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)和類型的基礎(chǔ)上，分別用波動理論和射線光學(xué)理論對光纖中的模式和傳光原理進行分析，并對光纖的衰減和色散等傳輸特性進行詳細的介紹。本章教學(xué)課時6學(xué)時。22.1光纖、光纜的結(jié)構(gòu)和類型2.1.1光纖結(jié)構(gòu)2.1.2光纖型號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。為保護光纖，在涂覆層外有二次涂覆層（又稱塑料套管）。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)是為光纖提供保護構(gòu)上是一個完整整體包層涂覆層纖芯Φ125μmΦ250μm無論何種光纖，其包層直徑都是一致的5光纖的分類?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光纖型號國際電信聯(lián)盟ITU-T規(guī)定的光纖型號主要有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)我國國家標準規(guī)定，光纖類別的代號應(yīng)如下規(guī)定：光纖類別應(yīng)采用光纖產(chǎn)品的分類代號表示，即用大寫A表示多模光纖，大寫B(tài)表示單模光纖，再以數(shù)字和小寫字母表示不同種類光纖。見表2-1及表2-2。11

4、表2-1多模光纖類型類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單模光纖類型對應(yīng)類型G.652光纖名稱材料標稱工作波長(nm)對應(yīng)B1.1G.654光纖非色散位移二氧化硅13101550B12B1.2截止波長位移二氧化硅1550對應(yīng)G.653光纖B2色散位移二氧化硅1550對應(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，通過加強件和外護層組合成的整體。光纜是依靠其中的光纖來完成傳送信息的任務(wù)，因此光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要保證其中的光纖具有穩(wěn)定的傳輸特性。14光纜的分類方法?按成纜光纖類型?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?按加強件和護層?金屬加強件、非金屬加強、鎧裝?按使用場合?長途/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)，可采用波動理論。本節(jié)從麥克斯韋方程組出發(fā)，推導(dǎo)出波動方程，然后對光纖進行分析。需要指出的是，這里重點是理解分析和推導(dǎo)的思路和方法，而不是具體的過程。182.2.1麥克斯韋方程組和波動方程微分形式的麥克斯韋方程組描述了空間和時間的任意點上的場矢量。對于無源的，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）?式中為電場強度矢量，為磁場強度矢量，為電位移矢量，為磁感EHDB應(yīng)強度矢量，▽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方程（續(xù)）對于無源的、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，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