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1、光纤通信与数字传输 光纤通信与数字传输 南京邮电大学 南京邮电大学 通信与信息工程学院第二章 光纤传输理论及传输特性 第二章 光纤传输理论及传输特性 在光纤通信系统中，光纤是光波的传输介质。 光纤的材料 构造和传输特性对光纤通信系统的传 光纤的材料 、 构造和传输特性对光纤通信系统的传 输质量起着决定性的作用。 本章在介绍光纤光缆的结构和类型的基础上， 分别用波动 理 论和射线光学 理 论对光纤中的模式和 分别用波动 论和射线光学 论对光纤中的模式和 传光原理进行分析，并对光纤的衰减和色散等传输 特性进行详细的介绍 特性进行详细的介绍。 本章教学课时6 学时。 22.1 光纤、光缆的结构和类型
2、 2.1 光纤、光缆的结构和类型 2.1.1 光纤结构 2 1 2 光纤型号 2.1.2 光纤型号 2.1.3 光缆及其结构 32.1.1 光纤的结构 2.1.1 光纤的结构 光纤的基本结构主要由以下几部分组成：折射率 （n ） 较高的纤芯部分 折射率 （n ） 较低的包层 （n 1 ） 较高的纤芯部分 、 折射率 （n 2 ） 较低的包层 部分以及表面涂覆层。结构如图2-1 所示。为保护光 纤，在涂覆层外有二次涂覆层（又称塑料套管）。 4图2-1 通信光纤及其基本结构 图2 1 通信光纤及其基本结构 涂覆层的主要作用 是为光纤提供保护 纤芯和包层仅在折射 率等参数上不同，结 构上是一个完整整
3、体 纤芯 包层 125 m 涂覆层 250 m 125 m 250 m 无论何种光纤，其包 层直径都是一致的 5光纤的分类 光纤的分类 按折射率分布 按二次涂覆层结构 按二次涂覆层结构 按材料 按传导模式 61. 按纤芯折射率分布： 阶跃折射率分布和渐变折射率分布 阶跃折射率分布和渐变折射率分布 n 1 n n 1 n n 2 n 0 n 2 n 0 O b/2 a a b/2 r O b/2 a a b/2 r 思考：为什么纤 芯的折射率要高 n 1 n 2 n 1 n 2 芯的折射率要高 于包层折射率？ 7 2 22 按光纤的二次涂覆层结构 2 按光纤的二次涂覆层结构 紧套结构光纤 松套结
4、构光纤 松套结构光纤 83. 按光纤主要材料 3. 按光纤主要材料 SiO 2 光纤* 塑料光纤 塑料光纤 氟化物光纤 * SiO 是目前最主要的光纤材料 SiO 2 是目前最主要的光纤材料 94. 按光纤中的传导模式* 4. 按光纤中的传导模式 单模光纤 多模光纤 多模光纤 * 传导模式的概念将在模式分析部分介绍 传导模式的概念将在模式分析部分介绍 102.1.2 光纤型号 2.1.2 光纤型号 国际电信联盟ITU-T 规定的光纤型号主要有G.651 光纤 （ 多模光纤） G 652 光纤（ 常规单模光纤） G 653 光纤 （ 多模光纤） ，G.652 光纤（ 常规单模光纤） ，G.653
5、 光纤 （色散位移光纤），G.654 光纤（低损耗光纤），G.655 光纤 （非零色散位移光纤）以及最新的G.656 和G.657 光纤。 根据我国国家标准规定 光纤类别的代号应如下规定： 根据我国国家标准规定，光纤类别的代号应如下规定： 光纤类别应采用光纤产品的分类代号表示，即用大写A 表示多模光纤，大写B 表示单模光纤，再以数字和小写字母 表示不同种类光纤 见表2-1 及表2-2 11 表示不同种类光纤。见表2 1 及表2 2 。表2-1 多模光纤类型 表2 1 多模光纤类型 类型 折射率分布 纤芯直径(um) 包层直径(um) 材料 A1a 渐变折射率 50 125 二氧化硅 A1b 渐
6、变折射率 62.5 125 二氧化硅 A1c 渐变折射率 85 125 二氧化硅 A1d 渐变折射率 100 140 二氧化硅 A2a 阶跃折射率 100 140 二氧化硅 A2b 阶跃折射率 200 240 二氧化硅 A2c 阶跃折射率 200 280 二氧化硅 A3a 阶跃折射率 200 300 二氧化硅芯塑料包层 A3b 阶跃折射率 200 380 二氧化硅芯塑料包层 A3c 阶跃折射率 200 430 二氧化硅芯塑料包层 A3c 阶跃折射率 200 430 二氧化硅芯塑料包层 A4a 阶跃折射率 980-990 1000 塑料 A4b 阶跃折射率 730-740 750 塑料 A4c
7、阶跃折射率 480 490 500 塑料 12 A4c 阶跃折射率 480-490 500 塑料表2-2 单模光纤类型 表2 2 单模光纤类型 类型 名称 材料 标称工作波长(nm) 对应G.652 光纤 B1.1 非色散位移 二氧化硅 1310 1550 B1 2 截止波长位移 二氧化硅 1550 对应G.654 光纤 B1.2 截止波长位移 二氧化硅 1550 B2 色散位移 二氧化硅 1550 对应G.653 光纤 B2 色散位移 二氧化硅 1550 B3 色散平坦 二氧化硅 1310 1550 对应G.655 光纤 B4 非零色散位移 二氧化硅 1540 1565 132.1.3 光缆
