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1、 光纖通信光纖通信 原理與應(yīng)用原理與應(yīng)用 第 2 章 光 纖 第第2 2章章 光光 纖纖 2.1 光纖的基本概念 2.3 光纖特性參數(shù) 2.4 光纖連接方式 2.5 光纖在通信領(lǐng)域中的應(yīng)用第第2 2章章 光光 纖纖 2.1 2.1 光纖的基本概念光纖的基本概念 2.1.1 2.1.1 光纖基本結(jié)構(gòu)光纖基本結(jié)構(gòu) 光纖是由纖芯、包層、涂覆層和護(hù)套構(gòu)成的一種同心圓柱體結(jié)構(gòu)圖2-1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖 纖芯和包層由透明介質(zhì)材料構(gòu)成,其折射率分別為n1和n2。 為了使纖芯能夠遠(yuǎn)距離傳光,構(gòu)成光纖的必要條件是n1n2。 2.1.2 2.1.2 光纖分類光纖分類1按纖芯和包層材料劃分 可分為石英光纖和塑料光纖2

2、按光纖折射率分布特點劃分 主要分為階躍光纖和漸變光纖3 3按光波模式(即電磁波類型)劃分按光波模式(即電磁波類型)劃分 可分為多模光纖和單模光纖 。多模光纖:多模光纖: 纖芯內(nèi)傳輸多個模式的光波,纖芯直徑較大(50 m左右),適用于中容量、中距離通信。單模光纖:單模光纖: 纖芯內(nèi)只傳輸一個最低模式的光波,纖芯直徑很小(幾個微米),適用于大容量、長距離通信。 2.1.3 2.1.3 光纖制造簡述光纖制造簡述 通信用光纖大多數(shù)由石英玻璃材料構(gòu)成。光纖的制造要經(jīng)歷材料提純、熔煉、拉絲、套塑等具體的工藝步驟。1提純工藝 提純的目的是去掉原料中的有害雜質(zhì),一般要求有害雜質(zhì)的含量不得大于106。 2熔煉工

3、藝 熔煉的目的是將超純的原料經(jīng)過高溫化學(xué)反應(yīng),合成具有一定折射率分布的預(yù)制棒。3拉絲工藝 拉絲的目的是將已制作好的預(yù)制棒拉成高質(zhì)量的光纖。 4套塑工藝 套塑的目的是將帶有涂覆層的光纖再套上一層熱塑性材料,進(jìn)一步增強(qiáng)光纖的強(qiáng)度。 2.1.4 光纜結(jié)構(gòu)及類型 1 1光纜結(jié)構(gòu)光纜結(jié)構(gòu) (1)纜芯光纜中包含的光纖構(gòu)成纜芯。纜芯可以放在光纜的中心或非中心部位。 (2)加強(qiáng)構(gòu)件 在光纜中心或外護(hù)層內(nèi)加入鋼絲或玻璃纖維增強(qiáng)塑料,用來增強(qiáng)光纜的拉伸強(qiáng)度。 (3)光纜護(hù)層 光纜從里到外加入一層或多層圓筒狀護(hù)套,用來防止外界各種自然外力和人為外力的破壞。護(hù)套應(yīng)具有防水防潮、抗彎抗扭、抗拉抗壓、耐磨耐腐蝕等特點。

4、光纜護(hù)層常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯和聚酰胺。此外,還有鋁、鋼、鉛等密實的金屬層用來防潮。 (4)填料 在纜芯與護(hù)套之間填充防潮油膠,用來阻止外界水分和潮氣侵入纜芯內(nèi)。 (5)鎧裝 用鋼絲、鋼帶等堅硬金屬材料做成光纜的外護(hù)套,進(jìn)一步提高光纜強(qiáng)度,用來防鼠、防蟲、防火、防外力損壞。 (6)其他 有些光纜內(nèi)放入若干根銅導(dǎo)線,用做中繼饋電線、監(jiān)控信號線等。2 2光纜類型光纜類型(1)按敷設(shè)方式分類 可分為架空光纜、管道光纜、直埋光纜、水下光纜(海底光纜)、室內(nèi)光纜等。(2)按纜芯分類 光纖束光纜:光纖與光纖之間不是固定黏結(jié)在一起的,每根光纖具有一定的位移自由。 光纖帶光纜:光纖帶是利用黏結(jié)材料

