第2章光纤和光缆

1、第2章 光纤和光缆内容提要光纤结构(结构和分类)光缆结构(结构、种类和型号)光纤传输原理单模光纤多模光纤光纤使用特性和产品介绍第2章 光纤和光缆 第1节 光纤的结构1. 光纤结构 仅有纤芯和包层的光纤称为裸光纤 光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。2-1光纤的结构 第2章 光纤和光缆 (1)纤芯(位于光纤的中心部位) 直径d1=4m50m，单模光纤的纤芯为4m10m，多模光纤的纤芯为50m。 纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。(2)包层(位于纤芯的周围) 直径d2=125m，其成分也是含有极

2、少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。 包层材料通常是均匀材料，折射率为常数；如有多层包层，则各包层的折射率不同。第2章 光纤和光缆（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 为满足不同的导光有求，包层有的是单层，有的是多层；二次涂覆层是在一次涂覆层的外面涂上一层热塑材料，故又称为套塑。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械

3、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。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。 第2章 光纤和光缆2光纤的分类按纤芯中折射率分布：阶跃折射率光纤和渐变 折射率光纤按传输模式的数量：单模光纤和多模光纤按传输波长分类： 短波长光纤和长波长光纤按二次涂覆层(套塑) 分： 松套光纤和紧套光纤按光纤材料分类：石英光纤，塑料光纤，氟化物 光纤第2章 光纤和光缆按纤芯中折射率分布分类 下图中所示为两种典型光纤的折射率分布情况。 一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图2-2(a)、(b)所示。图2-2光纤的折射率分布第2章 光纤和光缆 (1)阶跃

4、折射率光纤 折射率分布：光线光线n2n1nr2b2a(a)单模阶跃折射率光纤(b)多模阶跃折射率光纤光线光线r2b2ann1n212,nrannarb图2-3 阶跃折射率光纤示意图第2章 光纤和光缆(2)渐变折射率光纤 折射率分布 ： r是光纤的径向半径；参数 决定折射率形式，当 时，为抛物线型光纤，当 时即为阶跃型光纤； 为相对折射率差，其值越大，把能量束缚在纤芯中传输的能力越强。1/ 21212(),( ),rnran ranarb图2-4 渐变折射率光纤光线r2b2ann1n22第2章 光纤和光缆 按传输模式数量的分类 传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波

5、长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播，这些不同传播方向的光线称为模式。图2-5 光在阶跃折射率光纤中的传播第2章 光纤和光缆 (1)多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。 (2)单模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1 ）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1 在4m10m范围，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，这样的光纤称为单模光纤。第2章 光纤和光缆 光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播图2-6 光在多模光纤中

6、的传播第2章 光纤和光缆 图2-7 光在单模光纤中的传播轨迹第2章 光纤和光缆 按传输波长分类 光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。 短波长光纤的波长为0.85m（0.8m0.9m） 长波长光纤的波长为1.3m1.6m，主要有 1.31m和1.55m两个窗口。第2章 光纤和光缆 按套塑(二次涂覆层)分类 可分为松套光纤，紧套光纤。光纤能在套管中活动的叫松套光纤，否则叫紧套光纤按光纤制造材料分类 分为石英光纤、塑料光纤和氧化物光纤等。目前通信上使用的是石英光纤。第2章 光纤和光缆 第 2节 光缆的结构和种类1光缆的结构 光缆由缆芯、护层和加强芯组成。（1）缆芯 缆芯内有光纤、光纤套管或骨架和加强元

7、件(必要时还有铜线)，在缆芯内还需填充油膏。加强元件的作用是承受光缆敷设时的拉力，以增加光缆的机械强度；铜线多用于远距离供电回路，向无电力的中继站提供电源；油膏具有可靠的防潮性能，防止潮气在缆芯中扩散。 注意：当缆芯中含有铜线或金属加强元件时，光缆就失去能抵抗御电磁干扰的优良性能。因此在雷电和强电影响严重地区，选用玻璃纤维增强塑料作为缆芯的加强元件，缆芯内不加铜线。 第2章 光纤和光缆 缆芯根据光纤的芯数可分为单芯型和多芯型两种。（2）护层 护层主要是对已成缆的光纤芯线起保护作用，避免受外界机械力和环境损坏。护层可分为内护层（多用聚乙烯或聚氯乙烯等）和外护层（多用铝带和聚乙烯组成的LAP外护套

