《光纖通信原理》第2章-修改.ppt

1、第二章 光纖和光纜,光纖作為光纖通信系統(tǒng)的物理傳輸媒介，有著巨大的優(yōu)越性。 本章首先介紹光纖的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型，然后用射線光學(xué)理論重點(diǎn)分析光在階躍型光纖中的傳輸情況，最后簡(jiǎn)要介紹光纜的構(gòu)造、典型結(jié)構(gòu)與光纜的型號(hào)。,2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型,一、 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖(Optical Fiber，OF)就是用來(lái)導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維，一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的，一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯、折射率較低的包層和外面的涂覆層，如圖2.1所示。,圖2.1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖,二、 光纖的類(lèi)型 根據(jù)不同的分類(lèi)方法，同一根光纖將會(huì)有不同的名稱(chēng)。 1. 按光纖截面上折射率分布分類(lèi) 按照截面上折射率分布的不

2、同可以將光纖分為階躍型光纖(Step-Index Fiber，SIF)和漸變型光纖(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如圖2.2所示,圖2.2 光纖的折射率分布,光線在漸變型光纖中的傳播,光線在階躍型光纖中的傳播,2. 按傳輸模式的數(shù)量分類(lèi) 按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量，可以將光纖分為多模光纖(Multi-Mode Fiber，MMF)和單模光纖(Single Mode Fiber，SMF)。 在一定的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí)，則這種光纖稱(chēng)為多模光纖。 單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，不存在模間時(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶

3、寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。,3. 按光纖的工作波長(zhǎng)分類(lèi) 按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。 4. 按ITU-T建議分類(lèi) 按照ITU-T關(guān)于光纖類(lèi)型的建議，可以將光纖分為 G.651光纖(漸變型多模光纖)、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(截止波長(zhǎng)光纖)和 G.655(非零色散位移光纖)光纖。 現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多 模光纖、漸變型多模光纖和階躍型單模光纖。,2.2 光纖的射線理論分析,一、 基本光學(xué)定義和定律 光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的，其傳播速度為 v=c/n 式中：c2.997

4、105km/s，是光在真空中的傳播速度； n是介質(zhì)的折射率(空氣的折射率為1.00027，近似為1；玻璃的折射率為1.45左右)。,反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，并且反射角等于入射角，即： 11。 折射定律 ：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿(mǎn)足： n1sin1=n2sin2,二、 光纖中光的傳播 一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，光纖中光線的傳播分兩種情形：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱(chēng)為子午射線，那個(gè)包含光纖軸線的固

5、定平面稱(chēng)為子午面；另一種情形是光線在傳播過(guò)程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱(chēng)為斜射線。,1. 子午射線在階躍型光纖中的傳播 階躍型光纖是由半徑為a、折射率為常數(shù)n1的纖芯和折射率為常數(shù)n2的包層組成，并且n1n2，如圖2.6所示。,圖2.6 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 漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù)，而是隨半徑的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 子午射線的傳播過(guò)程始終在一個(gè)子午面內(nèi)，因此可以在二維的平面內(nèi)來(lái)分析，很直觀。,三、 光纖中的模式傳輸 1. 傳導(dǎo)模的概念 模式是波動(dòng)理論的概

6、念。在波動(dòng)理論中，一種電磁場(chǎng)的分布稱(chēng)之為一個(gè)模式。在射線理論中，通常認(rèn)為一個(gè)傳播方向的光線對(duì)應(yīng)一種模式，有時(shí)也稱(chēng)之為射線模式。 2. 相位一致條件 光纖中光波相位的變化情況如圖2.9所示，在這里以階躍型光纖為例來(lái)討論光纖的相位一致條件，不作復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只提及波動(dòng)光學(xué)中的基本觀點(diǎn)和結(jié)論。,圖2.9 光纖中光波相位的變化情況,相位一致條件就是說(shuō)：如果圖中所示的這個(gè)模式在A、B處相位相等，則經(jīng)過(guò)一段傳播距離后，在A、B處也應(yīng)該相位相等或相差2的整數(shù)倍。,四、多模光纖與單模光纖 多模光纖和單模光纖是由光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)決定的，判斷一根光纖是不是單模傳輸，除了光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)外，還與光纖中傳輸?shù)墓?/p>

7、波長(zhǎng)有關(guān)。 為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用V表示。 1. 多模光纖：多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說(shuō)在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模。 2. 單模光纖：只能傳輸一種模式的光纖稱(chēng)為單模光纖。單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，它不存在模間時(shí)延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。單模光纖的帶寬一般都在幾十GHzkm以上。,2.4 光 纜,一、 光纜的典型結(jié)構(gòu) 1. 光纜的構(gòu)造 光纜的構(gòu)造一般分為纜芯和護(hù)層兩大部分。 (1) 纜芯 在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，其結(jié)構(gòu)是否合理，與光纖的安全運(yùn)行關(guān)

8、系很大。 (2) 護(hù)層 光纜護(hù)層同電纜護(hù)層的情況一樣，是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。其作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)。對(duì)于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。,2. 光纜的典型結(jié)構(gòu) 光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種。我國(guó)及歐亞各國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。 (1) 層絞式結(jié)構(gòu) 層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類(lèi)似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱(chēng)為古典式光纜。 (2) 骨架式結(jié)構(gòu) 骨架式光纜中的光纖置放于塑料骨架的槽中，槽的橫截面可以是V形、U形或其他合理的形狀，槽的縱向呈螺旋形或正弦

9、形，一個(gè)空槽可放置510根一次涂覆光纖。,(3) 束管式結(jié)構(gòu) 束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纖芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。 (4) 帶狀式結(jié)構(gòu) 帶狀式結(jié)構(gòu)的光纜首先將一次涂覆的光纖放入塑料帶內(nèi)做成光纖帶，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。,二、 光纜的種類(lèi)與型號(hào) 1. 光纜的種類(lèi) 根據(jù)光纜的傳輸性能、距離和用途，光纜可以分為市話光纜、長(zhǎng)途光纜、海底光纜和用戶(hù)光纜； 根據(jù)光纖的種類(lèi)，光纜可以分為多模光纜、單模光纜； 根據(jù)光纖套塑的種類(lèi)，光纜可以分為緊套光纜、松套光纜、束管式新型光纜和帶狀式多芯單元光纜； 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；,2. 光纜的型號(hào) (1