光通信知识-光纤 ppt课件

1、光纤作为光纤通讯系统的物理传输媒光纤作为光纤通讯系统的物理传输媒介，有着宏大的优越性。介，有着宏大的优越性。本章首先引见光纤的构造与类型，然本章首先引见光纤的构造与类型，然后用射线光学实际和动摇光学实际重点分后用射线光学实际和动摇光学实际重点分析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简要引见光缆的构造、典型构造与光缆的型要引见光缆的构造、典型构造与光缆的型号。号。所示。所示。图图2.1 光纤构造表示图光纤构造表示图图图2.2 光纤的折射率分布光纤的折射率分布光纤的折射率变化可以用折射率光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数沿半径的分布函数n(r)来表示。来表

2、示。）（ 1 . 2 21arnarnr n单模光纤是只能传输一种方式的光纤，单模光纤是只能传输一种方式的光纤，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)，不存，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。带宽，这对于高码速传输是非常重要的。3. 按光纤的任务波长分类按光纤的任务波长分类按光纤的任务波长可以将光纤分为短按光纤的任务波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。模光纤和阶跃型单模光纤。模光纤和阶跃型单模光纤。率为率为1.45左右左右)。反射定律：反射

3、光线位于入射光线和反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决议的平面内，反射光线和入射光法线所决议的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：角，即：11。折射定律折射定律 ：折射光线位于入射光线和：折射光线位于入射光线和法线所决议的平面内，折射光线和入射光法线所决议的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin2个固定的平面内，并且不与光纤个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射的轴线相交，这种光线称为斜射线。线。图图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播光线在阶跃型

4、光纤中的传播图图2.9 光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况相位一致条件就是说：假设图中所示相位一致条件就是说：假设图中所示的这个方式在的这个方式在A、B处相位相等，那么经过处相位相等，那么经过一段传播间隔后，在一段传播间隔后，在A、B处也应该相位处也应该相位相等或相差相等或相差2的整数倍。的整数倍。光纤的相位一致条件也可以从另外一光纤的相位一致条件也可以从另外一个角度出发得到。根据物理学的知识可知：个角度出发得到。根据物理学的知识可知：波在无限空间中传播时，构成行波；而在波在无限空间中传播时，构成行波；而在有限空间传播时，构成驻波。有限空间传播时，构成驻波。一旦确定了光波导和光波

5、长，那么一旦确定了光波导和光波长，那么n1、n2、纤芯直径、纤芯直径2a以及真空中光的传播常数以及真空中光的传播常数k0也就确定了，而且式也就确定了，而且式(2-17)中的最大中的最大N值值也就确定了。也就确定了。对于渐变型多模光纤，同样，其导模对于渐变型多模光纤，同样，其导模不仅要满足全反射条件，还要满足相位一不仅要满足全反射条件，还要满足相位一致条件。致条件。在渐变型多模光纤中，低阶模由于接在渐变型多模光纤中，低阶模由于接近光纤轴线，其传播路程短，但接近轴线近光纤轴线，其传播路程短，但接近轴线处的折射率大，该处光线传播速度慢；高处的折射率大，该处光线传播速度慢；高阶模远离轴线，它的传播路程

6、长，但离轴阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小，该处光线的传播速度线越远折射率越小，该处光线的传播速度越快。越快。为了描画光纤中传输的方式数目，在为了描画光纤中传输的方式数目，在此引入一个非常重要的构造参数，即光纤此引入一个非常重要的构造参数，即光纤的归一化频率，普通用的归一化频率，普通用V表示，其表达式表示，其表达式如下：如下：）（19. 2 222200anCanankVmmm平面波是非常重要的波型，一些复杂平面波是非常重要的波型，一些复杂的波可以由平面波叠加得到。在折射率为的波可以由平面波叠加得到。在折射率为n的无限大的介质中，一任务波长为的无限大的介质中，一任务波长为0

7、的平的平面波在其中传播，其波数为：面波在其中传播，其波数为：式中：式中：k0是真空中的波数，是真空中的波数，是光的是光的角频率，角频率，和和分别是介质的导磁率和介电分别是介质的导磁率和介电常数常数,设平面波传播方向的单位矢量为设平面波传播方向的单位矢量为as，那么那么k = ask称为平面波在该介质中的波矢称为平面波在该介质中的波矢量。量。）（ 25. 2 200nknk ）（ a29. 2 120101jeREER ）（ b29. 2 220102jeTEET式中：式中：R、T都是复数，包括大小及都是复数，包括大小及相位。其模值分别表示反射波、传送波与相位。其模值分别表示反射波、传送波与入射

8、波幅度的大小之比；入射波幅度的大小之比；21、22是是R和和T的相角，分别表示在介质分界面上反射的相角，分别表示在介质分界面上反射波、传送波比入射波超前的相位。波、传送波比入射波超前的相位。 ）（ a29. 2 120101jeREER ）（ b29. 2 220102jeTEET）（33. 2 1sincos122212nnj）（40. 2 cos212122cossinsin2221112cjarctgjennneTT式中：式中：E为电场为电场强度矢量；强度矢量；D为电位为电位移矢量；移矢量；H为磁场强为磁场强度矢量；度矢量；B为磁感应为磁感应强度矢量。且强度矢量。且D与与E，B与与H有以

9、下关系。有以下关系。 ）（）（）（）（d44. 2 0c 44. 2 0b44. 2 a 44. 2BDEjHHjE）（）（b 45. 2 a 45. 2HBED ）（a 47. 2 2AAA ）（b47. 2 AAA对于同一类型的波，其场强在圆周方对于同一类型的波，其场强在圆周方向向(即即方向方向)或径向方向或径向方向(即即r方向方向)的分布情的分布情况又会有所区别，即电磁场的分布会不尽况又会有所区别，即电磁场的分布会不尽一样。一样。目前通讯誉光纤的相对折射率差目前通讯誉光纤的相对折射率差 1，称为弱导光纤。这种光纤可以近似，称为弱导光纤。这种光纤可以近似地用平面波束分析光的传播。地用平面波

