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1、2.1 光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤类型 2.2 光纤传输原理 2.2.1 几何光学方法 2.2.2 光纤传输的波动理论 2.3 光纤传输特性 2.3.1 光纤色散 2.3.2 光纤损耗 2.3.3 光纤标准和应用 2.4 光缆 2.4.1 光缆基本要求 2.4.2 光缆结构和类型 2.4.3 光缆特性 2.5 光纤特性测量方法 2.5.1 损耗测量 2.5.2 带宽测量 2.5.3 色散测量 2.5.4 截止波长测量 第 2 章 光纤和光缆 返回主目录 2.1 光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴 组
2、成的圆柱形细丝。 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主 要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械 保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中 传输的必要条件是n1n2。 图2.1 光纤的外形 2.1.2 光纤类型 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯 度石英（SiO2）制成的光纤。 实用光纤主要有三种基本类型， 突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相对于单模光纤单模光纤而言
3、，突变型光纤突变型光纤和渐变型光纤渐变型光纤的纤芯 直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤 图 2.2三种基本类型的光纤 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 图 2.3典型特种单模光纤 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构 和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。 双包层光纤双包层光纤 色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF） 色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF） 三角芯光纤三角芯光纤 椭圆芯光纤椭圆
4、芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。 主要用途： 突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤用在大容量长距离的系统。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55m色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容 量超长距离系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输 容量提高几倍到几十倍。 三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率 ，增加传输距离。 偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统 最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。 2.2 光纤传输原理 分析光纤传输原理的常用方法： 几何光学
5、法几何光学法 麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法 2.2.1 几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤 渐变型多模光纤 图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理 1. 突变型多模光纤 数值孔径数值孔径 为简便起见，以突变型多模光纤突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进 一步讨论光纤的传输条件。 设纤芯纤芯和包层包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤 芯中心轴线与z轴一致， 如图2.4。 光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n2)。 改变角度，不同相应的
6、光线将在纤芯纤芯与包层包层交界面发 生反射或折射。 根据全反射原理， 存在一个临界角c。 当c时，相应的光线将在交界面折射进入包层包层并逐渐 消失，如光线3。 由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能 在光纤中传播。 根据这个传播条件，定义临界角c的正弦为数值孔径数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律斯奈尔定律 NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (2.2) n0=1，由式（2.2）经简单计算得到 式中=(n1-n2)/n1为纤芯纤芯与包层包层相对折射率差相对折射率差。 NANA表示光纤接收和传输光的能力表示光
7、纤接收和传输光的能力，NA(或c)越大，光纤接 收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率越高。 对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好; 但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信限制了信 息传输容量息传输容量。 所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 (2.3) 时间延迟时间延迟 根据图2.4，入射角为的光线在长度为L(ox)的 光纤中传输，所经历的路程为l(oy)， 在不大的条件下，其传 播时间即时间延迟时间延迟为 式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(=c)和 最小入射角(=0)的光线之
8、间时间延迟时间延迟差近似为 (2.4) (2.5) 这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽脉冲展宽，或称为信号畸变信号畸变。 由此可见，突变型多模光纤突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的 光线经光纤传输后，其时间延迟时间延迟不同而产生的。 式中，n1和n2分别为纤芯中心和包层的折射率， r和a分别为 径向坐标和纤芯半径，=(n1-n2)/n1为相对折射率差，g为折射率 分布指数 g g， (r/a)0(r/a)0的极限条件下，式(2.6)表示突变型多模光纤 的折射率分布 g g=2=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤 的折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会
9、聚在 中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小 2. 渐变型多模光纤 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。 渐变型光纤折射率分布的普遍公式为 n11-=n2 ra 0ra n(r)= (2.6) 由于渐变型多模光纤渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤 芯各点数值孔径数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大 最大 数值孔径数值孔径NANAmax max 式中，为特定光线的位置矢量， s为从某一固定参考点起 的光线长度。选用圆柱坐标(r, ，z)，把渐变型多模光纤的子午 面(r - z)示于图2.5。 如式(2.6)所示，一般光纤相对折射率差都很小，光线和中 心轴线z
10、的夹角也很小，即sin。由于折射率分布具有圆对称圆对称 性性和沿轴线的均匀性沿轴线的均匀性，n与和z无关。在这些条件下， 式(2.7)可 简化为 (2.8) 射线方程的解射线方程的解 用几何光学方法几何光学方法分析渐变型多模光纤渐变型多模光纤要求解射线方程， 射 线方程一般形式为 (2.7) 图 2.5 渐变型多模光纤的光线传播原理 解这个二阶微分方程， 得到光线的轨迹光线的轨迹为 r(z)=C1sin(Az)+C2 cos(Az) (2.10) 式中，A= ， C1和C2是待定常数，由边界条件确定 。 设光线以0从特定点(z=0, r=ri)入射到光纤，并在任意点(z, r) 以*从光纤射出
11、。 由方程(2.10)及其微分得到 (2.9) C2= r (z=0)=ri C1= (2.11 ) 把式(2.6)和g=2代入式(2.8)得到 由图2.5的入射光得到dr/dz=tanii0/n(r)0/n(0)， 把这 个近似关系代入式 (2.11) 得到 由出射光线得到dr/dz=tan*/n(r)，由这个近似关系 和对式(2.10)微分得到 *=-An(r)risin(Az)+0 cos(Az) (2.12b) 取n(r)n(0)，由式(2.12)得到光线轨迹的普遍公式为 把C1和C2代入式(2.10)得到 r(z)=ricos(Az)+ (2.12a) r * = cos(Az) -
12、An(0) sin(Az) cos(Az) r1 这个公式是第三章要讨论的自聚焦透镜自聚焦透镜的理论依据。 (2.13) 由此可见，渐变型多模光纤渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正 弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0， 其周期=2/A=2a/ ， 取决于光纤的结构参数(a, )， 而与 入射角0无关。 自聚焦效应自聚焦效应 为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0, ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到 (2.14a) *=0cos(Az) (2.14b) 这说明不同入射角相应的光线， 虽然经历的路程不同， 但是最终都会聚在P点上，见图2.5和图2.2(b
13、)， 这种现象称为 自聚焦自聚焦( (Self-Focusing)Self-Focusing)效应效应。 如图2.5， 设在光线传播轨迹上任意点(z, r)的速度为v(r)， 其径向分量径向分量 那么光线从O点到P点的时间延迟时间延迟为 (2.15) 渐变型多模光纤渐变型多模光纤具有自聚焦效应自聚焦效应，不仅不同入射角相应的 光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。 和突变型多模光纤的处理相似，取0=c(rm=a)和0=0 (rm=0)的时间延迟时间延迟差为，由式(2.16)得到 (2.16 ) (2.17) 由图2.5可以得到n(0)cos0=n(r)cos=n(rm) cos0，又 v(r)=c/n(r)，利用这些条件，再把式(2.6)代入，式(2.15)就变成 2.2.2 光纤传输的波动理论 光纤传输的波动理论的两个出发点 波动方程和电磁场表达式波动方程和电磁场表达式 特征方程和传输模式特征方程和传输模式 光纤传输的波动理论的两个角度 多模渐变型光纤的模式特性多模渐变型光纤的模式特性 单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性 式中，E和H分别为电场电场和磁场磁场在直角坐标中的任一分量 ， c为光速。选用圆柱坐标(r，z)，使z轴与光纤中心轴线 一致， 如图2.6所示。 将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez 的波波 动方
