光纤通信+人民邮电出版社

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1、光纤通信光纤通信作为现代通信的主要支柱，是信息社会中各种信息网的主要传输工具。对于光纤通信技术，本章重点介绍以下几个问题：光纤通信的基本概念、光纤和光缆、光纤通信中的光源和光电检测器、光端机以及光纤通信系统，对光放大器作一简单介绍。2.1光纤通信的基本概念2.2光纤和光缆2.3光纤通信中的光源和光电检测器2.4光端机2.5光纤通信系统2.6光放大器2.1光纤通信的基本概念光纤即为光导纤维的简称。光纤通信是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通信方式。2.1.1目前光纤通信的实用工作波长2.1.2光纤通信的特点2.1.3光纤通信系统的基本组成2.1.1目前

2、光纤通信的实用工作波长目前光纤通信实用的波长即短波长段的0.85μm、长波长波段的1.31μm和1.55μm，通常称其为是目前光纤通信的三个实用窗口。2.1.2光纤通信的特点(1)传输频带宽，通信容量大。(2)损耗低。(3)不受电磁干扰。(4)线径细、重量轻。(5)资源丰富。2.1.3光纤通信系统的基本组成目前使用的光纤通信系统，普遍采用的是数字编码、强度调制——直接检波通信系统。这种系统的示意方框图如下图所示。2.2光纤和光缆2.2.1光纤的结构与分类2.2.2用射线法分析光波在光纤中的传输2.2.3单模光纤2.2.1光纤的结构与分类一、光纤的结构

3、二、光纤的分类一、光纤的结构目前通信用的光纤大多采用石英玻璃(SiO２)制成的横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤，如图所示。光缆中的光纤一般是指经过两次涂覆后的光纤芯线，它的剖面结构如图所示。二、光纤的分类1.按照折射率分布不同来分通常采用的是阶跃型光纤和渐变型光纤两种。(1)阶跃型光纤(2)渐变型光纤2.按照传输的总模数来分所谓模式，实质上是电磁场的一种分布形式。模式不同，其分布不同，根据光纤中传输模式数量来分，可分为单模光纤和多模光纤。(1)单模光纤(SM-Singlemodefiber)(2)多模光纤(MM-Multimod

4、efiber)2.2.2用射线法分析光波在光纤中的传输分析光纤的导光原理，一般可采用两种方法：一是波动理论法，一是射线法。波动理论法是根据电磁场理论，用麦氏方程求解光纤的场方程、特征方程，根据解答式分析其传输特性；射线法是将光波看成是一条条几何射线，用光射线理论分析光纤的传输特性。后者比较简单、直观。在这里，我们仅用射线法分析光波在光纤中的传输。当媒质的几何尺寸远大于光波波长时，光可用一条表示光的传播方向的几何线来表示，这条几何线就称为光射线。用光射线来研究光波传输特性的方法，称为射线法。一、光波在两介质交界面的反射和折射二、光波的全反射三、光纤中光射线的分析

5、一、光波在两介质交界面的反射和折射光波属于电磁波的范畴，在均匀介质中传输时，其轨迹是一条直线，当光射线射到两种介质交界面时，将发生反射和折射。由电磁场理论知道，反射和折射的基本规律是由斯涅尔定律和菲涅尔公式来表示的。下面我们以斯涅尔定律说明其物理概念。斯涅尔定律主要包括以下两个关系式：θ１＝θ１′n１sinθ１＝n２sinθ２二、光波的全反射产生全反射的条件是：n１＞n２；９０°＞θ１＞θc阶跃型光纤就是利用光波的全反射原理，将光波限制在纤芯中向前传播。三、光纤中光射线的分析在这个问题里，主要采用射线法讨论阶跃型光纤和渐变型光纤的导光原理。1.阶跃型光纤中光射线

6、的分析(1)阶跃型光纤中的光射线在光纤中可存在如下不同形式的光射线：子午线和斜射线。子午面上和轴线相交的光射线，就称为子午射线，简称为子午线。(2)阶跃型光纤中主要特性参数的定义①相对折射指数差n１和n２差的大小直接影响着光纤的性能，我们引入相对折射指数差这样一个物理量来表示它们相差的程度，用Δ表示，即当n１与n２的差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤，经过简单推导，可知其相对折射指数差可用近似式表示：②数值孔径数值孔径是表示光纤捕捉光射线能力的物理量。数值孔径用NA表示。根据折射定律，经过推导可得出它的表示式为：NA=n1√２Δ(3)阶跃型光纤的导光原理阶跃型光

7、纤是靠全反射原理将光波限制在纤芯中并向前传播。2.渐变型光纤中光射线的分析渐变型光纤中的射线也分为子午线和斜射线两种，下面只讨论子午线。(1)渐变型光纤的导光机理非均匀光纤是靠折射原理将子午线限制在纤芯中向前传播。(2)渐变型光纤的最佳折射指数分布如果选用合适的n(r)分布，就有可能使纤芯中的不同射线以同样的轴向速度前进，从而可以减小光纤中的模式色散。①子午线的自聚焦在渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速度的这种现象，称为自聚焦现象，具有这种自聚焦现象的光纤称为自聚焦光纤。②最佳折射指数分布的形式经过理论分析和推导得出，纤芯中的折射指数按平方