第02章 光纤和光缆ppt课件

1、光纤作为光纤通信系统的物理传输媒光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。介，有着巨大的优越性。本章首先介绍光纤的结构与类型，然本章首先介绍光纤的结构与类型，然后用射线光学理论和波动光学理论重点分后用射线光学理论和波动光学理论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，最后简要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号。号。所示。所示。图图2.1 光纤结构示意图光纤结构示意图图图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 21arnarnrn单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤是只能传输一种模式的光纤，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. 按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长可以将光纤分为短按光纤的工作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定的平面内，反射光线和入射光法线所决定的平面内，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定的平面内，折射光线和入射光法线所决定的平面内，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：如果图中所示相位一致条件就是说：如果图中所示的这个模式在的这个模式在A、B处相位相等，则经过一处相位相等，则经过一段传播距离后，在段传播距离后，在A、B处也应该相位相处也应该相位相等或相差等或相差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，形成行波；而在波在无限空间中传播时，形成行波；而在有限空间传播时，形成驻波。有限空间传播时，形成驻波。一旦确定了光波导和光波长，

5、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，低阶模由于靠在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线近光纤轴线，其传播路程短，但靠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，它的传播路程长，

6、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。为了描述光纤中传输的模式数目，在为了描述光纤中传输的模式数目，在此引入一个非常重要的结构参数，即光纤此引入一个非常重要的结构参数，即光纤的归一化频率，一般用的归一化频率，一般用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，一工作波长为的无限大的介质中，一工作波长为0的

7、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，则则k = ask称为平面波在该介质中的波矢量。称为平面波在该介质中的波矢量。）（ 25. 2 200nknk ）（a29. 2 120101jeREER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、传递波与相位。其模值分别表示反射波、传递波与入射波幅度的大小之比；入射波幅度的大小之比；21、22是是

8、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、传递波比入射波超前的相位。波、传递波比入射波超前的相位。 ）（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有下列关系。有下列关系。）（）（）（）（d44. 2 0c44. 2 0b44. 2 a44. 2BD

9、EjHHjE）（）（b45. 2 a45. 2HBED ）（a47. 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相同。相同。目前通信用光纤的相对折射率差目前通信用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

10、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 m0。 TE0n和 TM0n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 m0 时： ）（a91. 2 2ln0WWK当 m0 时： ）（b91. 2 2!121mmWmWK因此： ）（c91. 2 11WWK EHmn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!21

11、limWmWmWWmUJUUJWmmWcmccm 从而得到：）（ 93. 2 0cmUJ HEmn模的归一化截止频率由于当 W? 0 时，K0（W）和 Km（W） （m0）的近似公式不同，在这里要分 m1 和 m2 两种情况讨论。a. 当 m1 时。根据 HE 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 HE1n在临界状态下的特征方程。 b.当 m2 时根据 HE 模的特征方程（2.90）式和（2.91b）

12、式，在临界状态下有： 1212!1212!221limlim120101mWmWWmWWKWKUJUUJmmWmmWcmccm 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 Uc0，则 0000011mmcmccmJJUJUUJ，成为不定型，所以 Uc0，只有： ）（ 98. 2 02cmUJ 式（2.98）就是 HEmn （m2）模在临界状态下的特征方程。 TE0n模和

13、TM0n模远离截止时的 U 值将式 （2.101） 代入 TE 模和 TM 模的特征方程 （2.88）式中，可得到： 01limlim0101WWWKWKUUJUJWW从而得到： ）（ 101. 2 01UJ EHmn模远离截止时的 U值将式（2.101）代入 EH模的特征方程（2.90）式中，可得到： 01limlim11WWWKWKUUJUJWmmWmm从而得到： ）（ 102. 2 01UJm式（2.103）就是 EHmn模远离截止时特征方程。 图图2.21光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图根据光纤的种类，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

14、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

15、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；根据护层材料性质，光缆可以分为普根据护层材料性质，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11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表示使用波长的代号，其数字表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：代号规定如下：1：使用波长在：使用波长在0.85m区域；区域；2：使用波长在：使用波长在1.31m区域；区域；3：使用波长在：使用波长在1.55m区域。区域。bb表示损耗系数的代号，其数字依次表示损耗系数的代号，其数字依次为光缆