8、加钢丝铠装等）。（3）加强芯 加强芯主要承受敷设安装时所加的外力。第2章 光纤和光缆 图2-8 光缆实物图第2章 光纤和光缆 2各种典型结构的光缆 （1）层绞式结构光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。层绞式结构光缆类似传统的电缆结构，故又称之为古典光缆。 图2-9图2-13所示是目前在市话中继和长途线路上采用的几种层绞式结构光缆的示意图（截面）。 第2章 光纤和光缆 图2-10 12芯松套层绞式直埋光缆图2-9 6芯紧套层绞式光缆 第2章 光纤和光缆 图2-11 12芯松套层绞式直埋防蚁光缆 第2章 光纤和光缆 图2-12 648芯松套层绞式水底光缆 第2章 光纤和光缆图2-13

9、12芯松套+8芯2线对层绞式直埋光缆 第2章 光纤和光缆 （2）骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。 骨架结构有中心增加螺旋型、正反螺旋型、分散增强基本单元型，图2-14（b）为螺旋型结构，图2-15为基本单元结构。目前，我国采用的骨架式结构光缆，都是采用如图2-13所示的结构。图2-16所示是采用骨架式结构的自承式架空光缆。 第2章 光纤和光缆图2-14 12芯骨架式光缆 第2章 光纤和光缆 图2-15 70芯骨架式光缆 第2章 光纤和光缆 图2-16 骨架式自承式架空光缆 第2章 光纤和光缆 （3）束管式结构光缆 把一次涂覆光

10、纤或光纤束放入大套管中，加强芯配置在套管周围而构成。 图2-17所示的光缆结构即属护层增强构件配制方式。 图2-18、2-19所示是属于分散加强构件配置方式的束管式结构光缆。 另图2-21所示的浅海光缆实际上就是双层加铠装束管式光缆。 第2章 光纤和光缆图2-17 12芯束管式光缆 第2章 光纤和光缆 图2-18 648芯束管式光缆 第2章 光纤和光缆 图2-19 LEX束管式光缆 第2章 光纤和光缆 （4）带状结构光缆 把带状光纤单元放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。如图2-20、2-21所示。图2-20 中心束管式带状光缆图2

11、-21 层绞式带状光缆 第2章 光纤和光缆 （5）单芯结构光缆 单芯结构光缆简称单芯软光缆，如图2-22所示。 这种结构的光缆主要用于局内（或站内）或用来制作仪表测试软线和特殊通信场所用特种光缆以及制作单芯软光缆的光纤。图2-22 单芯软光缆 第2章 光纤和光缆 （6）特殊结构光缆 特殊结构的光缆，主要有光/电力组合缆、光/架空地线组合缆和海底光缆和无金属光缆。这里只介绍后两种。 海底光缆 有浅海光缆和深海光缆两种，图2-23所示为典型的浅海光缆，图2-24所示是较为典型的深海光缆。 无金属光缆 无金属光缆是指光缆除光纤、绝缘介质外（包括增强构件、护层）均是全塑结构，适用于强电场合，如电站、电

12、气化铁道及强电磁干扰地带。 第2章 光纤和光缆 图2-23 浅海光缆 第2章 光纤和光缆 图2-24 深海光缆 第2章 光纤和光缆 光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的分类有： 1.按传输性能、距离和用途分 可分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆。 2.按光纤的种类分 可分为多模光缆、单模光缆。 3.按光纤套塑方法分 可分为紧套光缆、松套光缆、束管式光缆和带状多芯单元光缆。 4.按光纤芯数多少分 可分为单芯光缆、双芯光缆、四芯光缆、六芯光缆、八芯光缆、十二芯光缆和二十四芯光缆等。 第2章 光纤和光缆 5.按加强件配置方法分 光缆可分为中心加强构件光缆（如层绞式光缆、骨架式光缆等）、分

13、散加强构件光缆（如束管两侧加强光缆和扁平光缆）、护层加强构件光缆（如束管钢丝铠装光缆）和PE外护层加一定数量的细钢丝的PE细钢丝综合外护层光缆。 6.按敷设方式分 光缆可分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆。 7.按护层材料性质分 光缆可分为聚乙烯护层普通光缆、聚氯乙烯护层阻燃光缆和尼龙防蚁防鼠光缆。 第2章 光纤和光缆 8.按结构方式分 光缆可分为扁平结构光缆、层绞式结构光缆、骨架式结构光缆、铠装结构光缆（包括单、双层铠装）和高密度用户光缆等。 9.目前通信用光缆可分为 （1）室(野)外光缆用于室外直埋、管道、槽道、隧道、架空及水下敷设的光缆。 （2）软光缆具有优良的曲挠性能的可移动光

