化学提纯，比如达到光纤材料化学提纯，比如达到 99.9999999%99.9999999%的纯度的纯度 制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热

57、制造工艺上改进，如避免使用氢氧焰加热( ( 汽相轴向汽相轴向 沉积法沉积法) ) 1 1吸收损耗吸收损耗 光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完 善导致散射现象。包括：善导致散射现象。包括： 瑞利散射瑞利散射 波导散射波导散射 2 2散射损耗散射损耗 （1 1）瑞利散射）瑞利散射 定义：定义：纤芯折射率起伏不均匀引起光信号的散射。纤芯折射率起伏不均匀引起光信号的散射。 原因：原因：光纤在加热过程中，热扰动使原子产生压缩性光纤在加热过程中，热扰动使原子产生压缩性 的不均匀，造成密度不均匀，进一步造成折射率不均的不均匀，造成密度不均匀，进一步造成折射率不均

58、 匀。这种不均匀性在冷却过程中固定了下来并引起光匀。这种不均匀性在冷却过程中固定了下来并引起光 的散射。的散射。 瑞利散射一般发生在短波长区域，当波长在瑞利散射一般发生在短波长区域，当波长在1.01.0m m以以 上的波长范围时，散射损耗很小。上的波长范围时，散射损耗很小。 2 2散射损耗散射损耗 （2 2）波导散射）波导散射 定义：定义：理想的光纤具有完整圆柱对称性，实际上纤芯和理想的光纤具有完整圆柱对称性，实际上纤芯和 包层分界面上存在缺陷，芯径发生漂移，使光纤产生附包层分界面上存在缺陷，芯径发生漂移，使光纤产生附 加损耗。在大于光波长尺度上出现折射率的非均匀性而加损耗。在大于光波长尺度上

59、出现折射率的非均匀性而 引起的散射。引起的散射。 原因：原因：纤芯和包层的界面不完备，纤芯和包层的界面不完备， 圆度不均匀，残留气圆度不均匀，残留气 泡和裂痕等。泡和裂痕等。 措施：措施：目前的制造工艺基本可以克服波导散射。制造时目前的制造工艺基本可以克服波导散射。制造时 控制芯径漂移。控制芯径漂移。 2 2散射损耗散射损耗 多模光纤的损耗大于单模光纤：多模光纤的损耗大于单模光纤： 多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径多模光纤掺杂浓度高以获得较大的数值孔径 ( (本征散射大本征散射大) ) 由于纤芯由于纤芯- -包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶模式损耗包层边界的微扰，多模光纤容易产生高阶

60、模式损耗 多模光纤单模光纤 光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤光纤是柔软的，可以弯曲，可是弯曲到一定程度后，光纤 虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换虽然可以导光，但会使光的传输途径改变。由传输模转换 为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐为辐射模，使一部分光能渗透到包层中或穿过包层成为辐 射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。射模向外泄漏损失掉，从而产生损耗。 定义：定义：当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生当理想的圆柱形光纤受到某种外力作用时，会产生 一定曲率半径的弯曲，引起能量泄漏到包层中，这种由能一定曲率半径的弯曲，引起能量泄漏到包层中，这