光纖通信原理課件 講義(全套)（行業(yè)經(jīng)驗）

光纖通信原理光纖通信原理1凌云書苑第一章第一章 概概 述述1.1 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2 光纖通信的主要特性光纖通信的主要特性1.3 光纖通信系統(tǒng)的組成和分類光纖通信系統(tǒng)的組成和分類 1.1 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀1.1.1 早期的光通信早期的光通信到到了了1880年年，貝貝爾爾發(fā)發(fā)明明了了第第一一個個光光電電話話，這這一一大大膽膽的的嘗嘗試試，可可以以說說是是現(xiàn)現(xiàn)代代光光通通信的開端。信的開端。在在這這里里，將將弧弧光光燈燈的的恒恒定定光光束束投投射射在在話話筒筒的的音音膜膜上上，隨隨聲聲音音的的振振動動而而得得到到強強弱弱變化的反射光束，這個過程就是調(diào)制。變化的反射光束，這個過程就是調(diào)制。圖圖1.1 貝爾電話系統(tǒng)貝爾電話系統(tǒng)貝貝爾爾光光電電話話和和烽烽火火報報警警一一樣樣，都都是是利利用用大大氣氣作作為為光光通通道道，光光波波傳傳播播易易受受氣氣候候的的影影響響，在在大大霧霧天天氣氣，它它的的可可見見度度距距離離很很短短，遇到下雨下雪天也有影響。遇到下雨下雪天也有影響。1.1.2 光纖通信光纖通信在在大大氣氣光光通通信信受受阻阻之之后后，人人們們將將研研究究的的重重點點轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入入到到地地下下光光波波通通信信的的實實驗驗，先先后后出出現(xiàn)現(xiàn)過過反反射射波波導(dǎo)導(dǎo)和和透透鏡鏡波波導(dǎo)導(dǎo)等等地地下下通通信信的的實驗，如圖實驗，如圖1.2所示。所示。圖圖1.2 反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)1966年年，英英籍籍華華人人高高錕錕(K.C.Kao，當(dāng)當(dāng)時時工工作作于于英英國國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)電電信信研研究究所所)博博士士深深入入研研究究了了光光在在石石英英玻玻璃璃纖纖維維中中的的嚴(yán)嚴(yán)重重?fù)p損耗耗問問題題，發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)這這種種玻玻璃璃纖纖維維引引起起光光損損耗耗的的主主要要原原因因是是其其中中含含有有過過量量的的鉻鉻、銅銅、鐵鐵與與錳錳等等金金屬屬離離子子和和其其他他雜雜質(zhì)質(zhì)，其其次次是是拉拉制制光光纖纖時時工工藝藝技技術(shù)術(shù)造造成成了了芯芯、包包層層分分界界面面不不均均勻勻及及其其所所引引起起的的折折射射率率不不均均勻勻，他他還還發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)一一些些玻玻璃璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。纖維在紅外光區(qū)的損耗較小。在高錕理論的指導(dǎo)下，在高錕理論的指導(dǎo)下，1970年美國的年美國的康寧公司拉出了第一根損耗為康寧公司拉出了第一根損耗為20dB/km的的光纖。光纖。1977年年 美美 國國 在在 芝芝 加加 哥哥 進進 行行 了了44.736Mbit/s的的現(xiàn)現(xiàn)場場實實驗驗，1978年年，日日本本開開始始了了32.064Mbit/s和和97.728Mbit/s的的光光纖纖通通信信實實驗驗；1979年年，美美國國AT&T和和日日本本NTT均研制出了波長為均研制出了波長為1.35m的半導(dǎo)體激光器，的半導(dǎo)體激光器，日本也做出了超低損耗的光纖日本也做出了超低損耗的光纖(損耗損耗為為0.2dB/km，波長為波長為1.55m)，同時進行了同時進行了多模光纖多模光纖(同時允許多個方向的光線在其中同時允許多個方向的光線在其中傳送的光纖傳送的光纖)1.31m的長波長傳輸系統(tǒng)的的長波長傳輸系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗。到到如如今今，光光纖纖通通信信已已經(jīng)經(jīng)發(fā)發(fā)展展到到以以采采用用光光放放大大器器(Optical Amplifier，OA)增增加加中中繼繼 距距 離離 和和 采采 用用 波波 分分 復(fù)復(fù) 用用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)增增加加傳傳輸輸容容量為特征的第四代系統(tǒng)。量為特征的第四代系統(tǒng)。1.2 光纖通信的主要特性光纖通信的主要特性1.2.1 光纖通信的優(yōu)點光纖通信的優(yōu)點1.光纖的容量大光纖的容量大光光纖纖通通信信是是以以光光纖纖為為傳傳輸輸媒媒介介，光光波波為為載載波波的的通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)，其其載載波波光光波波具具有有很很高高的的頻頻率率(約約1014Hz)，因因此此光光纖纖具具有有很很大大的的通通信容量。信容量。2.損耗低、中繼距離長損耗低、中繼距離長目目前前，實實用用的的光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)使使用用的的光光纖纖多多為為石石英英光光纖纖，此此類類光光纖纖在在1.55m波波長長區(qū)區(qū)的的損損耗耗可可低低到到0.18dB/km，比比已已知知的的其其他他通通信信線線路路的的損損耗耗都都低低得得多多，因因此此，由由其其組組成成的的光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的中中繼繼距距離離也也較較其其它它介介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多。質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長得多。如如果果今今后后采采用用非非石石英英光光纖纖，并并工工作作在在超超長長波波長長(2m)，光光纖纖的的理理論論損損耗耗系系數(shù)數(shù)可可以以下下降降到到10-310-5dB/km，此此時時光光纖纖通通信的中繼距離可達數(shù)千，甚至數(shù)萬公里。信的中繼距離可達數(shù)千，甚至數(shù)萬公里。3.抗電磁干擾能力強抗電磁干擾能力強我我們們知知道道，電電話話線線和和電電纜纜一一般般是是不不能能跟跟高高壓壓電電線線平平行行架架設(shè)設(shè)的的，也也不不能能在在電電氣氣鐵鐵化路附近鋪設(shè)?；犯浇佋O(shè)。4.保密性能好保密性能好對對通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的重重要要要要求求之之一一是是保保密密性性好好。然然而而，隨隨著著科科學(xué)學(xué)技技術(shù)術(shù)的的發(fā)發(fā)展展，電電通通信信方方式式很很容容易易被被人人竊竊聽聽：只只要要在在明明線線或或電電纜纜附附近近(甚甚至至幾幾公公里里以以外外)設(shè)設(shè)置置一一個個特特別別的的接接收收裝裝置置，就就可可以以獲獲取取明明線線或或電電纜纜中中傳傳送送的的信信息息。更不用去說無線通信方式。更不用去說無線通信方式。5.體積小，重量輕體積小，重量輕6.節(jié)省有色金屬和原材料節(jié)省有色金屬和原材料 1.2.2 光纖通信的缺點光纖通信的缺點事事物物都都是是一一分分為為二二的的，光光纖纖通通信信有有許許多多優(yōu)優(yōu)點點，因因而而發(fā)發(fā)展展很很快快，但但光光纖纖通通信信也也有有以下缺點。