光通信：第02章光纤和光缆.pptx

第二章光纤和光缆2.1光纤的结构与类型2.2光纤的射线理论分析2.3均匀光纤的波动理论分析2.4光缆2.1光纤的结构与类型图2.1光纤结构示意图2.1.2光纤的类型光纤的分类方法很多既可以按照光纤截面折射率分布来分类又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。1.按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-IndexFiberSIF)和渐变型光纤(Graded-IndexFiberGIF)其折射率分布如图2.2所示。图2.2光纤的折射率分布光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数n(r)来表示。2.按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量可以将光纤分为多模光纤(Multi-ModeFiberMMF)和单模光纤(SingleModeFiberSMF)。在一定的工作波上当有多个模式在光纤中传输时则这种光纤称为多模光纤。单模光纤是只能传输一种模式的光纤单模光纤只能传输基模(最低阶模)不存在模间时延差具有比多模光纤大得多的带宽这对于高码速传输是非常重要的。3.按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。4.按ITU-T建议分类按照ITU-T关于光纤类型的建议可以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散位移光纤)光纤。按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。2.2光纤的射线理论分析反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内反射光线和入射光线处于法线的两侧并且反射角等于入射角即：θ1′＝θ1。折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内折射光线和入射光线位于法线的两侧且满足：n1sinθ1=n2sinθ22.2.2光纤中光的传播一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播并且一个传播周期与光纤轴线相交两次这种光线称为子午射线那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内并且不与光纤的轴线相交这种光线称为斜射线。1.子午射线在阶跃型光纤中的传播阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成并且n1>n2如图2.6所示。图2.6光线在阶跃型光纤中的传播2.子午射线在渐变型光纤中的传播渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。3.斜射线在光纤中的传播子午射线的传播过程始终在一个子午面内因此可以在二维的平面内来分析很直观。2.2.3光纤中的模式传输1.传导模的概念模式是波动理论的概念。在波动理论中一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中通常认为一个传播方向的光线对应一种模式有时也称之为射线模式。2.相位一致条件光纤中光波相位的变化情况如图2.9所示在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤的相位一致条件不作复杂的数学推导只提及波动光学中的基本观点和结论。图2.9光纤中光波相位的变化情况相位一致条件就是说：如果图中所示的这个模式在A、B处相位相等则经过一段传播距离后在A′、B′处也应该相位相等或相差2π的整数倍。光纤的相位一致条件也可以从另外一个角度出发得到。根据物理学的知识可知：波在无限空间中传播时形成行波；而在有限空间传播时形成驻波。一旦确定了光波导和光波长那么n1、n2、纤芯直径2a以及真空中光的传播常数k0也就确定了而且式(2-17)中的最大N值也就确定了。对于渐变型多模光纤同样其导模不仅要满足全反射条件还要满足相位一致条件。在渐变型多模光纤中低阶模由于靠近光纤轴线其传播路程短但靠近轴线处的折射率大该处光线传播速度慢；高阶模远离轴线它的传播路程长但离轴线越远折射率越小该处光线的传播速度越快。2.2.4多模光纤与单模光纤多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的判断一根光纤是不是单模传输除了光纤自身的结构参数外还与光纤中传输的光波长有关。为了描述光纤中传输的模式数目在此引入一个非常重要的结构参数即光纤的归一化频率一般用V表示其表达式如下：1.多模光纤顾明思义多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。2.单模光纤只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模)它不存在模间时延差因此它具有比多模光纤大得多的带宽这对于高码速传