5、將多根光纖(帶有一次涂覆層)并行黏結(jié)在一起構(gòu)成的一個平面排列。 (3)按加強(qiáng)構(gòu)件材料分類 分為金屬加強(qiáng)構(gòu)件光纜和無金屬光纜(4)按加強(qiáng)構(gòu)件位置分類 集中型加強(qiáng)構(gòu)件:又分為層絞式光纜、骨架式光纜 分布型加強(qiáng)構(gòu)件:又稱為中心管式光纜。 (5)按有無鎧裝分類 簡式光纜:主要用于架空光纜、管道光纜。 鎧裝光纜:主要用于長途干線直埋光纜。2.1.5 光纜(光纖)型號命名方法 光纜(光纖)型號的命名是采用一橫列十三項參數(shù)來表示的。其中,第一至第五項是光纜類型參數(shù),第六至第十二項是光纖規(guī)格參數(shù),第十三項是附加參數(shù)。圖2-3 光纜型號命名方法 光纜各項參數(shù)的具體意義如下: 第一項光纜分類代號 第二項加強(qiáng)構(gòu)件代

6、號 第三項結(jié)構(gòu)特征代號 第四項護(hù)套代號 第五項外護(hù)層代號圖2-4 多模光纖和單模光纖規(guī)格參數(shù)的具體表示光纜類型舉例:(1)GYFGTY4D9/125( 205)B型骨架式光纖束光纜(2)GYTS型層絞式光纖束 光纜2.2 2.2 光纖傳光原理光纖傳光原理 2.2.1 光的射線理論及光纖傳光分析1光的射線理論(1)直線傳播定律 光線在均勻介質(zhì)中總是沿直線傳播的,其傳播速度為是真空中光速是均勻介質(zhì)折射率 (2)反射定律和折射定律 光線經(jīng)過兩種不同介質(zhì)的交界面時,會發(fā)生偏折。定律(3)全反射光線從光密介質(zhì)n1射向光疏介質(zhì)n2時,若入射角1滿足以下關(guān)系:1 c arcsin(n2/n1) 則只有反射光

7、,而無折射光。c稱為全反射臨界角。2光纖的兩類入射光 子午光線:若入射光線與光纖軸心線相交,則稱為子午光線。 斜射光線:若入射光線與光纖軸心線無論在光纖的入射端面上還是在光纖內(nèi)部都不相交,則稱為斜射光線。3子午光線的傳播分析圖2-13 子午光線在階躍光纖內(nèi)的傳播示意圖 (光纖縱剖面圖)(1)在階躍光纖內(nèi) 子午光線在階躍光纖內(nèi)傳播的基本特點: 光纖纖芯內(nèi)傳光路線是一系列在纖芯與包層交界面上不 斷反射前進(jìn)的折線,這些折線與光纖軸心線相交,并且與光纖軸心線共面。 若選擇光纖內(nèi)的光線恰好滿足全反射定律,于是在光纖 入射端面上的折射律公式為n0sin0 = n1sin1= n1cosc 在光纖內(nèi)n1,

8、n2交界面上的全反射公式為n1sinc = n222201121sin1 sin2cnnnn聯(lián)立求解得式中 ,稱為相對折射率差 2212212nnn 結(jié)論:結(jié)論:當(dāng)光纖端面入射角in0時,光纖可以傳光;當(dāng)光纖端面入射角in0時,光纖不能傳光。0 稱為光纖端面臨界入射角,它與光纖端面上入射點位置無關(guān)。(2)在漸變光纖內(nèi)圖2-14 子午光線在漸變光纖內(nèi)的傳播示意圖 (光纖縱剖面圖)子午光線在漸變光纖內(nèi)傳播的基本特點:子午光線在漸變光纖內(nèi)傳播的基本特點: 光纖纖芯內(nèi)傳光路線是周期性連續(xù)曲線,與光纖軸心線相交,并且傳光路線與光纖軸心線共面。 光纖端面臨界入射角為0(r) = ,與光纖端面上入射點位置r