以下缺點。1.抗拉強度低抗拉強度低2.光纖連接困難光纖連接困難3.光纖怕水光纖怕水1.3 光纖通信系統(tǒng)的組成和分類光纖通信系統(tǒng)的組成和分類1.3.1 光纖通信系統(tǒng)的組成光纖通信系統(tǒng)的組成光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)是是以以光光纖纖為為傳傳輸輸媒媒介介，光光波波為為載載波波的的通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)。主主要要由由光光發(fā)發(fā)送送機機、光纖光纜、中繼器和光接收機組成。光纖光纜、中繼器和光接收機組成。系系統(tǒng)統(tǒng)中中光光發(fā)發(fā)送送機機的的作作用用是是將將電電信信號號轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為光光信信號號，并并將將生生成成的的光光信信號號注注入入光光纖纖。光光發(fā)發(fā)送送機機一一般般由由驅(qū)驅(qū)動動電電路路、光光源源和和調(diào)調(diào)制制器器構(gòu)構(gòu)成成，如如果果是是直直接接強強度度調(diào)調(diào)制制可可以以省省去去調(diào)調(diào)制制器，這些將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。器，這些將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹。光光接接收收機機的的作作用用是是將將光光纖纖送送來來的的光光信信號號還還原原成成原原始始的的電電信信號號。它它一一般般由由光光電電檢檢測測器器和和解解調(diào)調(diào)器器組組成成，對對于于直直接接強強度度調(diào)調(diào)制制解解調(diào)器可以省略。調(diào)器可以省略。光光纖纖的的作作用用是是為為光光信信號號的的傳傳送送提提供供傳傳送送媒媒介介(信信道道)，將將光光信信號號由由一一處處送送到到另另一一處。處。中中繼繼器器分分為為電電中中繼繼器器和和光光中中繼繼器器(光光放放大大器器)兩兩種種，其其主主要要作作用用就就是是延延長長光光信信號號的的傳輸距離。傳輸距離。1.3.2 光纖通信系統(tǒng)的分類光纖通信系統(tǒng)的分類根據(jù)調(diào)制信號的類型，光纖通信系統(tǒng)根據(jù)調(diào)制信號的類型，光纖通信系統(tǒng)可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。信系統(tǒng)。根根據(jù)據(jù)光光源源的的調(diào)調(diào)制制方方式式，光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)可可以以分分為為直直接接調(diào)調(diào)制制光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)和和間間接接調(diào)調(diào)制光纖通信系統(tǒng)。制光纖通信系統(tǒng)。根據(jù)光纖的傳導(dǎo)模數(shù)量，光纖通信系根據(jù)光纖的傳導(dǎo)模數(shù)量，光纖通信系統(tǒng)可以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖統(tǒng)可以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)。根根據(jù)據(jù)系系統(tǒng)統(tǒng)的的工工作作波波長長，光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)可可分分為為短短波波長長光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)、長長波波長長光光纖纖通信系統(tǒng)和超長波長光纖通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)和超長波長光纖通信系統(tǒng)。第二章第二章 光纖和光纜光纖和光纜光光纖纖作作為為光光纖纖通通信信系系統(tǒng)統(tǒng)的的物物理理傳傳輸輸媒媒介，有著巨大的優(yōu)越性。介，有著巨大的優(yōu)越性。本本章章首首先先介介紹紹光光纖纖的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與類類型型，然然后后用用射射線線光光學(xué)學(xué)理理論論和和波波動動光光學(xué)學(xué)理理論論重重點點分分析析光光在在階階躍躍型型光光纖纖中中的的傳傳輸輸情情況況，最最后后簡簡要要介介紹紹光光纜纜的的構(gòu)構(gòu)造造、典典型型結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)與與光光纜纜的的型型號。號。2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與類型光纖的結(jié)構(gòu)與類型2.2 光纖的射線理論分析光纖的射線理論分析2.3 均勻光纖的波動理論分析均勻光纖的波動理論分析2.4 光光 纜纜2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與類型光纖的結(jié)構(gòu)與類型2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)光光纖纖(Optical Fiber，OF)就就是是用用來來導(dǎo)導(dǎo)光光的的透透明明介介質(zhì)質(zhì)纖纖維維，一一根根實實用用化化的的光光纖纖是是由由多多層層透透明明介介質(zhì)質(zhì)構(gòu)構(gòu)成成的的，一一般般可可以以分分為為三三部部分分：折折射射率率較較高高的的纖纖芯芯、折折射射率率較較低低的的包層和外面的涂覆層，如圖包層和外面的涂覆層，如圖2.1所示。所示。圖圖2.1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖光纖結(jié)構(gòu)示意圖2.1.2 光纖的類型光纖的類型光光纖纖的的分分類類方方法法很很多多，既既可可以以按按照照光光纖纖截截面面折折射射率率分分布布來來分分類類，又又可可以以按按照照光光纖纖中中傳傳輸輸模模式式數(shù)數(shù)的的多多少少、光光纖纖使使用用的的材材料料或或傳傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL來分類。輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL來分類。1.按光纖截面上折射率分布分類按光纖截面上折射率分布分類按按照照截截面面上上折折射射率率分分布布的的不不同同可可以以將將光光纖纖分分為為階階躍躍型型光光纖纖(Step-Index Fiber，SIF)和和漸漸變變型型光光纖纖(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如圖其折射率分布如圖2.2所示。所示。圖圖2.2 光纖的折射率分布光纖的折射率分布 光光纖纖的的折折射射率率變變化化可可以以用用折折射射率率沿半徑的分布函數(shù)沿半徑的分布函數(shù)n(r)來表示。來表示。2.按傳輸模式的數(shù)量分類按傳輸模式的數(shù)量分類按按光光纖纖中中傳傳輸輸?shù)牡哪ＤＪ绞綌?shù)數(shù)量量，可可以以將將光光纖纖 分分 為為 多多 模模 光光 纖纖(Multi-Mode Fiber，MMF)和和單單模模光光纖纖(Single Mode Fiber，SMF)。