8、及其结构 2.1.3 光缆及其结构 光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和 外护层组合成的整体 。 光缆是依靠其中的光纤来完 外护层组合成的整体 。 光缆是依靠其中的光纤来完 成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必须要保 证其中的光纤具有稳定的传输特性 证其中的光纤具有稳定的传输特性 。 14光缆的分类方法 光缆的分类方法 按成缆光纤类型 多模光纤光缆和单模光纤光缆 多模光纤光缆和单模光纤光缆 按缆芯结构 中心束管、层绞、骨架和带状 按加强件和护层 金属加强件、非金属加强、铠装 按使用场合 长途/ 室外、室内、水下/ 海底等 按敷设方式 架空、管道、直埋和水下 15光缆的结构（成缆方式） 光
9、缆的结构（成缆方式） 层绞式 骨架式 骨架式 中心束管式 带状式 16光缆结构示意图 光缆结构示意图 层绞式 中心束管式 带状式 层绞式 中心束管式 带状式 172.2 电磁波在光纤中传输的基本方程 2.2 电磁波在光纤中传输的基本方程 为全面精确的分析光波导，可采用波动理论。本 节从麦克斯韦方程组出发 推导出波动方程 然后 节从麦克斯韦方程组出发 ， 推导出波动方程 ， 然后 对光纤进行分析。 需要指出的是，这里重点是理解分析和推导的 思路和方法，而不是具体的过程 。 思路和方法，而不是具体的过程 。 182.2.1 麦克斯韦方程组和波动方程 2.2.1 麦克斯韦方程组和波动方程 微分形式的
10、麦克斯韦方程组描述了空间和时间的任意点上的场矢 量。对于无源的，均匀的，各向同性的介质，麦克斯韦方程组可表示 如 如下： （2-2 ） D t B E （2-3 ） t D H （2-4 ） （2 5 ） 0 B 0 D （2-5 ） 式中 为电场强度矢量， 为磁场强度矢量， 为电位移矢量， 为磁感 应强度矢量，为哈密顿算符，“” 代表取旋度，“ ”代表取散 0 B E H D B 19 度。麦克斯韦方程组和波动方程（续） 麦克斯韦方程组和波动方程（续） 对于无源的、各向同性的介质，有 E D H B ， 式中 为介质的介电常数， 为介质的导磁率。 E D H B 在研究介质的光学特性时，通常
11、不使用 ， 而是使 用介质的折射率 n ， 两者的关系是 ： r 用介质的折射率 ， 两者的关系是 r n 20麦克斯韦方程推出波动方程 麦克斯韦方程推出波动方程 对2-2 式两边取旋度： ) ( 0 H E 利用矢量恒等式 ) ( 0 t 2 2 0 t E E 利用矢量恒等式 E E E 2 ) ( 有 t ) ( 2 2 0 2 E t E E 由2-4 式得 （2-11 ） t 0 ) ( E E E D E E 2 E E E ) ( 2 2 0 2 E t E E 0 2 0 2 t E E 21 2 0 t 同理可得式2-12222 亥姆霍兹（Helmholtz ）方程和波参数
12、2.2.2 亥姆霍兹（Helmholtz ）方程和波参数 对于正弦交变电磁场，麦克斯韦方程组表示为 H j E E j H 0 E 0 E 0 H 0 H 22正弦交变电磁场的亥姆霍兹方程 正弦交变电磁场的亥姆霍兹方程 0 2 2 E k E 0 2 2 H k H 2 k 这样，可利用真空中参数 ， ，光速 c ，光波长 0 H k H 0 0 来表示波参数 n c c 0 1 0 亥姆霍兹方程 n r 0 n fn c n c 0 2 2 n fn n 0 2 2 nk n k 23 0 2.2.3 基本波导方程 2.2.3 基本波导方程 光波导（光纤）结构选择Z 轴为光波导的纵向轴。光波
13、导中 的能量 沿+Z 方 向 传播 ， 并假定介 电 常数只随x ，y 变化而 与z 无关 。 沿 方传 播 ， 并假定介 常数只随 ，y 变化而 无关 波导中的场可以写为： 和 2-19 代入麦克斯韦方程 以得到其分量的展 式 ) ( exp ) , ( 0 z t j y x E E ) ( exp ) , ( 0 z t j y x H H 代入麦克斯韦方程 ，可以得到其分量的展 开式 ： z x y y z x x y z a y H x H a x H z H a z H y H ) ( ) ( ) ( 2-20 z z y y x x a t E a t E a t E y y E E E E E E z y x z x y y z x x y z a H a H a H a y E x E a x E z E a z E y E ) ( ) ( ) ( 24 z y x a t a t a t 将场分量t 和z 的微商代入2-20 式并写成分量形式，再经过 适当的数学处理可用纵向方向来表示横向方向分量 适当的数学处理可用纵向方向来表示横向方向分量 ) ( 2 x E y H K j E z z x H E j ) ( 2 x H y E K j E z z y E H j 2-242-27 ) ( 2 y E x H K j H z