14、缆。 （3）室（局）内光缆适用于室内布放的光缆。 （4）设备内光缆用于设备内布放的光缆。 （5）海底光缆用于跨海洋敷设的光缆。 （6）特种光缆除上述几类之外，作特殊用途的光缆。 第2章 光纤和光缆 光缆型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。 （1）光缆型式由五个部分组成，如图2-25所示。图2-25 光缆型式的组成部分光缆型号光缆型号第2章 光纤和光缆 图中： ：分类代号及其意义为： GY通信用室（野）外光缆； GR通信用软光缆； GJ通信用室（局）内光缆； GS通信用设备内光缆； GH通信用海底光缆； GT通信用特殊光缆。 ：加强构件代号及其意义为： 无符号金属加强构件； F

15、非金属加强构件； G金属重型加强构件； H非金属重型加强构件。 第2章 光纤和光缆 ：派生特征代号及其意义为： D光纤带状结构； G骨架槽结构； B扁平式结构； Z自承式结构。 T填充式结构； J光纤紧套被覆结构 X 中心束管结构 ： 护层代号及其意义为； Y聚乙烯护层； V聚氯乙烯护层； U聚氨酯护层； A铝-聚乙烯粘结护层； L铝护套； G钢护套； Q铅护套； S钢-铝-聚乙烯综合护套。第2章 光纤和光缆 ：外护层的代号及其意义为： 外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义如表2-1所示。 表2-1 外护层代号及其意义代 号铠装层（方式）代 号外护层（材料）0无铠装层0无

16、外护层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4聚乙烯套加覆尼龙套5单钢带皱纹纵包5聚乙烯保护 第2章 光纤和光缆 （2）光缆规格由五部分七项内容组成，如图2-26所示。图2-26 光缆的规格组成部分 第2章 光纤和光缆 图中： 光纤数目用1、2、，表示光缆内光纤的实际数目。： 光纤类别的代号及其意义。 J二氧化硅系多模渐变型光纤； T二氧化硅系多模突变型光纤； Z二氧化硅系多模准突变型光纤； D二氧化硅系单模光纤； X二氧化硅纤芯塑料包层光纤； S塑料光纤。： 光纤主要尺寸参数 用阿拉伯数（含小数点数）及以m为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径

17、。 第2章 光纤和光缆 ：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。 a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下： 1波长在0.85m区域； 2波长在1.31m区域； 3波长在1.55m区域。 注意，同一光缆适用于两种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。 bb表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。 cc表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHzkm）的千位和百位数字。单模光纤无此项。 第2章 光纤和光缆 ：适用温度代号及其意义。 A适用于40+40

18、B适用于30+50 C适用于20+60 D适用于5+60 第2章 光纤和光缆 光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如图2-27所示。其符合有关电缆标准中导电线芯规格构成的规定。图2-27 光缆中附加金属导线编号示意图 例如，2个线径为0.5mm的铜导线单线可写成210.5；4个线径为0.9mm的铝导线四线组可写成440.9L；4个内导体直径为2.6mm，外径为9.5mm的同轴对，可写成42.6/9.5。 第2章 光纤和光缆（3）光缆型号例题 设有金属重型加强构件、自承式、铝护套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125m的二氧化硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测

19、的铜线径为0.9mm的四线组，且在1.31m波长上，光纤的损耗常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于800MHzkm；光缆的适用温度范围为20+60。 该光缆的型号应表示为： GYGZL03-12T50/125（21008）C+540.9。 第2章 光纤和光缆光的波粒二象性 光的波粒二象性是指光同时以一个粒子和一个波的形式存在：频率高的光子，其波长短，波长越短波动性就越难观察（干涉和衍射），即粒子性越强； 频率低，波长长的光子表现出的波动性强。 第2章 光纤和光缆第3节光纤传输原理 几何光学分析法(光的粒子性) 用射线光学理论分析光纤中光传输特性的方法（光的波长远小于光纤尺寸） 波动方程分

20、析法(光的波动性) 基于电磁场理论，在麦克斯韦方程的基础上运用光纤纤芯与包层分界面的边界条件，能导出光纤中光场的分布形式，得到光在光纤中的传播特性 （光的波长与光纤尺寸相当） 第2章 光纤和光缆几何光学和波动理论的比较 几何光学波动理论使用条件适用光纤多模光纤单模等各种光纤基本方程射线方程波动方程研究内容光线轨迹模式分布ddd第2章 光纤和光缆几何光学分析法 由于光波长很短，相对而言光纤的几何尺寸要大得多，可用光线代表其传播方向。这时可将光波在光纤中的传输视为光线的传输，用几何光学的方法来处理光纤中的传输问题。第2章 光纤和光缆1全内反射 v折射率和折射 光线在不同的介质中以不同的速度传播，描