在在一一定定的的工工作作波波上上，當(dāng)當(dāng)有有多多個個模模式式在在光纖中傳輸時，則這種光纖稱為多模光纖。光纖中傳輸時，則這種光纖稱為多模光纖。單單模模光光纖纖是是只只能能傳傳輸輸一一種種模模式式的的光光纖纖，單單模模光光纖纖只只能能傳傳輸輸基基模模(最最低低階階模模)，不不存存在在模模間間時時延延差差，具具有有比比多多模模光光纖纖大大得得多多的的帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。3.按光纖的工作波長分類按光纖的工作波長分類按按光光纖纖的的工工作作波波長長可可以以將將光光纖纖分分為為短短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。4.按按ITU-T建議分類建議分類按按照照ITU-T關(guān)關(guān)于于光光纖纖類類型型的的建建議議，可可以以將將光光纖纖分分為為G.651光光纖纖(漸漸變變型型多多模模光光纖纖)、G.652光光纖纖(常常規(guī)規(guī)單單模模光光纖纖)、G.653光光纖纖(色色散散位位移移光光纖纖)、G.654光光纖纖(截截止止波波長長光光纖纖)和和G.655(非零色散位移光纖非零色散位移光纖)光纖。光纖。按按套套塑塑(二二次次涂涂覆覆層層)可可以以將將光光纖纖分分為為松套光纖和緊套光纖。松套光纖和緊套光纖。現(xiàn)現(xiàn)在在實實用用的的石石英英光光纖纖通通常常有有以以下下三三種種：階階躍躍型型多多模模光光纖纖、漸漸變變型型多多模模光光纖纖和和階階躍躍型單模光纖。型單模光纖。2.2 光纖的射線理論分析光纖的射線理論分析2.2.1 基本光學(xué)定義和定律基本光學(xué)定義和定律光光在在均均勻勻介介質(zhì)質(zhì)中中是是沿沿直直線線傳傳播播的的，其其傳播速度為傳播速度為v=c/n式式中中：c2.997105km/s，是是光光在在真真空空中中的的傳傳播播速速度度；n是是介介質(zhì)質(zhì)的的折折射射率率(空空氣氣的的折折射射率率為為1.00027，近近似似為為1；玻玻璃璃的的折折射率為射率為1.45左右左右)。反反射射定定律律：反反射射光光線線位位于于入入射射光光線線和和法法線線所所決決定定的的平平面面內(nèi)內(nèi)，反反射射光光線線和和入入射射光光線線處處于于法法線線的的兩兩側(cè)側(cè)，并并且且反反射射角角等等于于入入射射角，即：角，即：11。折折射射定定律律：折折射射光光線線位位于于入入射射光光線線和和法法線線所所決決定定的的平平面面內(nèi)內(nèi)，折折射射光光線線和和入入射射光光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1sin1=n2sin22.2.2 光纖中光的傳播光纖中光的傳播一一束束光光線線從從光光纖纖的的入入射射端端面面耦耦合合進進光光纖纖時時，光光纖纖中中光光線線的的傳傳播播分分兩兩種種情情形形：一一種種情情形形是是光光線線始始終終在在一一個個包包含含光光纖纖中中心心軸軸線線的的平平面面內(nèi)內(nèi)傳傳播播，并并且且一一個個傳傳播播周周期期與與光光纖纖軸軸線線相相交交兩兩次次，這這種種光光線線稱稱為為子子午午射射線線，那那個個包包含含光光纖纖軸軸線線的的固固定定平平面面稱稱為為子子午午面面；另另一一種種情情形形是是光光線線在在傳傳播播過過程程中中不不在在一一個個固固定定的的平平面面內(nèi)內(nèi)，并并且且不不與與光光纖纖的的軸軸線線相相交交，這種光線稱為斜射線。這種光線稱為斜射線。1.子午射線在階躍型光纖中的傳播子午射線在階躍型光纖中的傳播階階躍躍型型光光纖纖是是由由半半徑徑為為a、折折射射率率為為常常數(shù)數(shù)n1的纖芯和折射率為常數(shù)的纖芯和折射率為常數(shù)n2的包層組的包層組成，并且成，并且n1n2，如圖如圖2.6所示。所示。圖圖2.6 光線在階躍型光纖中的傳播光線在階躍型光纖中的傳播2.子午射線在漸變型光纖中的傳播子午射線在漸變型光纖中的傳播漸漸變變型型光光纖纖與與階階躍躍型型光光纖纖的的區(qū)區(qū)別別在在于于其其纖纖芯芯的的折折射射率率不不是是常常數(shù)數(shù)，而而是是隨隨半半徑徑的的增加而遞減直到等于包層的折射率。增加而遞減直到等于包層的折射率。3.斜射線在光纖中的傳播斜射線在光纖中的傳播子子午午射射線線的的傳傳播播過過程程始始終終在在一一個個子子午午面面內(nèi)內(nèi)，因因此此可可以以在在二二維維的的平平面面內(nèi)內(nèi)來來分分析析，很直觀。很直觀。2.2.3 光纖中的模式傳輸光纖中的模式傳輸1.傳導(dǎo)模的概念傳導(dǎo)模的概念模模式式是是波波動動理理論論的的概概念念。在在波波動動理理論論中中，一一種種電電磁磁場場的的分分布布稱稱之之為為一一個個模模式式。在在射射線線理理論論中中，通通常常認(rèn)認(rèn)為為一一個個傳傳播播方方向向的的光光線線對對應(yīng)應(yīng)一一種種模模式式，有有時時也也稱稱之之為為射射線線模模式。式。2.相位一致條件相位一致條件光光纖纖中中光光波波相相位位的的變變化化情情況況如如圖圖2.9所所示示，在在這這里里以以階階躍躍型型光光纖纖為為例例來來討討論論光光纖纖的的相相位位一一致致條條件件，不不作作復(fù)復(fù)雜雜的的數(shù)數(shù)學(xué)學(xué)推推導(dǎo)導(dǎo)，只提及波動光學(xué)中的基本觀點和結(jié)論。只提及波動光學(xué)中的基本觀點和結(jié)論。圖圖2.9 光纖中光波相位的變化情況光纖中光波相位的變化情況 相相位位一一致致條條件件就就是是說說：如如果果圖圖中中所所示示的的這這個個模模式式在在A、B處處相相位位相相等等，則則經(jīng)經(jīng)過過一一段段傳傳播播距距離離后后，在在A、B處處也也應(yīng)應(yīng)該該相相位位相相等或相差等或相差2的整數(shù)倍。的整數(shù)倍。光光纖纖的的相相位位一一致致條條件件也也可可以以從從另另外外一一個個角角度度出出發(fā)發(fā)得得到到。根根據(jù)據(jù)物物理理學(xué)學(xué)的的知知識識可可知知：波波在在無無限限空空間間中中傳傳播播時時，形形成成行行波波；而而在在有限空間傳播時，形成駐波。有限空間傳播時，形成駐波。一一旦旦確確定定了了光光波波導(dǎo)導(dǎo)和和光光波波長長，那那么么n1、n2、纖纖芯芯直直徑徑2a以以及及真真空空中中光光的的傳傳播播常常數(shù)數(shù)k0也也就就確確定定了了，而而且且式式(2-17)中中的的最最大大N值值也就確定了。也就確定了。對對于于漸漸變變型型多多模模光光纖纖，同同樣樣，其其導(dǎo)導(dǎo)模模不不僅僅要要滿滿足足全全反反射射條條件件，還還要要滿滿足足相相位位一一致條件。致條件。在在漸漸變變型型多多模模光光纖纖中中，低低階階模模由由于于靠靠近近光光纖纖軸軸線線，其其傳傳播播路路程程短短，但但靠靠近近軸軸線線處處的的折折射射率率大大，該該處處光光線線傳傳播播速速度度慢慢；高高階階模模遠(yuǎn)遠(yuǎn)離離軸軸線線，它它的的傳傳播播路路程程長長，但但離離軸軸線線越越遠(yuǎn)遠(yuǎn)折折射射率率越越小小，該該處處光光線線的的傳傳播播速速度度越快。越快。2.2.4 多模光纖與單模光纖多模光纖與單模光纖多多模模光光纖纖和和單單模模光光纖纖是是由由光光纖纖中中傳傳輸輸?shù)牡哪ＤＪ绞綌?shù)數(shù)決決定定的的，判判斷斷一一根根光光纖纖是是不不是是單單模模傳傳輸輸，除除了了光光纖纖自自身身的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)參參數(shù)數(shù)外外，還還與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān)。