光纤传输理论及传输特性

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1、光纤通信与数字传输南京邮电大学通信与信息工程学院第二章光纤传输理论及传输特性在光纤通信系统中，光纤是光波的传输介质。光纤的材料、构造和传输特性对光纤通信系统的传输质量起着决定性的作用。本章在介绍光纤光缆的结构和类型的基础上，分别用波动理论和射线光学理论对光纤中的模式和传光原理进行分析，并对光纤的衰减和色散等传输特性进行详细的介绍。本章教学课时6学时。22.1光纤、光缆的结构和类型2.1.1光纤结构2.1.2光纤型号2.1.3光缆及其结构32.1.1光纤的结构光纤的基本结构主要由以下几部分组成：折射率（n）较高的纤芯部分、折射率（n）较低的包层12部分以及表面涂覆层。结构如图2-

2、1所示。为保护光纤，在涂覆层外有二次涂覆层（又称塑料套管）。4图2-1通信光纤及其基本结构纤芯和包层仅在折射涂覆层的主要作用率等参数上不同，结是为光纤提供保护构上是一个完整整体包层涂覆层纤芯Φ125μmΦ250μm无论何种光纤，其包层直径都是一致的5光纤的分类按折射率分布按二次涂覆层结构按材料按传导模式61.按纤芯折射率分布：阶跃折射率分布和渐变折射率分布nnn1n1n2n2n0n0b/2aOab/2rb/2aOab/2r思考：为什么纤芯的折射率要高于包层折射率？n1n1n2n272按光纤的二次涂覆层结构紧套结构光纤松套结构光纤83.按光纤主要材料SiO光纤*2

3、塑料光纤氟化物光纤*SiO是目前最主要的光纤材料294.按光纤中的传导模式*单模光纤多模光纤*传导模式的概念将在模式分析部分介绍102.1.2光纤型号国际电信联盟ITU-T规定的光纤型号主要有G.651光纤（多模光纤），G.652光纤（常规单模光纤），G.653光纤（色散位移光纤），G.654光纤（低损耗光纤），G.655光纤（非零色散位移光纤）以及最新的G.656和G.657光纤。根据我国国家标准规定，光纤类别的代号应如下规定：光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写A表示多模光纤，大写B表示单模光纤，再以数字和小写字母表示不同种类光纤。见表2-1及表2-2。11

4、表2-1多模光纤类型类型折射率分布纤芯直径(um)包层直径(um)材料A1a渐变折射率50125二氧化硅A1b渐变折射率62.5125二氧化硅A1c渐变折射率85125二氧化硅A1d渐变折射率100140二氧化硅A2a阶跃折射率100140二氧化硅A2b阶跃折射率200240二氧化硅A2c阶跃折射率200280二氧化硅A3a阶跃折射率200300二氧化硅芯塑料包层A3b阶跃折射率200380二氧化硅芯塑料包层A3c阶跃折射率200430二氧化硅芯塑料包层A4a阶跃折射率980-9901000塑料A4b阶跃折射率730-740750塑料A4c阶跃折射率480-490500塑料12

5、表2-2单模光纤类型对应类型G.652光纤名称材料标称工作波长(nm)对应B1.1G.654光纤非色散位移二氧化硅13101550B12B1.2截止波长位移二氧化硅1550对应G.653光纤B2色散位移二氧化硅1550对应G.655B3光纤色散平坦二氧化硅13101550B4非零色散位移二氧化硅1540～1565132.1.3光缆及其结构光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。14光缆的分类方法按成缆光纤类型多模光纤光缆和单模光纤光缆按缆芯结构中心束管

6、、层绞、骨架和带状按加强件和护层金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合长途/室外、室内、水下/海底等按敷设方式架空、管道、直埋和水下15光缆的结构（成缆方式）层绞式骨架式中心束管式带状式16光缆结构示意图层绞式中心束管式带状式172.2电磁波在光纤中传输的基本方程为全面精确的分析光波导，可采用波动理论。本节从麦克斯韦方程组出发，推导出波动方程，然后对光纤进行分析。需要指出的是，这里重点是理解分析和推导的思路和方法，而不是具体的过程。182.2.1麦克斯韦方程组和波动方程微分形式的麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场矢量。对于无源的，均匀的，各向同性的

7、介质，麦克斯韦方程组可表示如下：BEt（2-2）DH（2-3）tD0（2-4）B0B0（2-5）式中为电场强度矢量，为磁场强度矢量，为电位移矢量，为磁感EHDB应强度矢量，▽为哈密顿算符，“▽×”代表取旋度，“”代表取散度。19麦克斯韦方程组和波动方程（续）对于无源的、各向同性的介质，有DE，BH式中为介质的介电常数，为介质的导磁率。在研究介质的光学特性时，通常不使用，而是使r用介质的折射率n，两者的关系是：n