9、有關(guān)。其中,0(r = 0)稱為中心臨界入射角,0(r 0)稱為非中心臨界入射角。 可見,0(r = 0)0(r 0),表明中心入射光線比非中心入射光線可以有大一些的入射角。 光纖端面入射角in越小,則光纖纖芯內(nèi)光線越靠近軸心線傳播。2212arcsin( )n rn4斜射光線的傳播分析(1 1)在階躍光纖內(nèi))在階躍光纖內(nèi) 斜射光線在階躍光纖內(nèi)傳播的基本特點: 纖芯內(nèi)傳光路線是一系列折線,這些折線與光纖軸心線不共面,而是圍繞光纖軸心線旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的。這些折線在纖芯橫截面上的正投影形成一個內(nèi)切圓,內(nèi)切圓的半徑大小與斜射光線的入射角有關(guān)。 光纖端面臨界入射角為 (是入射光線進(jìn)入纖芯后的第一條折線在光纖

10、橫截面上的正投影與半徑之間的夾角)??梢娦鄙涔饩€比子午光線可以有更大的入射角。000arcsin(sin/cos),(2)在漸變光纖內(nèi))在漸變光纖內(nèi) 斜射光線在漸變光纖內(nèi)傳播的基本特點: 纖芯內(nèi)傳光路線是一系列曲線,這些曲線與光纖軸心線不共面,而是圍繞光纖軸心線旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的。這些曲線在纖芯橫截面上的正投影形成一個內(nèi)切圓,內(nèi)切圓的半徑大小與斜射光線的入射角有關(guān)。 上述這些曲線的起點和終點形成一個外圓,外圓上各點的介質(zhì)折射率都相等,稱為等折射率面。外圓的半徑大小與斜射光線的入射角有關(guān),外圓的最大半徑等于纖芯半徑。 光纖端面入射角in越小,則外圓和內(nèi)切圓半徑越小, 即纖芯內(nèi)曲線越靠近軸心線傳播。 若光

11、纖折射率為拋物線分布,則外圓和內(nèi)切圓重合, 此時光纖內(nèi)傳光路線是圍繞光纖軸心線旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的螺 旋線。2.2.2 2.2.2 光纖導(dǎo)波模式的粗糙解光纖導(dǎo)波模式的粗糙解( (射線分析方法射線分析方法) )1導(dǎo)波形成的兩個必要條件導(dǎo)波形成的兩個必要條件(1)全反射條件(2)等相面條件ABCD 相位變化量- AD相位變化量 = 2 (2-4)2等相面條件的化簡等相面條件的化簡 (2-4)式化簡為4akn1cos1 + 20 = 2 ( = 0, 1, 2, ) (2-6) 稱為導(dǎo)波特征方程。 (2-6)式是纖芯內(nèi)能夠形成導(dǎo)波的入射角1所應(yīng)滿足的條件,可見1不能連續(xù)取值。 若將k1x= kn1cos1代入

12、特征方程,可得 4ak1x + 20 = 2 ( = 0, 1, 2, ) (2-7) 稱為橫向諧振條件。3導(dǎo)波模式的初步結(jié)論導(dǎo)波模式的初步結(jié)論(1)特征方程中的 稱為導(dǎo)波模式的階次,最低階次 = 0稱為基模。(2)越高,則纖芯內(nèi)入射角1越小,或光纖端面入射角 in越大。(3)越高,則k1x越大,即1越短,故橫向電場波節(jié)數(shù)越 密。2.2.3 2.2.3 光纖導(dǎo)波模式的精確解光纖導(dǎo)波模式的精確解( (電磁場分析方電磁場分析方 法法) )1理論計算的三大步驟理論計算的三大步驟 (1)利用圓柱坐標(biāo)系(r, , z)中的赫姆霍茲方程求出z方向的電場分量和磁場分量EZ, HZ。解得:jjzjjJ ()e