與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關(guān)。為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖此引入一個非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用的歸一化頻率，一般用V表示，其表達式表示，其表達式如下：如下：1.多模光纖多模光纖顧顧明明思思義義，多多模模光光纖纖就就是是允允許許多多個個模模式式在在其其中中傳傳輸輸?shù)牡墓夤饫w纖，或或者者說說在在多多模模光光纖纖中允許存在多個分離的傳導(dǎo)模。中允許存在多個分離的傳導(dǎo)模。2.單模光纖單模光纖只只能能傳傳輸輸一一種種模模式式的的光光纖纖稱稱為為單單模模光光纖纖。單單模模光光纖纖只只能能傳傳輸輸基基模模(最最低低階階模模)，它它不不存存在在模模間間時時延延差差，因因此此它它具具有有比比多多模模光光纖纖大大得得多多的的帶帶寬寬，這這對對于于高高碼碼速速傳傳輸輸是是非非常常重重要要的的。單單模模光光纖纖的的帶帶寬寬一一般般都都在在幾幾十十GHzkm以上。以上。2.3 均勻光纖的波動理論分均勻光纖的波動理論分析析2.3.1 平面波在理想介質(zhì)中的傳播平面波在理想介質(zhì)中的傳播1.均勻平面波的一般概念均勻平面波的一般概念所所謂謂均均勻勻平平面面波波是是指指在在與與傳傳播播方方向向垂垂直直的的無無限限大大的的平平面面上上，電電場場強強度度E和和磁磁場場強強度度H的的幅幅度度和和相相位位都都相相等等的的波波型型，簡簡稱稱為為平面波。平面波。平面波是非常重要的波型，一些復(fù)雜平面波是非常重要的波型，一些復(fù)雜的波可以由平面波疊加得到。在折射率為的波可以由平面波疊加得到。在折射率為n的無限大的介質(zhì)中，一工作波長為的無限大的介質(zhì)中，一工作波長為0的平的平面波在其中傳播，其波數(shù)為：面波在其中傳播，其波數(shù)為：式式中中：k0是是真真空空中中的的波波數(shù)數(shù)，是是光光的的角角頻頻率率，和和分分別別是是介介質(zhì)質(zhì)的的導(dǎo)導(dǎo)磁磁率率和和介介電電常常數(shù)數(shù),設(shè)設(shè)平平面面波波傳傳播播方方向向的的單單位位矢矢量量為為as，則則k=ask稱為平面波在該介質(zhì)中的波矢量。稱為平面波在該介質(zhì)中的波矢量。2.平面波在介質(zhì)分界面上的反射平面波在介質(zhì)分界面上的反射和折射和折射反反射射波波與與入入射射波波在在原原點點處處的的復(fù)復(fù)振振幅幅之之比比稱稱為為反反射射系系數(shù)數(shù)；傳傳遞遞波波與與入入射射波波在在原原點點處的復(fù)振幅之比稱為傳遞系數(shù)，表示為：處的復(fù)振幅之比稱為傳遞系數(shù)，表示為：式式中中：R、T都都是是復(fù)復(fù)數(shù)數(shù)，包包括括大大小小及及相相位位。其其模模值值分分別別表表示示反反射射波波、傳傳遞遞波波與與入入射射波波幅幅度度的的大大小小之之比比；21、22是是R和和T的的相相角角，分分別別表表示示在在介介質(zhì)質(zhì)分分界界面面上上反反射射波波、傳遞波比入射波超前的相位。傳遞波比入射波超前的相位。3.平面波的全反射平面波的全反射全反射是一種重要的物理現(xiàn)象，當(dāng)光全反射是一種重要的物理現(xiàn)象，當(dāng)光波從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大波從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時才能產(chǎn)生全反射，即全反射必于臨界角時才能產(chǎn)生全反射，即全反射必須滿足：須滿足：n1n2，c190。(1)全反射情況時介質(zhì)全反射情況時介質(zhì)1中波的特點中波的特點在全反射時，式在全反射時，式(2-32)根號中是負(fù)數(shù)，根號中是負(fù)數(shù)，因此可以變化成下面的形式。因此可以變化成下面的形式。(2)全全反反射射情情況況時時介介質(zhì)質(zhì)2中中波波的的特特點點全全反反射射時時，將將式式(2-34)代代入入式式(2-30b)，即即可可得得到到垂垂直直極極化化波波全全反反射射時時的的傳傳遞遞系系數(shù)。數(shù)。(3)導(dǎo)行波和輻射波的概念導(dǎo)行波和輻射波的概念綜綜上上所所述述，當(dāng)當(dāng)平平面面波波由由光光密密介介質(zhì)質(zhì)射射向向兩兩介介質(zhì)質(zhì)分分界界面面上上時時，根根據(jù)據(jù)入入射射角角1的的大大小小，可可以以產(chǎn)產(chǎn)生生兩兩種種類類型型的的波波：當(dāng)當(dāng)入入射射角角大大于于臨臨界界角角時時產(chǎn)產(chǎn)生生導(dǎo)導(dǎo)行行波波，能能量量集集中中在在光光密密介介質(zhì)質(zhì)及及其其界界面面附附近近；當(dāng)當(dāng)入入射射角角小小于于臨臨界界角角時時產(chǎn)產(chǎn)生生輻輻射射波波，一一部部分分能能量量輻輻射射到到光光疏疏介介質(zhì)質(zhì)中中并并在在其其中中傳傳播播。對對于于光光波波導(dǎo)導(dǎo)來來說說，導(dǎo)導(dǎo)波波是是一種重要的波型。一種重要的波型。2.3.2 階躍光纖的波動理論階躍光纖的波動理論1.基本概念基本概念(1)麥克斯韋方程組和邊界條件麥克斯韋方程組和邊界條件1在在均均勻勻光光纖纖中中，介介質(zhì)質(zhì)材材料料一一般般是是線線性性和和各各向向同同性性的的，并并且且不不存存在在電電流流和和自自由由電電荷荷，因因此此在在無無源源區(qū)區(qū)域域，均均勻勻、無無損損、簡簡諧諧形式的麥克斯韋方程組為：形式的麥克斯韋方程組為：式中：式中：E為電場為電場強度矢量；強度矢量；D為電位為電位移矢量；移矢量；H為磁場強為磁場強度矢量；度矢量；B為磁感應(yīng)為磁感應(yīng)強度矢量。且強度矢量。且D與與E，B與與H有下列關(guān)系。有下列關(guān)系。(2)亥姆霍茲方程亥姆霍茲方程從從麥麥克克斯斯韋韋方方程程組組出出發(fā)發(fā)，可可以以導(dǎo)導(dǎo)出出光光波波所所滿滿足足的的亥亥姆姆霍霍茲茲方方程程。根根據(jù)據(jù)矢矢量量關(guān)關(guān)系系，有如下兩個等式。有如下兩個等式。式中：式中：A代表任何一個矢量，當(dāng)然代表任何一個矢量，當(dāng)然E、H也也滿足式滿足式(2-47)。(3)波的類型和模式波的類型和模式在在單單一一均均勻勻介介質(zhì)質(zhì)中中傳傳播播的的波波為為平平面面波波，稱稱為為橫橫電電磁磁波波，用用TEM表表示示，TEM波波的的電電場場和和磁磁場場方方向向與與波波的的傳傳播播方方向向垂垂直直，即即在在波波導(dǎo)導(dǎo)的的傳傳播播方方向向上上既既沒沒有有磁磁場場分分量量也也沒沒有有電場分量，且三者兩兩相互垂直。電場分量，且三者兩兩相互垂直。對于同一類型的波，其場強在圓周方對于同一類型的波，其場強在圓周方向向(即即方向方向)或徑向方向或徑向方向(即即r方向方向)的分布的分布情況又會有所區(qū)別，即電磁場的分布會不情況又會有所區(qū)別，即電磁場的分布會不盡相同。盡相同。目目前前通通信信用用光光纖纖的的相相對對折折射射率率差差 1，稱稱為為弱弱導(dǎo)導(dǎo)光光纖纖。這這種種光光纖纖可可以以近近似似地用平面波束分析光的傳播。地用平面波束分析光的傳播。2.階躍型光纖的波動理論階躍型光纖的波動理論階階躍躍型型光光纖纖的的波波動動理理論論分分析析就就是是以以麥麥克克斯斯韋韋方方程程組組為為基基礎(chǔ)礎(chǔ)，根根據(jù)據(jù)光光纖纖的的邊邊界界條條件件，從從亥亥姆姆霍霍茲茲方方程程解解出出階階躍躍型型光光纖纖中中導(dǎo)導(dǎo)波波的的場場方方程程，在在此此基基礎(chǔ)礎(chǔ)上上推推導(dǎo)導(dǎo)出出其其特特征征方方程，研究其導(dǎo)波模式，分析其傳輸特性。