第二章 光纖傳輸理論及傳輸特性(2011)

1、纖芯包層125m涂覆層250m無(wú)論何種光纖，其包無(wú)論何種光纖，其包層直徑都是一致的層直徑都是一致的涂覆層的主要作用涂覆層的主要作用是為光纖提供保護(hù)是為光纖提供保護(hù)纖芯和包層僅在折射纖芯和包層僅在折射率等參數(shù)上不同，結(jié)率等參數(shù)上不同，結(jié)構(gòu)上是一個(gè)完整整體構(gòu)上是一個(gè)完整整體Ob/2aab/2n1n2n0n1n2rnOb/2aab/2n1n2n0n1n2rn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2

2、00240二氧化硅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塑料類型類型名稱名稱材料材料標(biāo)稱工作波長(zhǎng)標(biāo)稱工作波長(zhǎng)(nm)(nm)B1.1B1.1非色散位移非色散位移二氧化硅二氧化硅1310 1310 ，15501550B1.2B1.2截止波長(zhǎng)位移截止波長(zhǎng)位移二氧化硅二氧化硅15501550B2B2色散位移色散位移二氧化硅二氧化硅15501550B3

3、B3色散平坦色散平坦二氧化硅二氧化硅1310 1310 ，15501550B4B4非零色散位移非零色散位移二氧化硅二氧化硅1540 1540 15651565l 多模光纖光纜和單模光纖光纜多模光纖光纜和單模光纖光纜l 中心束管、層絞、骨架和帶狀中心束管、層絞、骨架和帶狀l 金屬加強(qiáng)件、非金屬加強(qiáng)、鎧裝金屬加強(qiáng)件、非金屬加強(qiáng)、鎧裝l 長(zhǎng)途長(zhǎng)途/ /室外、室內(nèi)、水下室外、室內(nèi)、水下/ /海底等海底等l 架空、管道、直埋和水下架空、管道、直埋和水下層絞式層絞式中心束管式中心束管式帶狀式帶狀式微束管室內(nèi)室外光纜適合大樓和多層住宅樓的管道引入使用，適合室微束管室內(nèi)室外光纜適合大樓和多層住宅樓的管道引入使

4、用，適合室內(nèi)和室外兩種環(huán)境，芯數(shù)一般為內(nèi)和室外兩種環(huán)境，芯數(shù)一般為12123232。微束管松套光纖為半干式結(jié)構(gòu)，。微束管松套光纖為半干式結(jié)構(gòu)，便于室內(nèi)光纜分支和施工。便于室內(nèi)光纜分支和施工。與分支型室內(nèi)布線光纜類似，還有一種束狀室內(nèi)布線光纜，使用與分支型室內(nèi)布線光纜類似，還有一種束狀室內(nèi)布線光纜，使用0.9mm0.9mm緊套光纖，干式結(jié)構(gòu)，纖芯密度高，重量輕。緊套光纖，干式結(jié)構(gòu)，纖芯密度高，重量輕。分支型室內(nèi)布線光纜采分支型室內(nèi)布線光纜采用單芯子單元光纜結(jié)構(gòu)，適用單芯子單元光纜結(jié)構(gòu)，適合在大樓豎井內(nèi)中長(zhǎng)距離上合在大樓豎井內(nèi)中長(zhǎng)距離上的多處分纖終端，每條光纜的多處分纖終端，每條光纜子單元均可用現(xiàn)

5、場(chǎng)連接器直子單元均可用現(xiàn)場(chǎng)連接器直接與終端相連接。光纜為全接與終端相連接。光纜為全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的防火介質(zhì)結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的防火阻燃性能?？估瓘?qiáng)度和防火阻燃性能。抗拉強(qiáng)度和防火等級(jí)滿足室內(nèi)垂直等級(jí)滿足室內(nèi)垂直/ /水平布線水平布線光纜的等級(jí)要求。芯數(shù)有光纜的等級(jí)要求。芯數(shù)有4/6/8/12/244/6/8/12/24多種。多種。室內(nèi)室內(nèi)“8 8”字布線光纜又稱為蝶形入戶光纜或皮線光纜，是應(yīng)用于字布線光纜又稱為蝶形入戶光纜或皮線光纜，是應(yīng)用于FTTxFTTx的專用光纜，特別適合穿過(guò)樓內(nèi)各種管道，適應(yīng)樓內(nèi)復(fù)雜的敷設(shè)和應(yīng)的專用光纜，特別適合穿過(guò)樓內(nèi)各種管道，適應(yīng)樓內(nèi)復(fù)雜的敷設(shè)和應(yīng)用環(huán)境。光纜采用小