10、束分析光的传播。所示。所示。图图2.16几个低阶模的场型几个低阶模的场型(实线为电力线，实线为电力线，虚线为磁力线，虚线为磁力线，g=2/) ）（ 85. 2 01122WUmB式 中 导 模 的 传 播 常 数 不 能 为 零 ，2211WU也 不 能 为 零 ， B也 不 能 为 零（ 如 果 A 、 B 同 时 为 零 ， 此 时 光 纤 中 不 存 在电 磁 场 ） ； 因 此 ， 只 有 m 0 。 TE0n和TM0 n模 归 一 化 截 止 频 率根 据 贝 塞 尔 函 数 的 性 质 ， 当W ? 0时 ， 有 如 下 的 近 似 式5 ： 当m 0时 ： ）（ a91. 2 2

11、ln0WWK 当m 0时 ： ）（ b91. 2 2! 121mmWmWK因 此 ： ）（ c91. 2 11WWK EHm n模 的 归 一 化 截 止 频 率 根 据EH模 的 特 征 方 程 （ 2.89） 式 和 （ 2.91b） 式 ， 在 临 界 状 态 下 有 ： 201012lim2! 1212!21limWmWmWWmUJUUJWmmWcmccm 从 而 得 到 ： ）（93. 2 0cmUJ H Em n模 的 归 一 化 截 止 频 率由 于 当W ? 0时 ， K0（ W ） 和Km（ W ） （ m 0） 的 近 似 公 式不 同 ， 在 这 里 要 分m 1和m 2

12、两 种 情 况 讨 论 。a. 当m 1时 。根 据H E模 的 特 征 方 程 （ 2.90） 式 和 （ 2.91a） 、 （ 2.91c） 式 ，在 临 界 状 态 下 有 ： WWWWWWKWKUJUUJWWWccc2lnlim12lnlimlim0010010从 而 得 到 ： ）（94. 2 001ccUJU式 （ 2.94） 就 是H E1n在 临 界 状 态 下 的 特 征 方 程 。 b.当m 2时根 据H E模 的 特 征 方 程 （ 2.90） 式 和 （ 2.91b） 式 ， 在 临 界 状 态 下 有 ： 1212!1212!221limlim120101mWmWWm

13、WWKWKUJUUJmmWmmWcmccm 从 而 得 到 ： ）（95. 2 121cmcmcUJmUJU 根 据 贝 塞 尔 函 数 的 递 推 公 式5 ）（ 96. 2 211cmccmccmUJUUJUUmJ将 式 （ 2.96） 代 入 式 （ 2.95） ， 得 ： ）（97. 2 022cmccmccmccmcUJUUJUUJUUJU式 中 ： 如 果U c 0， 则 0000011mmcmccmJJUJUUJ， 成 为 不 定 型 ，所 以U c 0， 只 有 ： ）（98. 2 02cmUJ 式 （ 2.98） 就 是H Em n （ m 2） 模 在 临 界 状 态 下

14、的 特 征 方 程 。 T E0n模 和 T M0 n模 远 离 截 止 时 的 U值 将 式 （ 2.101） 代 入 T E模 和 T M 模 的 特 征 方 程 （ 2 .88）式 中 ， 可 得 到 ： 01limlim0101WWWKWKUUJUJWW从 而 得 到 ： ）（101. 2 01UJ E Hm n模 远 离 截 止 时 的 U值将 式 （ 2 .1 0 1 ） 代 入 E H模 的 特 征 方 程 （ 2 .9 0 ） 式 中 ，可 得 到 ： 01limlim11WWWKWKUUJUJWmmWmm从 而 得 到 ： ）（102. 2 01UJm式 （ 2 .1 0 3

15、 ） 就 是 E Hm n模 远 离 截 止 时 特 征 方 程 。 图图2.21光缆的典型构造表示图光缆的典型构造表示图根据光纤的种类，光缆可以分为多模根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆；光缆、单模光缆；根据光纤套塑的种类，光缆可以分为根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆；带状式多芯单元光缆；根据光纤芯数的多少，光缆可以分为根据光纤芯数的多少，光缆可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；单芯光缆和多芯光缆等等；根据加强构件的配置方式，光缆可以根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆分为中心加

16、强构件光缆(如层绞式光缆、骨如层绞式光缆、骨架式光缆等架式光缆等)、分散加强构件光缆、分散加强构件光缆(如束管如束管式光缆式光缆)和护层加强构件光缆和护层加强构件光缆(如带状式光如带状式光缆缆)；根据敷设方式，光缆可以分为管道光根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；根据护层资料性质，光缆可以分为普根据护层资料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。图图2.22 光缆的型式代号光缆的型式代号表 2 . 4 外 护 层 的 代 号 及 意 义代 号铠 装 层代 号外 被 层0无0无1 1纤 维 层2双 钢 带2聚 氯 乙 烯 套3细 圆 钢 丝3聚 乙 烯 套4粗 圆 钢 丝5单 钢 带 皱 纹 纵 包其中其中a表示运用波长的代号，其数字表示运用波长的代号，其数字代号规定如下：代号规定如下：1：运用波长在：运用波长在0.85m区域；区域；2：运用波长在：运用波长在1.31m区域；区域；3：运用波长在：运用波长在1.55m区域。区域。bb表示损耗系数的代号，其