程，研究其導(dǎo)波模式，分析其傳輸特性。(1)亥姆霍茲方程的解亥姆霍茲方程的解階階躍躍型型光光纖纖的的纖纖芯芯半半徑徑為為a，包包層層半半徑徑為為b，纖纖芯芯和和包包層層的的折折射射率率分分別別為為n1和和n2，其截面形狀如圖其截面形狀如圖2.17(a)所示。所示。圖圖2.16幾幾個個低低階階模模的的場場型型(實實線線為為電電力力線線，虛虛線線為為磁磁力力線線，g=2/)(2)特征方程特征方程要要確確定定光光纖纖中中導(dǎo)導(dǎo)模模的的特特性性，就就需需要要確確定定參參數(shù)數(shù)U、W和和，只只有有亥亥姆姆霍霍茲茲方方程程的的解解是是不不夠夠的的。由由于于光光纖纖中中的的導(dǎo)導(dǎo)模模還還必必須須滿滿足足光光纖纖的的邊邊界界條條件件，所所以以還還要要利利用用光光纖纖的的邊邊界界條條件件來來確確定定場場表表達達式式中中的的參參數(shù)數(shù)U、W和和。(3)光纖中的導(dǎo)模類型及特征方程光纖中的導(dǎo)模類型及特征方程上面已經(jīng)得到了光纖中場的亥姆霍茲上面已經(jīng)得到了光纖中場的亥姆霍茲方程和弱導(dǎo)光纖中導(dǎo)波的特征方程，接下方程和弱導(dǎo)光纖中導(dǎo)波的特征方程，接下來分析光纖中存在哪些模式及這些模式的來分析光纖中存在哪些模式及這些模式的特征方程。特征方程。TEMTEM波波波波光光纖纖中中是是否否存存在在TEM波波呢呢?根根據(jù)據(jù)定定義義，TEM波波在在波波導(dǎo)導(dǎo)的的傳傳播播方方向向(Z方方向向)上上既既沒沒有有電電場場分分量量，又又沒沒有有磁磁場場分分量量。即即Ez0、Hz0。如如果果光光纖纖中中存存在在TEM波波，則則根根據(jù)據(jù)Ez、Hz的的表表達達式式(2-75)和和式式(2-76)可可以以得得到到AB0，再再將將AB0代代入入式式(2-77)、式式(2-78)得得到到Er、E、Hr、E都都為為零零，即即光光纖纖中中不不存存在在電電磁磁場場，所所以以光光纖纖中中根根本本不不存存在在TEM波。波。TETE波和波和波和波和TMTM波波波波光光纖纖中中是是否否存存在在TE波波和和TM波波，實實際際上上是是看看單單獨獨的的TE波波和和TM波波是是否否滿滿足足邊邊界界條條件件。如如果果光光纖纖中中存存在在TE波波，根根據(jù)據(jù)TE波波的的定定義義，TE波波在在波波導(dǎo)導(dǎo)的的傳傳播播方方向向(Z方方向向)上上沒沒有有電電場場分分量量，只只有有磁磁場場分分量量，即即Ez0，根根據(jù)據(jù)Ez表表達達式式(2-75)可可以以得得到到A0，然然后后將將A0代入式代入式(2-83b)中得到中得到 EHEH波和波和波和波和HEHE波波波波從從上上面面的的闡闡述述中中可可以以看看到到，當(dāng)當(dāng)m0時時，光光纖纖中中不不能能存存在在TE波波和和TM波波，而而只只能能是是Ez、Hz同時存在的同時存在的EH波和波和HE波。波。(4)導(dǎo)模的特性導(dǎo)模的特性模模的的特特性性可可以以用用3個個特特征征參參數(shù)數(shù)U、W和和來來描描述述。U表表示示導(dǎo)導(dǎo)模模場場在在纖纖芯芯內(nèi)內(nèi)部部的的橫橫向向分分布布規(guī)規(guī)律律；W表表示示導(dǎo)導(dǎo)模模場場在在纖纖芯芯外外部部的的橫橫向分布規(guī)律。向分布規(guī)律。導(dǎo)模的截止條件導(dǎo)模的截止條件導(dǎo)模的截止條件導(dǎo)模的截止條件 遠(yuǎn)離截止時的遠(yuǎn)離截止時的遠(yuǎn)離截止時的遠(yuǎn)離截止時的U U值值值值光光纖纖中中導(dǎo)導(dǎo)模模的的U值值是是隨隨頻頻率率而而變變化化的的。上上面面所所討討論論的的Uc值值只只適適用用于于導(dǎo)導(dǎo)模模截截止止時時的的情況。情況。2.4 光光 纜纜2.4.1 光纜的典型結(jié)構(gòu)光纜的典型結(jié)構(gòu)1.光纜的構(gòu)造光纜的構(gòu)造光光纜纜的的構(gòu)構(gòu)造造一一般般分分為為纜纜芯芯和和護護層層兩兩大大部分。部分。(1)纜芯纜芯在在光光纜纜的的構(gòu)構(gòu)造造中中，纜纜芯芯是是主主體體，其其結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)是是否否合合理理，與與光光纖纖的的安安全全運運行行關(guān)關(guān)系系很很大大。一一般般來來說說，纜纜芯芯結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)應(yīng)滿滿足足以以下下基基本本要要求求：光光纖纖在在纜纜芯芯內(nèi)內(nèi)處處于于最最佳佳位位置置和和狀狀態(tài)態(tài)，保保證證光光纖纖傳傳輸輸性性能能穩(wěn)穩(wěn)定定，在在光光纜纜受受到到一一定定的的拉拉力力、側(cè)側(cè)壓壓力力等等外外力力時時，光光纖纖不不應(yīng)應(yīng)承承受受外外力力影影響響；其其次次纜纜芯芯內(nèi)內(nèi)的的金金屬屬線線對對也也應(yīng)應(yīng)得得到到妥妥善善安安排排，并并保保證證其其電電氣氣性性能能；另另外外纜纜芯芯截截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。(2)護層護層光光纜纜護護層層同同電電纜纜護護層層的的情情況況一一樣樣，是是由由護護套套和和外外護護層層構(gòu)構(gòu)成成的的多多層層組組合合體體。其其作作用用是是進進一一步步保保護護光光纖纖，使使光光纖纖能能適適應(yīng)應(yīng)在在各各種種場場地地敷敷設(shè)設(shè)，如如架架空空、管管道道、直直埋埋、室室內(nèi)內(nèi)、過過河河、跨跨海海等等。對對于于采采用用外外周周加加強強元元件件的的光光纜纜結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，護護層層還還需需提提供供足足夠夠的的抗抗拉拉、抗抗壓、抗彎曲等機械特性方面的能力。壓、抗彎曲等機械特性方面的能力。2.光纜的典型結(jié)構(gòu)光纜的典型結(jié)構(gòu)光光纜纜的的基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)按按纜纜芯芯組組件件的的不不同同一一般般可可以以分分為為層層絞絞式式、骨骨架架式式、束束管管式式和和帶帶狀狀式式四四種種，如如圖圖2.21所所示示。我我國國及及歐歐亞亞各各國國用用的的較較多多的的是是傳傳統(tǒng)統(tǒng)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的層層絞絞式式和和骨骨架架式兩種。式兩種。圖圖2.21光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖(1)層絞式結(jié)構(gòu)層絞式結(jié)構(gòu)層層絞絞式式光光纜纜的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)類類似似于于傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的電電纜纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱為古典式光纜。結(jié)構(gòu)方式，故又稱為古典式光纜。