21、述介质的这一特征的参数就是折射率，折射率可由下式确定：n = c/v 其中是光在某种介质中的速度，是光在真空中的速度。 在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。不同介质的折射率材料空气水玻璃石英钻石折射率1.0031.331.521.891.432.42 第2章 光纤和光缆 当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则：1 = 3 n1sin 1 = n2sin 2 光密介质：折射率较大的介质光疏介质：折射率较小的介质入射光反射光折射光123n1

22、n2界面(光疏介质)(光密介质)入射光反射光折射光123n1n2界面(光密介质)(光疏介质)第2章 光纤和光缆 由斯涅耳定律可知，当光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角； 反之，光由光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角。在这种情况下，随着入射角的增大，折射角也增大，当 时，折射光将沿着分界面传播，此时对应的入射角 称为临界入射角，记为02901c入射光反射光折射光129003n1n2界面(光密介质)(光疏介质)入射光反射光13n1n2界面(光密介质)(光疏介质)全反射示意图0221sinsin90 ,arcsinccnnn1则n得出第2章 光纤和光缆 v 全内反射（全反射）全内反射

23、（全反射） 当入射光的入射角 时，所有的光将被反 射回入射介质，这种现象称之为全反射v 全反射在光纤通信中的应用全反射在光纤通信中的应用： 光纤中光的传播主要是利用了光的全反射原理：光纤纤芯的折射率大于包层折射率，在纤芯与包层的分界面上，光发生全反射，沿着光纤轴线曲折前进。1c第2章 光纤和光缆v光纤中光线的分类子午光线：在与光纤轴线构成的平面(子午线)内传输斜光线：在传播的过程中不固定在一个平面内(b)斜光线（a) 子午光线n1n2子午光线和斜光线第2章 光纤和光缆2数值孔径数值孔径 数值孔径是光纤一个非常重要参数，它体现了光纤与光源之间的耦合效率 光源与光纤端面之间存在着空气缝隙，入射到光

24、纤端面上的光，一部分是不能在光纤中传输的，只有符合特定条件的光才能在光纤中产生全内反射而传播到远方。第2章 光纤和光缆 数值孔径的推导c c包层包层n n2 2纤芯纤芯n n1 1包层包层n n2 20 0c c光光 源源空气空气n n0 01 1光纤端面光纤端面光源出射光与光纤的耦合12221212221211/221/222211112012000010000101,00()()(1sinsincos(1 sin)1 ()sinsinsin90sinsinccccccccnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn0又n则 称NA=则为光纤的数值孔径NA：NA=由斯涅尔定律得 ，式中，与临界入

25、射角之间的关系为11222212211122112222()222)nnnnnn第2章 光纤和光缆 1122102200120021arcsin 1arcsin90arcsin,ccccccccnnnnnn ：临界传播角：临界入射角：最大接收角越大，即纤芯与包层的折射率之差越大，光纤捕捉光线的能力越强与三个角度的不同含义第2章 光纤和光缆 纤芯纤芯包层包层 n2nnnn11-2(r/a)1/2渐变折射率光纤中光线的传播方式（自聚焦）2222max( )( )( )( )( )(0)( ),(0)( )( )n rNA rn rn aNA rnn ann an r渐变折射率光纤数值孔径：由于渐变

26、折射率光纤的径向折射率分布是变化的，可表示为最大理论数值孔径 其中：纤芯中心处折射率 纤芯边缘处折射率 离轴线r处折射率第2章 光纤和光缆 3传播时延和时延差 传播时延：沿z轴方向传播单位距离时间，用表示 ： 传播时延差：两条路经光线传播的时延差1cospntzc1121211coscosnc rLpzpQPn1n20z子午光线在光纤中的传播/ cos/cospppLzanztvcnca第2章 光纤和光缆最大时延差概念：沿z轴方向传播的光线（最低模式）与以最大传播 角传播的光线（最高模式）的传播时延差。 由 得出 模式色散引起的脉冲展宽max1212ncncmaxmax阶跃折射率光纤：渐变折射

27、率光纤：111maxcoscnnnccc1121211coscosncmax,tLL 为光纤长度第2章 光纤和光缆4通信容量 表示方法：带宽*距离；比特率*距离。 估算方法:光脉冲传输距离L后展宽t不超过系统比 特周期的四分之一： 阶跃型光纤通信容量： 渐变型光纤通信容量： 由于远远小于1，可见渐变光纤大大提高了通信容量，降低了模式色散。14cBLn212cBLn114nLcB 第2章 光纤和光缆波动方程分析法 几何光学分析法虽然可直观得得到光线在光纤中传输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了解光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性，对光纤的传输特性只能提供近似的结果。 波动分析

