[信息与通信]光纤通信第2章.ppt

第2章 光纤和光缆 2.1 光纤的结构和类型 2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的类型 2.2 光纤的传输原理 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 光纤的损耗特性 2.3.2 光纤的色散特性 2.3.3 光纤的频带特性 2.1 光纤的结构和类型 2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的类型 2.1.1 光纤的结构 纤芯： 玻璃 n1 传导光波 包层： 玻璃 n2 将光封闭在光纤中传播 涂敷层：环氧树脂或硅橡胶 增强光纤的机 械强度 2.1.2 光纤类型 一. 按制作光纤的材料不同分 1. 石英光纤 2. 多组分玻璃光纤 3. 全塑料光纤 4. 塑料包层光纤 二 . 按光纤结构分 2. 渐变光纤（GIF） 三. 按传输光场模式分 1. 多模光纤（MMF）： 对于较大的纤芯直径（50μm ），纤芯内传输多个模式的光波。 （1）大尺寸阶跃光纤 （2）大尺寸渐变光纤 2.单模光纤（SMF）：单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4μm～10μm 范围内。 此光纤带宽极宽，适用于大容量、长距 离通信 （1）双包层光纤 （3）椭圆芯光纤 2.2 光纤的传输原理 2.2.1 几何光学方法 1.光在阶跃光纤中传播 （1）光纤的传光原理 （2）光射线分类 子午光线：只在一个包含光线轴线的平面 内不断反射前进。 即在平面上投影为一条直线。 斜射光线：光线在光纤中传播的轨迹不在一个平面内，不与轴线相交。在包层和纤芯的介面上做全反射，形成空间直线。 在平面上投影为一条直线。 (3)子午光线的传光分析 NA, Δ Δτ 2. 光在渐变光纤中传播 （1）射线方程 1）将光线轨迹（由r描述）和空间折射率 分布(n)联系起来 2）由射线方程可以推导出光纤轨迹表达式 1) 渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数 2) 对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0， 其周期Λ=2π/A=2πa/ ， 取决于光纤的 结构参数(a, Δ)， 而与入射角θ0无关。  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，这种现象称为 自聚焦效应。 2.2.2 波动理论 波动方程——波动方程的通解——特解 根据边界条件 电场或磁场在波导 （光纤是一种 中的某种稳定 圆柱形介质波导） 存在的形式 一. 波动方程和电磁场表达式 设纤芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1，包层(r≥a)折射率n(r)=n2，实际上突变型多模光纤和常规单模光纤都满足这个条件。 为求解方程，引入无量纲参数u, w和V。 u2=a2(n21k2-β2) 0≤r ≤ a 导波径向归一化相位常数 w2=a2(β2-n22k2) r ?a 导波径向归一化衰减常数 V2=u2+w2=a2k2(n21-n22) 归一化频率 归一化传输常数 由导模传输条件即纤芯震荡，包层衰减有 U2 0 ，w2 0 则导模传输常数的取值范围n22k2 β n21k2 也就是 0≤ b ≤ 1 二. 特征方程和传输模式 模式截止 要求在包层电磁场消逝为零， 必要条件是w0。如 果w0， 电磁场将在包层振荡， 传输模式将转换为 辐射模式，使能量从包层辐射出去。w=0(β=n2k)介 于传输模式和辐射模式的临界状态， 这个状态称为 模式截止。其u、 w和β值记为uc、wc和βc，此时 V=Vc=uc。 模式远离截止 模式远离截止当V→∞时， w增加很快，当w→∞时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止，其u值记为u∞。  传输模式 1. 模式的概念 指能够独立存在的电磁场的场结构形式。光线中的传输模式是由于在光线中传输的广播有子午光纤，斜射光线构成的光波，还有由不规则的界面反射回来的光波，这些光波在纤