(2)骨架式結(jié)構(gòu)骨架式結(jié)構(gòu)骨骨架架式式光光纜纜中中的的光光纖纖置置放放于于塑塑料料骨骨架架的的槽槽中中，槽槽的的橫橫截截面面可可以以是是V形形、U形形或或其其他他合合理理的的形形狀狀，槽槽的的縱縱向向呈呈螺螺旋旋形形或或正正弦弦形，一個空槽可放置形，一個空槽可放置510根一次涂覆光纖。根一次涂覆光纖。(3)束管式結(jié)構(gòu)束管式結(jié)構(gòu)束束管管式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的光光纜纜近近年年來來得得到到了了較較快快的的發(fā)發(fā)展展。它它相相當(dāng)當(dāng)于于把把松松套套管管擴擴大大為為整整個個纖纖芯芯，成成為為一一個個管管腔腔，將將光光纖纖集集中中松松放放在在其其中。中。(4)帶狀式結(jié)構(gòu)帶狀式結(jié)構(gòu)帶帶狀狀式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的光光纜纜首首先先將將一一次次涂涂覆覆的的光光纖纖放放入入塑塑料料帶帶內(nèi)內(nèi)做做成成光光纖纖帶帶，然然后后將將幾幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。2.4.2 光纜的種類與型號光纜的種類與型號1.光纜的種類光纜的種類光光纜纜的的種種類類很很多多，其其分分類類方方法法也也很很多多，習(xí)慣的分類有：習(xí)慣的分類有：根根據(jù)據(jù)光光纜纜的的傳傳輸輸性性能能、距距離離和和用用途途，光光纜纜可可以以分分為為市市話話光光纜纜、長長途途光光纜纜、海海底底光纜和用戶光纜；光纜和用戶光纜；根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為多模根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；光纜、單模光纜；根據(jù)光纖套塑的種類，光纜可以分為根據(jù)光纖套塑的種類，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜；帶狀式多芯單元光纜；根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為根據(jù)光纖芯數(shù)的多少，光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；單芯光纜和多芯光纜等等；根根據(jù)據(jù)加加強強構(gòu)構(gòu)件件的的配配置置方方式式，光光纜纜可可以以分分為為中中心心加加強強構(gòu)構(gòu)件件光光纜纜(如如層層絞絞式式光光纜纜、骨骨架架式式光光纜纜等等)、分分散散加加強強構(gòu)構(gòu)件件光光纜纜(如如束束管管式式光光纜纜)和和護護層層加加強強構(gòu)構(gòu)件件光光纜纜(如如帶帶狀狀式式光光纜纜)；根根據(jù)據(jù)敷敷設(shè)設(shè)方方式式，光光纜纜可可以以分分為為管管道道光光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；根根據(jù)據(jù)護護層層材材料料性性質(zhì)質(zhì)，光光纜纜可可以以分分為為普普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。2.光纜的型號光纜的型號6光纜的種類較多，同其他產(chǎn)品一樣，光纜的種類較多，同其他產(chǎn)品一樣，具有具體的型式和規(guī)格。具有具體的型式和規(guī)格。(1)光纜的型式代號光纜的型式代號光光纜纜的的型型式式代代號號是是由由分分類類、加加強強構(gòu)構(gòu)件件、派派生生(形形狀狀、特特性性等等)、護護套套和和外外護護層層五五部部分組成，如圖分組成，如圖2.22所示。所示。圖圖2.22 光纜的型式代號光纜的型式代號 光纜分類代號及其意義光纜分類代號及其意義光纜分類代號及其意義光纜分類代號及其意義GY：通信用室通信用室(野野)外光纜；外光纜；GR：通信用軟光纜；通信用軟光纜；GJ：通信用室通信用室(局局)內(nèi)光纜；內(nèi)光纜；GS：通信用設(shè)備內(nèi)光纜；通信用設(shè)備內(nèi)光纜；GH：通信用海底光纜；通信用海底光纜；GT：通信用特殊光纜；通信用特殊光纜；GW：通信用無金屬光纜。通信用無金屬光纜。加強構(gòu)件的代號及其意義加強構(gòu)件的代號及其意義加強構(gòu)件的代號及其意義加強構(gòu)件的代號及其意義無符號：金屬加強構(gòu)件；無符號：金屬加強構(gòu)件；F：非金屬加強構(gòu)件；非金屬加強構(gòu)件；G：金屬重型加強構(gòu)件；金屬重型加強構(gòu)件；H：非金屬重型加強構(gòu)件。非金屬重型加強構(gòu)件。派生特征的代號及其意義派生特征的代號及其意義派生特征的代號及其意義派生特征的代號及其意義B：扁平式結(jié)構(gòu)；扁平式結(jié)構(gòu)；Z：自承式結(jié)構(gòu)；自承式結(jié)構(gòu)；T：填充式結(jié)構(gòu)；填充式結(jié)構(gòu)；S：松套結(jié)構(gòu)。松套結(jié)構(gòu)。注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時，注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時，其代號字母順序并列。其代號字母順序并列。護套的代號及其意義護套的代號及其意義護套的代號及其意義護套的代號及其意義Y：聚乙烯護套；聚乙烯護套；V：聚氯乙烯護套；聚氯乙烯護套；U：聚氨酯護套；聚氨酯護套；A：鋁、聚乙烯護套；鋁、聚乙烯護套；L：鋁護套；鋁護套；Q：鉛護套；鉛護套；G：鋼護套；鋼護套；S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護套。鋼、鋁、聚乙烯綜合護套。外護層的代號及其意義外護層的代號及其意義外護層的代號及其意義外護層的代號及其意義外外護護層層是是指指鎧鎧裝裝層層及及鎧鎧裝裝層層外外面面的的外外被被層層，參參照照國國標(biāo)標(biāo)GB2952-82的的規(guī)規(guī)定定，外外護護層層采采用用兩兩位位數(shù)數(shù)字字表表示示，各各代代號號的的意意義義如如表表2.4所示。所示。(2)光纖的規(guī)格代號光纖的規(guī)格代號光光纖纖的的規(guī)規(guī)格格代代號號是是由由光光纖纖數(shù)數(shù)目目、光光纖纖類類別別、光光纖纖主主要要尺尺寸寸參參數(shù)數(shù)、傳傳輸輸性性能能和和適適用用溫溫度度五五部部分分組組成成，各各部部分分均均用用代代號號或或數(shù)數(shù)字表示。字表示。光纖數(shù)目光纖數(shù)目光纖數(shù)目光纖數(shù)目用用光光纜纜中中同同類類別別光光纖纖的的實實際際有有效效數(shù)數(shù)目目的阿拉伯?dāng)?shù)字表示。的阿拉伯?dāng)?shù)字表示。光纖類別的代號及其意義光纖類別的代號及其意義光纖類別的代號及其意義光纖類別的代號及其意義 J：二氧化硅系多模漸變型光纖；二氧化硅系多模漸變型光纖；T：二二氧氧化化硅硅系系多多模模階階躍躍型型(突突變變型型)光光纖纖；Z：二氧化硅系多模準(zhǔn)突變型光纖；二氧化硅系多模準(zhǔn)突變型光纖；D：二氧化硅系單模光纖；二氧化硅系單模光纖；X：二氧化硅纖芯塑料包層光纖；二氧化硅纖芯塑料包層光纖；S：塑料光纖。塑料光纖。光纖的主要尺寸參數(shù)代號及其意義光纖的主要尺寸參數(shù)代號及其意義光纖的主要尺寸參數(shù)代號及其意義光纖的主要尺寸參數(shù)代號及其意義用用阿阿拉拉伯伯?dāng)?shù)數(shù)字字(含含小小數(shù)數(shù)點點)以以m為為單單位位表表示示多多模模光光纖纖的的芯芯徑徑/包包層層直直徑徑或或單單模模光光纖纖的模場直徑的模場直徑/包層直徑。