28、法是把光纤中的光作为经典电磁场来处理，从麦克斯韦方程组出发，根据光纤的边界条件严格求解，得到光纤中电磁场的各种分布状态，给出波导中容许模式，从而给出光纤中完善的场描述 ，结论精确。 第2章 光纤和光缆1光波的基本理论(1)平面波(均匀平面波) 均匀平面波是指在与传播方向垂直的无限大的平面上，电场强度E和磁场强度H的幅度和相位都相等的波形，简称平面波。 为方便起见，常用指数形式来表示平面波，即 其中 ， 是光波的角频率； 是振幅；k是传播常数或波数， ， 是介质中光波的波长； 是初始相位常数。 )(0)(0)(000kztjxkztjjkztjxeEeeEeEE000jxeEE0E02 /k 第

29、2章 光纤和光缆 在传播常数公式中 ，k为光在介质中的传播波波数 ； 为光在介质中的光波波长， 令 为光在真空中的波长， 为光在真空中的波数，由 ，可得002nkk n00k0/n2 /k 第2章 光纤和光缆 (2)沿着z方向传播的行波表达式 上式是表达式的一种特殊形式，只考虑电场（实数部分），不考虑磁场（虚数部分）的情况。 电场是个有方向的量，上式中电场的指向是在x方向上且大小随时间t和传输距离z变化，如果将电场写成一般表达式，设它沿r方向传播，则有 在直角坐标系中， 其中 ， 和 分别称为传播常数在直角坐标系中的分量00( , )cos()xE t zEtkz)(0)(0)(000kztj

30、xkztjjkztjxeEeeEeEE00( , )cos()E t rEtk r().()x xyyz zxyzxyzk ra ka ka ka x a y a zk x k y k z xkykzk第2章 光纤和光缆(3)电场和磁场的关系 电场和磁场并不是相互独立的：电场会产生同频率的磁场，反之，磁场也会产生电场。所以电场和磁场总是同时存在的，它们频率相同，方向相互垂直。第2章 光纤和光缆 电磁波功率流密度的表达式 电场与磁场在数量上满足关系 式中， 称为波阻抗，量纲为 ； 和 分别为介质的磁导率和介电常数。 在真空中，SE HxyEH712002000410/ ,8.85 10/ ,rr

31、H mF mn 一般介质中，为相对介电常数，n为折射率第2章 光纤和光缆(4)几个基本概念v 相速度 相速度是电磁波等相位点的传播速度。 如果将观察点固定于波形的某个点，可以看到此点以匀速向z方向传播，因为该点对应的相位为常数，我们就将波传播的速度称为相速度。 由 ，得出相速度与介质的折射率有关。在光密介质中，光传输得慢些。在各向同性介质中，折射率n为一常数，不随介质方向而改变。在各向异性介质中，n随介质方向的不同而改变。 0tkz常数0011nkdtdzp第2章 光纤和光缆 v群速度 群速度：光源发出的光波并不是单一频率的电磁波， 其光谱具有一定的宽度，从形式上看是一光 包络，该包络向前传播

32、的速度称为群速度 表达式： 由 ，且 得出 式中， 称为群折射率 群速度也是能量以及信息传输的速度。ggdccdndkNndgddk)2)(nckpgdnNnd)(nn 第2章 光纤和光缆v偏振 偏振是电磁理论一个重要概念，反映了在空间给定点上电场强度矢量取向随时间变化特性。我们用电场强度矢量端点在空间描绘的轨迹来表示。如果轨迹是直线，称电磁波为线极化；如果轨迹是圆，则称为圆极化；如果轨迹是椭圆，则称为椭圆极化。 沿z方向传播的均匀平面波在x,y两个方向的分量 和 都存在，分别表示为： xEyE000cos()cos()xxyyEEtkzEEtkz第2章 光纤和光缆(1)线偏振 为分析简单，取

33、z=0(xoy平面)。 线偏振的条件是： 、 相位相同或相反： 此时合成电场 合成电场与x轴的夹角 合成电场大小随时间变化，但其矢量端轨迹始终与x轴保持恒定的夹角。 xEyE000180或者2200cosxyEEEt0110yyxxEEtgtgEE 常 数ExEyyx 线偏振第2章 光纤和光缆(2)圆偏振 圆偏振的条件是 与 振幅相等，相位差为90度 合成电场 合成电场和x轴的夹角 合成电场的幅度为常数，而与x轴的夹角随时间改变xEyEtEEtEEyxsincos00022EEEEyxtEEtgxy1（b）圆偏振圆偏振900 右圆偏振右圆偏振tE0yx900 左圆偏振左圆偏振tE0yx第2章