13、e K ()eemzmmzmAUrEBWrjjjjJ ()eeK ()eemzmzmzmCUrHDWr(ra)(ra) (2-8)(ra)(ra) (2-9) 綜合分析,可以得到 導(dǎo)波存在的條件為 kn2 kn1 導(dǎo)波截止的臨界條件為 = kn2 令 ,稱為歸一化頻率。 臨界狀態(tài)時 ,則 ,Vc稱為歸一化截 止頻率。 可將上述導(dǎo)波條件改寫成導(dǎo)波存在的條件為 VVc 導(dǎo)波截止的臨界條件為 V=Vc22VUW a0cWWcVUaV(2)由EZ和HZ利用麥克斯韋方程組求出r方向和方向的電場和磁場分量Er, E, Hr, H。0zzjrEHEKrr 0jzzEHEKrr jizzrHEHKrr jzz

14、iHEHKrr (3)利用E, H在纖芯和包層交界處連續(xù)的特點,即在 r = a處 E1 = E2, H1 = H2,可以求出導(dǎo)波 特征方程為2222212122222J ( )K ( )J ( )K ( )11J ( )K ( )J ( )K ( )mmmmmmmmuwuwnnnnmuuwwuuwwuwuw2四類導(dǎo)波模式四類導(dǎo)波模式 (1)TE0n(n = 1, 2, 3, )模式,稱為橫電波。 特點:縱向無電場,僅有磁場,即Ez = 0,Hz0。 (2)TM0n(n = 1, 2, 3, )模式,稱為橫磁波。 特點:縱向無磁場,僅有電場,即Hz = 0,Ez0。 (3)EHmn(m = 1

15、, 2, 3, ;n = 1, 2, 3, )模式,稱 為混合波。 特點:縱向既有電場,又有磁場,即Ez和Hz0。 (4)HEmn(m = 1, 2, 3, ;n = 1, 2, 3, )模式,稱為混合波。 特點:縱向既有電場,又有磁場,即Ez和Hz0。 3導(dǎo)波模式的存在條件導(dǎo)波模式的存在條件 表2-2 導(dǎo)波模式與歸一化截止頻率Vc的對應(yīng)關(guān)系導(dǎo)波模式(矢量模)VcHE11 0 TE01, TM01, HE21 2.4048 EH11, HE12, HE31 3.8317 EH21, HE41 5.1356 TE02, TM02, HE22 5.5201 理論指出,實際光纖中能夠傳輸?shù)膶?dǎo)波模式必

16、須滿 足 V Vc (2-16) 對于實際光纖,可以先由 (2-17)式算出V的數(shù)值大小,然后利用 (2-16)式就可確定該光纖傳輸?shù)膶?dǎo)波模式 2222122 aVUW ann(2-17)(1)HE11模式(Vc = 0)在任何光纖中都存在(因為單模和多模光纖總有V0)。 HE11 模式稱為基模。(2)滿足0V2.4048條件的光纖,僅含基模,稱為單模光纖;反之,滿足V2.4048條件的光纖,則含有基模和其他模式,稱為多模光纖。于是得到光纖的單模工作條件為 0V2.4048 多模工作條件為 V2.4048(3)纖芯越細(xì),高階模數(shù)量越少;纖芯越粗,高階模數(shù)量越多。(4)工作波長越長,高階模數(shù)量越