包層直徑。傳輸性能代號及其意義傳輸性能代號及其意義傳輸性能代號及其意義傳輸性能代號及其意義光光纖纖的的傳傳輸輸特特性性代代號號是是由由使使用用波波長長、損損耗耗系系數(shù)數(shù)、模模式式帶帶寬寬的的代代號號(分分別別為為a、bb、cc)構(gòu)成。構(gòu)成。其中其中a表示使用波長的代號，其數(shù)字表示使用波長的代號，其數(shù)字代號規(guī)定如下：代號規(guī)定如下：1：使用波長在：使用波長在0.85m區(qū)域；區(qū)域；2：使用波長在：使用波長在1.31m區(qū)域；區(qū)域；3：使用波長在：使用波長在1.55m區(qū)域。區(qū)域。bb表示損耗系數(shù)的代號，其數(shù)字依次表示損耗系數(shù)的代號，其數(shù)字依次為光纜中光纖損耗系數(shù)值為光纜中光纖損耗系數(shù)值(dB/km)的個位和的個位和十分位。十分位。cc表示模式帶寬的代號，其數(shù)字依次表示模式帶寬的代號，其數(shù)字依次是光纜中光纖模式帶寬數(shù)值是光纜中光纖模式帶寬數(shù)值(MHzkm)的千的千位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。位和百位數(shù)字。單模光纖無此項。注意：同一光纜適用于兩種以上的波注意：同一光纜適用于兩種以上的波長，并具有不同的傳輸特性時，應(yīng)同時列長，并具有不同的傳輸特性時，應(yīng)同時列出各波長上的規(guī)格代號，并用出各波長上的規(guī)格代號，并用/劃開。劃開。適用溫度代號及其意義適用溫度代號及其意義適用溫度代號及其意義適用溫度代號及其意義A：適用于適用于-40 +40；B：適用于適用于-30 +50；C：適用于適用于-20 +60；D：適用于適用于-5+60。第三章第三章 光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性3.1 光纖的損耗特性光纖的損耗特性3.2 光纖的色散特性光纖的色散特性3.3 成纜對光纖特性的影響成纜對光纖特性的影響3.4 典型光纖參數(shù)典型光纖參數(shù)3.1 光纖的損耗特性光纖的損耗特性3.1.1 吸收損耗吸收損耗吸吸收收損損耗耗是是由由制制造造光光纖纖材材料料本本身身以以及及其其中中的的過過渡渡金金屬屬離離子子和和氫氫氧氧根根離離子子(OH)等等雜雜質(zhì)質(zhì)對對光光的的吸吸收收而而產(chǎn)產(chǎn)生生的的損損耗耗，前前者者是是由由光光纖纖材材料料本本身身的的特特性性所所決決定定的的，稱稱為為本本征征吸收損耗。吸收損耗。1.本征吸收損耗本征吸收損耗本征吸收損耗在光學(xué)波長及其附近有本征吸收損耗在光學(xué)波長及其附近有兩種基本的吸收方式。兩種基本的吸收方式。(1)紫外吸收損耗紫外吸收損耗紫紫外外吸吸收收損損耗耗是是由由光光纖纖中中傳傳輸輸?shù)牡墓夤庾幼恿髁鲗⒐夤饫w纖材材料料中中的的電電子子從從低低能能級級激激發(fā)發(fā)到到高高能能級級時時，光光子子流流中中的的能能量量將將被被電電子子吸吸收收，從而引起的損耗。從而引起的損耗。(2)紅外吸收損耗紅外吸收損耗紅紅外外吸吸收收損損耗耗是是由由于于光光纖纖中中傳傳播播的的光光波波與與晶晶格格相相互互作作用用時時，一一部部分分光光波波能能量量傳傳遞遞給給晶晶格格，使使其其振振動動加加劇劇，從從而而引引起起的的損損耗。耗。2.雜質(zhì)吸收損耗雜質(zhì)吸收損耗光光纖纖中中的的有有害害雜雜質(zhì)質(zhì)主主要要有有過過渡渡金金屬屬離離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等和OH。3.原子缺陷吸收損耗原子缺陷吸收損耗通通常常在在光光纖纖的的制制造造過過程程中中，光光纖纖材材料料受受到到某某種種熱熱激激勵勵或或光光輻輻射射時時將將會會發(fā)發(fā)生生某某個個共共價價鍵鍵斷斷裂裂而而產(chǎn)產(chǎn)生生原原子子缺缺陷陷，此此時時晶晶格格很很容容易易在在光光場場的的作作用用下下產(chǎn)產(chǎn)生生振振動動，從從而而吸吸收收光光能能，引引起起損損耗耗，其其峰峰值值吸吸收收波波長長約約為為630nm左右。左右。3.1.2 散射損耗散射損耗1.線性散射損耗線性散射損耗任任何何光光纖纖波波導(dǎo)導(dǎo)都都不不可可能能是是完完美美無無缺缺的的，無無論論是是材材料料、尺尺寸寸、形形狀狀和和折折射射率率分分布布等等等等，均均可可能能有有缺缺陷陷或或不不均均勻勻，這這將將引引起起光光纖纖傳傳播播模模式式散散射射性性的的損損耗耗，由由于于這這類類損損耗耗所所引引起起的的損損耗耗功功率率與與傳傳播播模模式式的的功功率率成成線線性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。性關(guān)系，所以稱為線性散射損耗。(1)瑞利散射瑞利散射瑞利散射是一種最基本的散射過程，瑞利散射是一種最基本的散射過程，屬于固有散射。屬于固有散射。對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞對于短波長光纖，損耗主要取決于瑞利散射損耗。值得強調(diào)的是：瑞利散射損利散射損耗。值得強調(diào)的是：瑞利散射損耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗耗也是一種本征損耗，它和本征吸收損耗一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。一起構(gòu)成光纖損耗的理論極限值。(2)(2)光光光光纖纖纖纖結(jié)結(jié)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)構(gòu)構(gòu)不不不不完完完完善善善善引引引引起起起起的的的的散散散散射射射射損損損損耗耗耗耗(波波波波導(dǎo)散射損耗導(dǎo)散射損耗導(dǎo)散射損耗導(dǎo)散射損耗)在在光光纖纖制制造造過過程程中中，由由于于工工藝藝、技技術(shù)術(shù)問問題題以以及及一一些些隨隨機機因因素素，可可能能造造成成光光纖纖結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)上上的的缺缺陷陷，如如光光纖纖的的纖纖芯芯和和包包層層的的界界面面不不完完整整、芯芯徑徑變變化化、圓圓度度不不均均勻勻、光光纖纖中中殘留氣泡和裂痕等等。殘留氣泡和裂痕等等。2.非線性散射損耗非線性散射損耗光纖中存在兩種非線性散射，它們都光纖中存在兩種非線性散射，它們都與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受與石英光纖的振動激發(fā)態(tài)有關(guān)，分別為受激喇曼散射和受激布里淵散射。激喇曼散射和受激布里淵散射。3.1.3 彎曲損耗彎曲損耗光光纖纖的的彎彎曲曲有有兩兩種種形形式式：一一種種是是曲曲率率半半徑徑比比光光纖纖的的直直徑徑大大得得多多的的彎彎曲曲，我我們們習(xí)習(xí)慣慣稱稱為為彎彎曲曲或或宏宏彎彎；另另一一種種是是光光纖纖軸軸線線產(chǎn)產(chǎn)生生微微米米級級的的彎彎曲曲，這這種種高高頻頻彎彎曲曲習(xí)習(xí)慣慣稱稱為為微彎。微彎。在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，在光纜的生產(chǎn)、接續(xù)和施工過程中，不可避免地出現(xiàn)彎曲。不可避免地出現(xiàn)彎曲。