6、彎曲半徑光纖，具有優(yōu)良的抗彎性能。無(wú)需工具即可用環(huán)境。光纜采用小彎曲半徑光纖，具有優(yōu)良的抗彎性能。無(wú)需工具即可剝開光纜，施工安全可靠，可如同銅纜施工一樣對(duì)待，不宜出現(xiàn)施工故障。剝開光纜，施工安全可靠，可如同銅纜施工一樣對(duì)待，不宜出現(xiàn)施工故障。能與多種現(xiàn)場(chǎng)連接器匹配，可現(xiàn)場(chǎng)成端。能與多種現(xiàn)場(chǎng)連接器匹配，可現(xiàn)場(chǎng)成端。 入入反反12sinsinnn 入入折折 入入 反反 折折第第1種媒質(zhì)（種媒質(zhì)（n1）分界面分界面第第2種媒質(zhì)（種媒質(zhì)（n2）n1n2法線法線反射定律：反射定律：入射角入射角入入反射角反射角反反折射定律：折射定律：n1sin 入入n2sin 折折入入 反反折折入射光線入射光線折射光線折

7、射光線反射光線反射光線第第1種媒質(zhì)（種媒質(zhì)（n1）分界面分界面第第2種媒質(zhì)（種媒質(zhì)（n2）n1n2法線法線折射光線折射光線反射光線反射光線入射光線入射光線全反射定律：全反射定律：當(dāng)入射角度增大到某一角當(dāng)入射角度增大到某一角度時(shí)，折射角可以獲得最度時(shí)，折射角可以獲得最大值大值9090，此時(shí)可認(rèn)為無(wú)，此時(shí)可認(rèn)為無(wú)折射光存在，所有的入射折射光存在，所有的入射光都被反射，稱為全反射光都被反射，稱為全反射現(xiàn)象，滿足全反射現(xiàn)象的現(xiàn)象，滿足全反射現(xiàn)象的最小角度稱為全反射的臨最小角度稱為全反射的臨界角界角 C C。C光纖軸光纖軸線方向線方向纖芯（纖芯（n1）包層（包層（n2）n1n2思考：如果光纖發(fā)生彎曲思考

8、：如果光纖發(fā)生彎曲或形變會(huì)有什么結(jié)果？或形變會(huì)有什么結(jié)果？此處亦有折射現(xiàn)象，如何此處亦有折射現(xiàn)象，如何由光纖內(nèi)部的全反射條件由光纖內(nèi)部的全反射條件推導(dǎo)處此處的入射條件？推導(dǎo)處此處的入射條件？（入射角（入射角/接收角）接收角）空氣（空氣（n0） 子午光線是平子午光線是平面曲線面曲線 偏射光線是空偏射光線是空間曲線間曲線2212112211210sinsinsin2annnnnn 220121sin2aNAnnnn 2a 2222012sin1.521.490.30annn 00234.922arcsin(0.30)ann 234.92a 226.26a xyzaaaxyz 2222222xyz

9、0u0A 2AAA 0B 0D DHt BEt E H D B DE BH rn r 0()EHt 202EEt 2202()EEEt 利用矢量恒等式利用矢量恒等式2()EEE ()0DEEE 由由2-4式得式得EE 2202()EEEt 22020EEt 同理可得式同理可得式212（2-11）對(duì)對(duì)2-2式兩邊取旋度：式兩邊取旋度：HjEEjH0 E0 H022EkE022HkH2k 01rccn 022 ccnfnn 0022knnk 0000( , )exp ()EEx yjtz 0( , )exp ()HHx yjtz ()()()yyzzxxxyzyzxxyzHHHHHHaaayzzx

10、xyEEEaaattt ()()()yyzzxxxyzyzxxyzEEEEEEaaayzzxxyHHHaaattt 2()zzxHEjEKyx 2()zzyEHjEKyx 2()zzxHEjHKxy 2()zzyHEjHKyx 222Kk 22k 022222zzzEKyExE022222zzzHKyHxH022zzTEKE022zzTHKH22222yxT21()zzrEHjEKrr 2()zzEHjEKrr 21()zzrHEjHKrr 2()zzHEjHKrr 222222110zzzzEEEK Errrr 222222110zzzzHHHK Hrrrr arbarbn1n2纖芯包層界面

11、包層空氣界面抽象和簡(jiǎn)化022222221()0zzzd EdEmn kEdrr drr 022222221()0zzzd HdHmn kHdrr drr 1()( )mzmurJaEAJu 1()( )mzmurJaHBJu 2()()mzmWrKaECKW 2()()mzmWrKaHDKW 22 1/21()ua k 22 1/22()Wak 2222222120()VuWannk 22012012Vaknnak n 121nnn 22224122440( )()( )()( )()( )()mmmmmmmmJuKWJuKWnnmVuJuWKWu JuW KWku W 12222200001

12、2()kVuWaknnc ，a1n22012Vaknn uW22 1/21()ua k 22 1/22()Wak uW a) HE11 (基?；? b) TE011211nnn m=0m=1LP模u(Vc)值范圍矢量模簡(jiǎn)并度總模數(shù)LP0102.4048HE1122LP112.40483.8317TE01，TM01，HE2146LP023.83175.1356HE1228LP213.83175.1356HE31，EH11412LP315.13565.5201HE41，EH21416LP125.52012.3802TE02，TM02，HE22420LP412.38027.0156HE51，EH3