17、少;工作波長越短,高階模數(shù)量越多。(5)光纖端面臨界入射角0越小,高階模數(shù)量越少;0越大,高階模數(shù)量越多。(6)理論算得光纖傳導(dǎo)模的總數(shù)N 為階躍多模光纖 N V 2/2漸變多模光纖 N V 2/4 標(biāo)量模又稱為線性偏振模 由于通常光纖 (n1n2)/n10.01,故可將光纖內(nèi)傳播的光線近似看成是與光纖軸心線平行的。因而,所傳光線的電磁場橫向分量很大,而縱向分量則很小,并且近似認(rèn)為,在入射光線的傳播過程中,場的橫向偏振方向保持不變,即視傳播光線為線性偏振,因而可以用一個標(biāo)量來描述。標(biāo)量模的存在條件為V Vc (2-20)表2-3 標(biāo)量模LPmn的歸一化截止頻率VcVcm0123 n10 (LP

18、01) 2.4048(LP11) 3.8317(LP21) 5.1356(LP31) 23.8317(LP02)5.5201(LP12)7.0156(LP22)8.4172(LP32) 37.0156(LP03) 8.6537(LP13) 10.1735(LP23)11.6198(LP33) 2.3 2.3 光纖特性參數(shù)光纖特性參數(shù)2.3.1 數(shù)值孔徑 1定義:數(shù)值孔徑等于光纖端面臨界入射角的正弦值 (1)階躍光纖數(shù)值孔徑 2201210sin2sin/cosNAnnnNANA階躍光纖的斜射光線比子午光線可以有較大的入射角 (2)漸變光纖數(shù)值孔徑220( )121220( )G( )sin(

19、)( ) 2 ( )(0)sinNA( )/ 1( / ) sinrrNA rn rnn rrNA rrr a漸變光纖的斜射光線比子午光線也可以有較大的入射角 (3)最大理論數(shù)值孔徑(4)遠(yuǎn)場強(qiáng)度有效數(shù)值孔徑 1maxn22t0(t)1max21maxmaxNANAsinnnn2NA(0)effeNAsinNAeff和NAt之間的關(guān)系: NAeff =式中 是纖芯折射率分布指數(shù)。 階躍光纖: 拋物漸變光纖: /2t10.05NAefftNANAefftNA0.975NA2 2數(shù)值孔徑與光源波長的關(guān)系數(shù)值孔徑與光源波長的關(guān)系 effeffttNA(0.85 m)0.987NA(0.633 m)0

20、.987NA (0.633 m)0.962NA (0.633 m)((階躍光纖)漸變光纖)3數(shù)值孔徑的物理意義數(shù)值孔徑的物理意義 數(shù)值孔徑表示光纖采光能力的大小。數(shù)值孔徑越大,則光纖與光源或和其他光纖的耦合就越容易。但數(shù)值孔徑過大,則大,這會增加光纖傳輸損耗,故數(shù)值孔徑應(yīng)適當(dāng)取值。 ITU-T規(guī)定:多模漸變光纖的NAt=(0.180.24)0.02,單模光纖NAt0.11。(dB/km) (2-29a) 2.3.2 衰減特性衰減特性 1定義定義 (1)衰減常數(shù) 光在光纖中傳播時光功率的衰減,稱為光纖損耗。常用衰減常數(shù)來表示,其定義為 物理意義:表示光纖單位長度上光功率的變化,它影響光纖傳光距離

21、的遠(yuǎn)近。 inout10lgPLP(2)單模光纖半經(jīng)驗公式 = (0.53+66max+0.21c)/4 (dB/km) (2-30)2衰減產(chǎn)生的主要原因衰減產(chǎn)生的主要原因(1)本征損耗(光纖材料所固有)(2)工藝損耗(在提純、熔煉、拉絲等過程中產(chǎn)生)(3)布線施工損耗 強(qiáng)彎曲損耗 ; 微彎曲損耗 ; 接頭損耗 。3 3光纖通信使用的波段光纖通信使用的波段(1)短波長窗口(近紅外窗口)短波長窗口(近紅外窗口) 波長范圍是0.800.90 m,通常使用0.85 m。 (2)長波長窗口(近紅外窗口)長波長窗口(近紅外窗口) 波長范圍是1.251.35 m及1.501.60 m,通常使 用1.31