微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光微彎是由于光纖受到側(cè)壓力和套塑光纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和纖遇到溫度變化時，光纖的纖芯、包層和套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損套塑的熱膨脹系數(shù)不一致而引起的，其損耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起耗機理和彎曲一致，也是由模式變換引起的。的。3.1.4 光纖損耗系數(shù)光纖損耗系數(shù)為為了了衡衡量量一一根根光光纖纖損損耗耗特特性性的的好好壞壞，在在此此引引入入損損耗耗系系數(shù)數(shù)(或或稱稱為為衰衰減減系系數(shù)數(shù))的的概概念念，即即傳傳輸輸單單位位長長度度(1km)光光纖纖所所引引起起的的光光功功率率減減小小的的分分貝貝數(shù)數(shù)，一一般般用用表表示示損損耗耗系系數(shù)數(shù)，單位是單位是dB/km。用數(shù)學(xué)表達式表示為：用數(shù)學(xué)表達式表示為：式中：式中：L為光纖長度，以為光纖長度，以km為單位；為單位；P1和和P2分別為光纖的輸入和輸出光功率，分別為光纖的輸入和輸出光功率，以以mW或或W為單位。為單位。3.2 光纖的色散特性光纖的色散特性3.2.1 色散的概念色散的概念3.2.2 模式色散模式色散所所謂謂模模式式色色散散，用用光光的的射射線線理理論論來來說說，就就是是由由于于軌軌跡跡不不同同的的各各光光線線沿沿軸軸向向的的平平均均速度不同所造成的時延差。速度不同所造成的時延差。1.階躍型光纖中的模式色散階躍型光纖中的模式色散在在階階躍躍型型光光纖纖中中，傳傳播播最最快快的的和和最最慢慢的的兩兩條條光光線線分分別別是是沿沿軸軸線線方方向向傳傳播播的的光光線線和和以以臨臨界界角角c入入射射的的光光線線，如如圖圖3.6所所示示。因因此此，在在階階躍躍型型光光纖纖中中最最大大色色散散是是光光線線和光線和光線到達終端的時延差。到達終端的時延差。圖圖3.6 階躍型光纖的模式色散階躍型光纖的模式色散2.漸變型光纖中的模式色散漸變型光纖中的模式色散在在漸漸變變型型光光纖纖中中合合理理地地設(shè)設(shè)計計光光纖纖折折射射率率分分布布，使使光光線線在在光光纖纖中中傳傳播播時時速速度度得得到到補補償償，從從而而模模式式色色散散引引起起的的光光脈脈沖沖展寬將很小。展寬將很小。3.2.3 材料色散材料色散一一般般情情況況下下，材材料料色色散散往往往往是是用用色色散散系系數(shù)數(shù)這這個個物物理理量量來來衡衡量量，色色散散系系數(shù)數(shù)定定義義為為單單位位波波長長間間隔隔內(nèi)內(nèi)各各頻頻率率成成份份通通過過單單位位長長度度光光纖纖所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的色色散散，用用D()表表示示，單單位位是是ps/（nmkm）。）。2.材料色散材料色散在在已已知知材材料料色色散散系系數(shù)數(shù)的的前前提提下下，材材料料色色散散的的表表達達式式可可根根據(jù)據(jù)色色散散系系數(shù)數(shù)的的定定義義導(dǎo)導(dǎo)出出，材料色散用材料色散用m表示。表示。m()=Dm()L式式(3-25)中：中：為光源的譜線寬度，為光源的譜線寬度，即光功率下降到峰值光功率一半時所對應(yīng)即光功率下降到峰值光功率一半時所對應(yīng)的波長范圍；的波長范圍；L是光纖的傳播長度。是光纖的傳播長度。3.2.4 波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散式式(3-23)中中的的第第二二項項與與波波導(dǎo)導(dǎo)的的歸歸一一化化傳傳播播常常數(shù)數(shù)b和和波波導(dǎo)導(dǎo)的的歸歸一一化化頻頻率率V有有關(guān)關(guān)，而而b和和V又又都都是是光光纖纖折折射射率率剖剖面面結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)參參數(shù)數(shù)的的函函數(shù)數(shù)，所所以以式式(3-23)中中的的第第二二項項稱稱之之為為波波導(dǎo)導(dǎo)色色散散系數(shù)，用系數(shù)，用Dw()表示。表示。3.2.5 極化色散極化色散極極化化色色散散也也稱稱為為偏偏振振模模色色散散，用用p表表示示。從從本本質(zhì)質(zhì)上上講講屬屬于于模模式式色色散散，這這里里僅僅給給出粗略的概念。出粗略的概念。單單模模光光纖纖中中可可能能同同時時存存在在LP01x和和LP01y兩兩種種基基模模，也也可可能能只只存存在在其其中中一一種種模模式式，并并且且可可能能由由于于激激勵勵和和邊邊界界條條件件的的隨隨機機變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。變化而出現(xiàn)這兩種模式的交替。當(dāng)當(dāng)光光纖纖中中存存在在著著雙雙折折射射現(xiàn)現(xiàn)象象時時，兩兩個個極極化化正正交交的的LP01x和和LP01y模模傳傳播播常常數(shù)數(shù)x和和y不不相相等等。對對于于弱弱導(dǎo)導(dǎo)光光纖纖，y和和x之之差差可可以以近近似地表示為：似地表示為：式式中中：nx和和ny分分別別為為x方方向向和和y方方向向的的折折射射率率。3.2.6 總色散總色散光纖的總色散為：光纖的總色散為：值值得得說說明明的的是是，單單模模光光纖纖一一般般只只給給出出色色散散系系數(shù)數(shù)D，其其中中包包含含了了材材料料色色散散和和波波導(dǎo)導(dǎo)色散的共同影響。色散的共同影響。3.2.7 光光纖纖的的色色散散和和帶帶寬寬對對通通信信容量的影響容量的影響光光纖纖的的色色散散和和帶帶寬寬描描述述的的是是光光纖纖的的同同一一特特性性。其其中中色色散散特特性性是是在在時時域域中中的的表表現(xiàn)現(xiàn)形形式式，即即光光脈脈沖沖經(jīng)經(jīng)過過光光纖纖傳傳輸輸后后脈脈沖沖在在時時間間坐坐標(biāo)標(biāo)軸軸上上展展寬寬了了多多少少；而而帶帶寬寬特特性性是是在在頻頻域域中中的的表表現(xiàn)現(xiàn)形形式式，在在頻頻域域中中對對于于調(diào)調(diào)制制信信號號而而言言，光光纖纖可可以以看看作作是是一一個個低低通通濾濾波波器器，當(dāng)當(dāng)調(diào)調(diào)制制信信號號的的高高頻頻分分量量通通過過光光纖纖時時，就就會會受到嚴(yán)重衰減，如圖受到嚴(yán)重衰減，如圖3.12所示。所示。圖圖3.12 光纖的帶寬光纖的帶寬(f為調(diào)制信號頻率為調(diào)制信號頻率)通通常常把把調(diào)調(diào)制制信信號號經(jīng)經(jīng)過過光光纖纖傳傳播播后后，光光功功率率下下降降一一半半(即即3dB)時時的的頻頻率率(fc)的的大大小小，定定義義為為光光纖纖的的帶帶寬寬(B)。由由于于它它是是光光功功率率下下降降3dB對對應(yīng)應(yīng)的的頻頻率率，故故也也稱稱為為3dB光光帶帶寬寬?？捎檬娇捎檬?3-33)表示。表示。光光功功率率總總是是要要用用光光電電子子器器件件來來檢檢測測，而而光光檢檢測測器器輸輸出出的的電電流流正正比比于于被被檢檢測測的的光光功率，于是：功率，于是：從從式式(3-34)中中可可以以看看出出，3dB光光帶帶寬寬對應(yīng)于對應(yīng)于6dB電帶寬。電帶寬。1.色散與帶寬的關(guān)系色散與帶寬的關(guān)系既既然然脈脈沖沖展展寬寬、色色散散和和帶帶寬寬描描述述著著光光纖纖的的同同一一個個特特性性，那那么么它它們們之之間間必必然然存存在在著一定的聯(lián)系。著一定的聯(lián)系。2.模式畸變帶寬和波長色散帶寬模式畸變帶寬和波長色散帶寬由由于于總總色色散散包包括括模模式式色色散散、材材料料色色散散和和波波導(dǎo)導(dǎo)色色散散