13、1424LP037.04157.5883HE13226LP227.01567.5883HE32，EH12430LP517.58838.4172HE61，EH41434221222.405aVnn c 22122(m)2.4048ca nn ( )10lgioPAP 10( )lgioPLP ( )A ( ) ( ) 本征吸收（材料本身）本征吸收（材料本身）非本征（雜質(zhì)）非本征（雜質(zhì)）41/ (dB/km)(nm)1300140015001600瑞利散射紫外吸收紅外吸收85013101550D 0 1gggNtVC 212md nDC d mmD L 22w2()nd VbDVCdV 22332

14、2/4/Scc SdD d PMD（ps/km1/2）最大傳輸距離（最大傳輸距離（km）2.5Gbit/s10Gbit/s40Gbit/s3.01801111.0160010060.56400400250.116000010000625D(ps/kmnm)(nm)-10-50+5+10總色散材料色散波導(dǎo)色散111max212(1)LnnLnttcnc dBPfPc312/1lg10)0()(lg10dBIfIc612/1lg20)0()(lg2022(/) ln2() /ln211( )()ln 2cLcLffftcLh tFHfFef e cLcffL 性能模場(chǎng)直徑(m)截止波長(zhǎng)(nm)零色

15、散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)衰減系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nmkm)1310nm1310nm 1550nm1310nm 1550nm要求值9126013101310/15500.36 0.220 +18 G.652 G.652光纖又稱為常規(guī)單模光纖或標(biāo)準(zhǔn)單模光纖光纖又稱為常規(guī)單模光纖或標(biāo)準(zhǔn)單模光纖（STD SMFSTD SMF），被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸。在），被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信和圖像傳輸。在1310nm1310nm窗口處有零色散。在窗口處有零色散。在1550nm1550nm窗口處有較大的色窗口處有較大的色散，達(dá)散，達(dá)+18ps/+18ps/nmkmnmkm。 性能模場(chǎng)直徑(

16、m)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)衰減系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nmkm)1310nm1310nm 1550nm1310nm 1550nm要求值8.3 1270 1550 1550 0.45 0.25 -18 0 G.653 G.653光纖又稱為色散位移光纖（光纖又稱為色散位移光纖（DSFDSF），將在），將在1310nm1310nm附近的零色散點(diǎn)，移至附近的零色散點(diǎn)，移至1550nm1550nm波長(zhǎng)處，使其在波長(zhǎng)處，使其在1550nm1550nm波長(zhǎng)處的衰減系數(shù)和色散系數(shù)均很小。主要用于單波長(zhǎng)處的衰減系數(shù)和色散系數(shù)均很小。主要用于單信道長(zhǎng)距離海底或陸地通信干線，其

17、缺點(diǎn)是不適合波分復(fù)信道長(zhǎng)距離海底或陸地通信干線，其缺點(diǎn)是不適合波分復(fù)用系統(tǒng)。用系統(tǒng)。性能模場(chǎng)直徑(m)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)衰減系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nmkm)1310nm1310nm 1550nm1310nm 1550nm要求值10.5 1530 131015500.45 0.20 0 +18 G.654 G.654光纖又稱為光纖又稱為15501550nmnm損耗最小光纖，它在損耗最小光纖，它在15501550nmnm處衰減系數(shù)很小，處衰減系數(shù)很小，0.2dB/km0.2dB/km，光纖的彎曲性能，光纖的彎曲性能好。主要用于無(wú)需插入有源器件的長(zhǎng)距離無(wú)再

18、生海底光纜好。主要用于無(wú)需插入有源器件的長(zhǎng)距離無(wú)再生海底光纜系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是制造困難，價(jià)格貴。系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是制造困難，價(jià)格貴。性能模場(chǎng)直徑(m)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工作波長(zhǎng)(nm)衰減系數(shù)(dB/km)色散系數(shù)(ps/nmkm)1310nm1310nm 1550nm1310nm 1550nm要求值811 1480 15401565 15401565 0.5 0.24 -18 1|D|4 G.655 G.655光纖稱為非零色散位移光纖（光纖稱為非零色散位移光纖（NZ DSFNZ DSF）。）。G.655 G.655 光纖在光纖在15501550nmnm波長(zhǎng)處有一低的色散（但不是最?。苡胁ㄩL(zhǎng)處有一低的色散（但不是最?。?，能有效抑制效抑制“四波混頻四波混頻”等非線性現(xiàn)象。適用于速率高于等非線性現(xiàn)象。適用于速率高于10Gb/s10Gb/s的使用光纖放大器的波分復(fù)用系統(tǒng)。的使用光纖放大器的波分復(fù)用系統(tǒng)。性能模場(chǎng)直徑(m)截止波長(zhǎng)(nm)零色散波長(zhǎng)(nm)工