光纖傳輸理論及傳輸特性

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1、光纖通信與數(shù)字傳輸南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院第二章光纖傳輸理論及傳輸特性在光纖通信系統(tǒng)中，光纖是光波的傳輸介質(zhì)。光纖的材料、構(gòu)造和傳輸特性對(duì)光纖通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量起著決定性的作用。本章在介紹光纖光纜的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型的基礎(chǔ)上，分別用波動(dòng)理論和射線光學(xué)理論對(duì)光纖中的模式和傳光原理進(jìn)行分析，并對(duì)光纖的衰減和色散等傳輸特性進(jìn)行詳細(xì)的介紹。本章教學(xué)課時(shí)6學(xué)時(shí)。22.1光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型2.1.1光纖結(jié)構(gòu)2.1.2光纖型號(hào)2.1.3光纜及其結(jié)構(gòu)32.1.1光纖的結(jié)構(gòu)光纖的基本結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：折射率（n）較高的纖芯部分、折射率（n）較低的包層12部分以及表面涂覆層。結(jié)構(gòu)如圖2-

2、1所示。為保護(hù)光纖，在涂覆層外有二次涂覆層（又稱(chēng)塑料套管）。4圖2-1通信光纖及其基本結(jié)構(gòu)纖芯和包層僅在折射涂覆層的主要作用率等參數(shù)上不同，結(jié)是為光纖提供保護(hù)構(gòu)上是一個(gè)完整整體包層涂覆層纖芯Φ125μmΦ250μm無(wú)論何種光纖，其包層直徑都是一致的5光纖的分類(lèi)?按折射率分布?按二次涂覆層結(jié)構(gòu)?按材料?按傳導(dǎo)模式61.按纖芯折射率分布：階躍折射率分布和漸變折射率分布nnn1n1n2n2n0n0b/2aOab/2rb/2aOab/2r思考：為什么纖芯的折射率要高于包層折射率？n1n1n2n272按光纖的二次涂覆層結(jié)構(gòu)?緊套結(jié)構(gòu)光纖?松套結(jié)構(gòu)光纖83.按光纖主要材料?SiO光纖*2?

3、塑料光纖?氟化物光纖*SiO是目前最主要的光纖材料294.按光纖中的傳導(dǎo)模式*?單模光纖?多模光纖*傳導(dǎo)模式的概念將在模式分析部分介紹102.1.2光纖型號(hào)國(guó)際電信聯(lián)盟ITU-T規(guī)定的光纖型號(hào)主要有G.651光纖（多模光纖），G.652光纖（常規(guī)單模光纖），G.653光纖（色散位移光纖），G.654光纖（低損耗光纖），G.655光纖（非零色散位移光纖）以及最新的G.656和G.657光纖。根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，光纖類(lèi)別的代號(hào)應(yīng)如下規(guī)定：光纖類(lèi)別應(yīng)采用光纖產(chǎn)品的分類(lèi)代號(hào)表示，即用大寫(xiě)A表示多模光纖，大寫(xiě)B(tài)表示單模光纖，再以數(shù)字和小寫(xiě)字母表示不同種類(lèi)光纖。見(jiàn)表2-1及表2-2。11

4、表2-1多模光纖類(lèi)型類(lèi)型折射率分布纖芯直徑(um)包層直徑(um)材料A1a漸變折射率50125二氧化硅A1b漸變折射率62.5125二氧化硅A1c漸變折射率85125二氧化硅A1d漸變折射率100140二氧化硅A2a階躍折射率100140二氧化硅A2b階躍折射率200240二氧化硅A2c階躍折射率200280二氧化硅A3a階躍折射率200300二氧化硅芯塑料包層A3b階躍折射率200380二氧化硅芯塑料包層A3c階躍折射率200430二氧化硅芯塑料包層A4a階躍折射率980-9901000塑料A4b階躍折射率730-740750塑料A4c階躍折射率480-490500塑料12

5、表2-2單模光纖類(lèi)型對(duì)應(yīng)類(lèi)型G.652光纖名稱(chēng)材料標(biāo)稱(chēng)工作波長(zhǎng)(nm)對(duì)應(yīng)B1.1G.654光纖非色散位移二氧化硅13101550B12B1.2截止波長(zhǎng)位移二氧化硅1550對(duì)應(yīng)G.653光纖B2色散位移二氧化硅1550對(duì)應(yīng)G.655B3光纖色散平坦二氧化硅13101550B4非零色散位移二氧化硅1540～1565132.1.3光纜及其結(jié)構(gòu)光纜是以光纖為主要通信元件，通過(guò)加強(qiáng)件和外護(hù)層組合成的整體。光纜是依靠其中的光纖來(lái)完成傳送信息的任務(wù)，因此光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要保證其中的光纖具有穩(wěn)定的傳輸特性。14光纜的分類(lèi)方法?按成纜光纖類(lèi)型?多模光纖光纜和單模光纖光纜?按纜芯結(jié)構(gòu)?中心束管

6、、層絞、骨架和帶狀?按加強(qiáng)件和護(hù)層?金屬加強(qiáng)件、非金屬加強(qiáng)、鎧裝?按使用場(chǎng)合?長(zhǎng)途/室外、室內(nèi)、水下/海底等?按敷設(shè)方式?架空、管道、直埋和水下15光纜的結(jié)構(gòu)（成纜方式）?層絞式?骨架式?中心束管式?帶狀式16光纜結(jié)構(gòu)示意圖層絞式中心束管式帶狀式172.2電磁波在光纖中傳輸?shù)幕痉匠虨槿婢_的分析光波導(dǎo)，可采用波動(dòng)理論。本節(jié)從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)出波動(dòng)方程，然后對(duì)光纖進(jìn)行分析。需要指出的是，這里重點(diǎn)是理解分析和推導(dǎo)的思路和方法，而不是具體的過(guò)程。182.2.1麥克斯韋方程組和波動(dòng)方程微分形式的麥克斯韋方程組描述了空間和時(shí)間的任意點(diǎn)上的場(chǎng)矢量。對(duì)于無(wú)源的，均勻的，各向同性的

7、介質(zhì)，麥克斯韋方程組可表示?如下：??B??E???t?（2-2）??D??H?（2-3）?t???D?0（2-4）??B0????B?0（2?-5）?式中為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量，為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量，為電位移矢量，為磁感EHDB應(yīng)強(qiáng)度矢量，▽為哈密頓算符，“▽×”代表取旋度，“?”代表取散?度。19麥克斯韋方程組和波動(dòng)方程（續(xù)）對(duì)于無(wú)源的、各向同性的介質(zhì)，有????D??E，B??H式中為介質(zhì)的介電常數(shù)，為介質(zhì)的導(dǎo)磁率。??在研究介質(zhì)的光學(xué)特性時(shí)，通常不使用?，而是使r用介質(zhì)的折射率n，兩者的關(guān)系是：n