34、光纤和光缆(3)椭圆偏振 椭圆偏振发生在 与 振幅和相位都不相等的情况下 合成矢量的矢量端在一椭圆上旋转。 xEyE22200220002cossinyxyxxoxyyEE EEEEEE第2章 光纤和光缆2光纤中的光波 麦克斯韦方程组 光波是一种特定波长范围内的电磁波，当光在光纤中传播时，实质上就是电磁波在介质中的传播过程，因此它必须满足麦克斯韦方程组。用波动理论分析光纤波导中的波，就是求满足边界条件的麦克斯韦方程组的解HBEDBDtDHtBE00式中 E为电场强度矢量；为电位移矢量；为磁场强度矢量；为磁感应强度矢量第2章 光纤和光缆 从电磁场的有关常识可知，电场强度矢量E和磁场强度矢量H的切

35、向分量应连续，电位移矢量D和磁感应强度矢量B的法向分量应连续，如果用下标t和n分别表示介质分界面上的切向分量和法向分量，用下标1和2分别表示两种不同的介质，则介质1和介质2交界面上的边界条件可写成nnnnttttBBDDHHEE21212121麦克斯韦方程组的边界条件第2章 光纤和光缆波动方程及其解平面波中的电场表达式采用圆柱坐标 对光纤中电磁场进行分析，设电磁场沿z方向传播，则电场表达式为同样，得出在圆柱坐标中磁场表达式 为00()()()000jt kzjjt kzjt kzEE eE e eE e (r, ,z)(0),(ztjerEE)(0),(ztjerHH是电磁波传播常数的分量第2

36、章 光纤和光缆 一般而言，场既有横向分量，又有纵向分量，它们都是时间和坐标的 简谐函数，横向分量是 ，纵向分量是 则电场强度和磁场强度分别可以表示为 将其代入麦克斯韦方程，利用圆柱坐标，得到光纤中场的纵向分量所满足方程HHEErr、zzHE 、zzrrEaEaEaEzzrrHaHaHaH0)(112222222zzzzEkErrErrE0)(112222222zzzzHkHrrHrrH波动方程第2章 光纤和光缆 将用横向分量和纵向分量表达的电场强度和磁场强度代入麦克斯韦方程，利用圆柱坐标得到光纤中场的纵向分量满足方程 由上式可以求出纵向分量 ，则横向分量就可通过下列关系得到确定：0)(1122

37、22222zzzzEkErrErrE0)(112222222zzzzHkHrrHrrHzzrHrkrEnkjE0002220rHrkErnkjEzz0002220zzrErnkrHnkjH202220zzEnkHrnkjH20002220 波动方程zzHE 、第2章 光纤和光缆波动方程的解 因为电磁场的横向分量可以由纵向分量通过一定的关系式而解出，所以求波动方程的解也即求纵向分量解的问题。 步骤：首先将纵向分量写成三个单变量函数（分别是 函数）的乘积 ，代回到波动方程中，利用边界条件，可求出阶跃光纤中电场的解： (r, ,z)arWKraWKarUJraUJmAeEmmmmzjz,)()(,)

38、()(sinarWKraWKarUJraUJmBeHmmmmzjz,)()(,)()(cos ( ) ( )zEAR rZ z第2章 光纤和光缆 其中 称为导波模的径向归一化相位常数 称为导波模的径向归一化衰减常数定义：为光纤的归一化频率其中得出 可见，光纤的归一化频率与光纤的结构参数和工作波长有关22220120 12VUWk a nnk n a22120nkaU22202nkaW002k()mUJra()mWKra第一类贝塞尔函数第二类贝塞尔函数011022Vk n an a 第2章 光纤和光缆数学上标准的贝塞尔方程的形式及其解其解的形式为其中和分别为第一、第二类贝塞尔函数，分别为其系数2

39、2222( )( )() ( )0d R xdR xxxxmR xdxdx()()()mmRxA JxB Kx( )mJx( )mK x第2章 光纤和光缆 （a）第一类贝塞尔函数曲线 （b）第二类贝塞尔函数曲线 （类似振幅衰减的正弦曲线） （类似衰减的指数曲线） 第一类贝塞尔函数描述纤芯中的场量第二类贝塞尔函数描述包层中的场量第2章 光纤和光缆3光波的模式 导波模和辐射模 导波模：指电磁场在纤芯中按简谐函数变化，在包 层中按指数规律衰减的模式 条件： 辐射模：指电磁波能量在向z轴方向传播的同时 又在包层中形成径向的辐射模式 条件：导波模中只能取离散值；辐射模则可以取连续值 0201k nk n

