第二章 光纤和光缆

《第二章 光纤和光缆》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第二章光纤和光缆2.1光纤结构与类型2.2光纤传输原理2.3光纤传输特性2.4单模光纤进展和应用2.5光缆光纤(OpticalFiber，OF)的结构光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导.光纤的分类1.按照截面上折射率分布的不同2.按光纤中传输的模式数量阶跃多模、渐变多模和阶跃单模光纤的特性比较3.按光纤的工作波长短波长光纤（850nm）短波长的多模光纤主要用于短距离市话中继和专用通信网络等；长波长光纤（1310nm和1550nm）长波长的单模光纤主要用于干线传输。4.按材料分类玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高；胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑

2、料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。5.按照ITU-T关于光纤类型的建议多模光纤(G.651)普通单模光纤(G.652)色散移位光纤(G.653)在1.55m衰减最小的光纤（G.654）非零色散移位光纤（G.655）色散补偿光纤全波光纤（G.656）接入网用光纤(G.657)石英光纤制造过程①制作光纤预制棒②拉丝MCVD法制作光纤预制棒示意图光纤拉丝装置在鼓上的光纤制作方法视频光纤传输原理波动理论---单模和多模光纤光射线理论---多模光纤复习光的本质波动性粒子性光波从折射率较大的介质以

3、三种不同的入射角进入折射率较小的介质Snell定律和全反射关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。以阶跃多模光纤为例光射线理论光纤中光线的种类子午射线斜射线（螺旋光线）光纤轴线子午面子午射线在阶跃型多模光纤中的传播光纤传输---全反射条件传输条件1.全反射条件2.相干加强条件对于特定的光纤结构，只有满足一定条件的电磁波可以在光纤中进行有效的传输。这些特定的电磁波称为光纤模式。定义数值孔径（NA，NumericalAperture）纤芯与包层相对折射率差CCITT建议光纤的NA取值范围为0.18～0.23。仅用于子午光线例设Δ=0.01，n

4、1=1.5,求NA和αmax?光线以法线和斜射入射时在纤芯内以不同的路经传输思考：光纤弯曲时，光线是否还能沿光纤传播呢？例如把1km光纤绕在直径约10cm的圆筒上，所增加的光能损耗只有万分之几，可以忽略不计。时间延迟入射角为α的光线在长度为L(OA)的光纤中传输，所经历的路程为l(OB)，在α不大的条件下，其传播时间即时间延迟为最大入射角和最小入射角的光线之间时间延迟差近似为这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。子午射线在渐变型多模光纤中的传播渐变型光纤的折射率分布γ是折射率光栅系数对于阶跃型光纤，γ=∞；对于渐变型光纤，γ=2；对于三角分布型光纤，γ=1。渐变型光纤中的传播

5、轨迹思考：光线1和光线2是否同时到达O’呢？设想光纤由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层组成。渐变型多模光纤的优点减小脉冲展宽（除子午光线外，还有斜射光线的影响）光射线分析法特点可直观地对光纤的传光原理进行解释，易于理解，但其本质上是一种近似分析方法，只能定性地解释光纤的传光原理，并不能作为定量的分析依据。光纤的波动传输理论波动理论的严格性：1.从光波的本质特性---电磁波出发，通过求解电磁波所遵从麦克斯韦方程，导出电磁场的场分布，具有理论上的严谨性；2.未作任何前提近似，因此适用于各种折射率分布的单模光纤和多模光纤。复习最简单的行波是正弦波，沿z方向传输的数学表达式为时变电磁场以相同角

6、频率和传输常数同时相互正交存在。也可用指数形式描述行波波的相速度（波速）波相位平面波的波前是与传播方向正交的平面电磁波种类、波前、波矢量波矢量k是波前表面P点的法线，它代表波从P点传播的方向。图1.2.7沿z轴传播的高斯光束(如激光器输出)从麦克斯韦方程出发，结合具体的边界条件及初始条件，可定量地研究光的各种传播特性。麦克斯韦方程组及物质方程无源无损耗介质直角坐标系下的哈密顿算符波动方程设光波具有简谐振荡形式，即与时间t的函数关系有，用K0是自由空间中光传播的相位常数。光波电磁场各分量之间的关系以直角坐标系讨论圆柱坐标与直角坐标的关系复习结束式中，E和H分别为电场和磁场在直角坐标中的

7、任一分量。选用圆柱坐标(r，φ，z)，使z轴与光纤中心轴线一致，如图所示。将式(1)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程为(1)(2)(3)1.波动方程和电磁场表达式如何求Ez和Hz?（分离变量法）把Ez(r,φ,z)分解为Ez(r)、Ez(φ)和Ez(z)。设光沿光纤轴向(z轴)传输，其传输常数为β，则Ez(z)应为exp(-jβz)。由于光纤的圆对称性，Ez(φ)应为方位角φ的周期函数，设为exp(jvφ)，v为整