40、020k n第2章 光纤和光缆 特征方程：反映导波模涉及到的参数 之间相互关系 的方程。弱导光纤特征方程导波模的模式：在传播的过程中只有相位的变化，没有形 态的变化，且始终满足边界条件，这种空 间分布称为导波模的模式，简称模式22( )()11( )()mmmmJUKWmUJ UWK WUW,U W和第2章 光纤和光缆 传播常数 为一系列的离散值，对于每个整数m都存在 多个解： ，每个 都对应着一个模式。 当m0时，光纤中导波模的模式分布中，电场和磁场的纵向分量 都存在，成为混合模。根据 相互作用的大小可将混合模分为 当m=0时，将 分别记为 它们分别对应于 的模式，简称 ,1,2,3mnnm

41、nzzHE 、zzHE 、mnmnEHHEzzzz模（E H）和模（H E）00nnHEEH模和模00nnTETM模和模00zzE和HTETM模和模第2章 光纤和光缆导波模的几种模式 TE模和TM模 TE模: , 电场的纵向分量表达式中常数A=0 TM模： ,磁场的纵向分量表达式中常数B=0 特征方程： EH模和HE模 EH模： ，特征方程右边取正号 特征方程： HE模： ，特征方程右边取负号 特征方程：0zE0zHzzE HzzH E1100()()0()()JUKWUJUWKW11()()0()()mmmmJUKWUJUWKW2211( )( )0( )( )mmmmUJUWKWJUKW第

42、2章 光纤和光缆 LP模（线偏振模） 令 则上述几种模式可表示成同一形式 简并模：具有相同下标的模式，如 线偏模：线偏模的组合就构成光纤中的导波模，用线 偏振模 来表示1,TEl模 和 TM模m+1,EH模m-1,HE模11()()0()()llllUJUWKWJ UK W1,1,mnmnHEEH和lnLP第2章 光纤和光缆简并模和线偏振模的关系 0110021,(1)(2),(3)nnnnnnmnlnLPHELPTETMHELPEHm+1,n模由决定模由及模构成模(l2)由HE模和模构成第2章 光纤和光缆4导波模截止 指电磁能量已经不能集中在纤芯中传播而向包层弥散的临界状态,此时导波模的径向

43、归一化衰减常数各种模式波截止条件 (1)TE、TM模截止条件： 分别对应着 光纤中任意一个模式传播条件为： 其中归一化频率2222ccccVUWU0W 2.405, 5.520, 8.654,cV 010102020303(),(),()TETMTETMTETM模式的截止频率cVV012n aVk0()0cJ U第2章 光纤和光缆 (2) HE模的截止条件 m=1时， 分别对应着 等模式的截止频率 可知， 模的截止频率为0，它可以以任意低的 频率在光纤中传输，称为光纤中的基模或主模。 m1时，0, 3.832, 7.016,cV 111213,HEHEHE11HE1()0cJ U2()0mcJ

44、U第2章 光纤和光缆 (3)EH模的截止条件： 波长越短，归一化频率越高，可传输模式数量就越多，可传输的模式数量与归一化频率关系近似为 归一化频率的值还决定了包层传输的功率占总功率的比例，即()0mcJ U212NV223PPV包层总第2章 光纤和光缆5导波模远离截止 概念：指归一化频率远大于归一化截止频率、能量几乎完全集中在纤芯中模式状态 条件： 远离截止的特征方程：222222202012122aWak nk a nnnn 00111()0:()0:()0nnmmTETMJ UEHJUHEJU模模模、： 第2章 光纤和光缆第4节单模光纤 单模光纤：只传输一个基模,没有模式色 散,传输带宽很

45、宽,是高速长距 离光纤通信系统的理想传输 媒质。 多模光纤：传输一个以上模式的光纤。 通常应用在短距离通信场合。第2章 光纤和光缆1单模传输条件及模场分布v单模传输条件 或 单模光纤的截止波长 光波长满足 ，即可实现单模传输。 2.405V 1222.405n a 11222.6122.405cn an ac第2章 光纤和光缆v单模光纤中纤芯和包层传输功率的计算 20021axydrrdHEP纤芯2021axydrrdHEP包层其中)()()()(0000WKaWrAKUJaUrAJEyarar)()()()(00020001WKaWrKAnUJaUrJAnHxarar 将数值解代入上式中，可

46、算得纤芯中功率占总传输功率的84%，包层中为16%。V越小，包层中的功率就越多。所以实际的单模光纤，V选在2.02.35之间，以保证单模传输同时，大部分光功率集中在纤芯中传播。第2章 光纤和光缆v模场直径(MFD)/有效面积 模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量，是单模光纤的一个重要参数。 有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。 在很多实际情况中，LP01模的电磁场分布近似高斯分布，其场分布形式为： 其中w称为模场半径，2w为模场直径。与单模光纤的纤芯直径相比，模场直径更能反映场强在空间的分布，当r=w时，场量下降到中心轴处的1/e 220ex

47、pxAnrHAw22expyrEAw第2章 光纤和光缆 rE2wE0e-1E0模场直径第2章 光纤和光缆 模场直径0E10e E第2章 光纤和光缆模场直径的计算 计算公式： 在1.2V2.4范围内，可用近似公式来计算归一化模场半径：模场直径的应用(1)插入损耗的估算： 其中w1和w2分别为两根光纤的模场半径(2)在高斯近似下：22awaV3/260.65 1.6192.879wVVa212214lg10)(wwwwdBLoss222exp1waPP总纤芯第2章 光纤和光缆2单模光纤的衰减 单模光纤和多模光纤衰减的主要区别是弯曲损耗。如果模场在纤芯中被限制得越紧，也就是模场半径w值越小，弯曲损耗

48、越小。若要模场半径w越小，则需要增加归一化频率V的值，但为了保证单模传输，V值往往已被作了限制，解决该矛盾可以采用凹陷包层的结构。r2a2a10纤芯纤芯内包层内包层外包层外包层n1n2n3n单模光纤凹陷包层结构第2章 光纤和光缆光纤色散 光纤的色散是由于光纤的中所传输的光信号不同的频率成分和不同模式成分的群速度不同而引起的传输信号畸变的一种物理现象。它将传输脉冲展宽,产生码间干扰,增加误码率。传输距离越长,脉冲展宽越严重,所以色散限制了光纤的通信容量,也限制了无中继传输距离 第2章 光纤和光缆3单模光纤的色散与带宽 色度色散 材料色散和波导色散的总和 色度色散引起的单位长度脉冲展宽： 材料色散

49、：由于纤芯对不同波长的波呈现不同的折射 率而引起的 材料色散引起的脉冲展宽也称为群延迟 ( )( )mWtDDL)1273(1023.1)(10mDg01gdvw其中群速度 1ggv第2章 光纤和光缆 波导色散：由于导波模的相位常数随工作波长的变化 而引起的 其中，V为归一化频率；c为光速(km/s); 单 位为nm；b为归一化常数。221)()(dVbVdVcnDW22212222222)/(1nnnkVUVWb222()0.080 0.549(2.834)d bVVVdV22()dbVVdV可用经验公式表示为第2章 光纤和光缆偏振模色散双折射率双折射率：前面的讨论都假设光纤具有完美的圆形横

50、截 面和理想的圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不 发生变化。因此HE11模的x-偏振 和y-偏振 模 具有相同的传输常数( )。 但是实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数( )。因此，在传输过程中要引起偏振态的变化，我们把两个偏振模传输常数的差定义为双折射11(0)xyHEE 11(0)yxHEE xyxyxy第2章 光纤和光缆偏振模色散 偏振模色散是由于实际光纤的纤芯折射率不是各向同性的，也即光纤具有双折射率。当两个正交的电场沿轴向传输时，传输常数将具有不同的值，导致群速度不同，在光纤输出端产生不同的时延，使得光脉冲展宽，这种现

51、象称为偏振模色散PMD。 因偏振色散引起单位长度的脉冲展宽 因PMD引起的脉冲展宽的经验公式为 PMDtDL yxddtLdd00,xxyyk nk nxy分别=为 和 方向上的传输常数第2章 光纤和光缆带宽和比特率 比特率：也称为信息速率，是信道上每秒钟内传输的比特数。如果光纤色散造成的脉冲展宽为 ，则系统比特率可用下式计算： 带宽:信号进行传输且没有明显衰减的频率范围 带宽和比特率关系： t14Bt1,2,optoptfBfB非归零码归零码第2章 光纤和光缆4色散补偿方案色散补偿光纤 基本思路：在具有正色散特性的标准单模光纤后接 入一段具有负色散特性的色散补偿光纤 时，整条光纤线路的总色散为0光发射机光发射机L11传输光纤传输光纤(a) L1=L11+L12 ， L2=L21+L22光接收机光接收机传输光纤传输光纤色散补偿色散补偿光纤模块光纤模块色散补偿色散补偿光纤模块光纤模块L21L12L22色散累积色散累积传输距离（传输距离（km）(ps/nm)L11L21L12L22(b)色散补偿光纤（负色散）的补偿原理02211LDLD第2章 光纤和光缆色散补偿光纤光栅光纤