22、m及1.55 m。 目前的光纖通信系統(tǒng)多采用長波長窗口。 1定義定義 截止波長是光纖中只能傳導(dǎo)基模的最低工作波長。 若工作波長高于截止波長,則高次模截止,僅僅傳導(dǎo)基模,此時光纖稱為單模光纖;若工作波長低于截止波長,則高次模傳導(dǎo),此時光纖稱為多模光纖。 (1)理論截止波長ct1maxctmaxc22anV其中Vc 2.4048 (2-31) 光纖的單模工作條件為光纖的單模工作條件為 ct 光纖的多模工作條件為光纖的多模工作條件為 ct(2)2 m長涂覆光纖實測截止波長c (3)22 m長光纜實測截止波長cc (4)一個中繼段光纜的有效截止波長ce 以上四種截止波長的關(guān)系是 ctcccce (2-

23、32)3確定截止波長的目的確定截止波長的目的 是為了確實保證光纖中的單模傳輸。 光纖越長,衰減越大,并且高階模比低階模衰減得更快,因此,若兩光纖的a, n1, n2, , in都分別相同,則短光纖比長光纖的高階模多。若兩光纖的a, n1, n2, in及高階模類型均相同,則短光纖比長光纖的大。所以,只要保證了最短光纖中是單模傳輸,就更可以保證任何較長光纖中也是單模傳輸??傊?,單模工作條件是 ctcccce (2-33)2.3.4 帶寬與色散帶寬與色散 1光纖帶寬的概念 光纖的頻帶特性與光纖的長度有關(guān)系,常用“帶寬距離”積來表示光纖的頻帶特性,其單位常使用MHzkm或GHzkm。 2影響帶寬的原

24、因 (1)模間色散)模間色散 定義定義 同一波長光信號的不同模式成分之間的色散,稱為模間色散或模式色散。模間色散只在多模光纖中存在。 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因多模光纖中各個模式的光傳播的路徑和速度不同,使得在光纖出射端各模式的到達(dá)時間不一致,產(chǎn)生時延差,引起光脈沖展寬。圖2-20 模間色散時延差導(dǎo)致光脈沖展寬的示意圖證明:拋物漸變光纖(證明:拋物漸變光纖( = 2)具有最小模間色散。)具有最小模間色散。 第一步:證明光纖端面軸心處入射角in不同的入射子午光線在纖芯內(nèi)都通過軸心線上的O點。圖2-21 拋物漸變光纖子午光線模間色散時延差計算圖 可見長度與in無關(guān),這表明in 不同的入射子午光線在纖芯內(nèi)都能

25、匯聚于O點。第二步:證明in不同的入射光線自O(shè)O的傳播時間T都為OOOO2a1Tan (0)/(c 2 )這表明T與in 無關(guān),不同的光線在纖芯內(nèi)走完OO路徑所用的時間相同,即不存在時延差。結(jié)論:結(jié)論: 模間最大時延差模間最大時延差 M的粗略估算的粗略估算 階躍光纖階躍光纖21M(L)2Lncn1M(1)nc 漸變光纖漸變光纖 rm = 0和rm = a的光線時延差為 21(1)0(0)2Manttc 模間色散帶寬計算公式模間色散帶寬計算公式M3dB (ns) (2-46a)M M (MHz) (2-46b)(2)模內(nèi)色散)模內(nèi)色散 定義定義 同一個導(dǎo)波模式的不同光波長之間的色散,稱為模內(nèi)色散

26、或色度色散。 產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因 光源光譜不純; 光纖石英材料的折射率不是一個常數(shù),而是隨光波長的增大而減小; 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與折射率分布等參量有關(guān),使得不同路徑光線之間的速度差是一個隨傳輸路徑變化的復(fù)雜函數(shù)。 這三方面原因?qū)е峦粋€導(dǎo)波模式的不同波長光線之間產(chǎn)生時延差,引起光脈沖展寬。 (a)材料色散材料色散 光源光譜不純以及光纖石英材料的折射率隨波長而變化這兩個原因,所產(chǎn)生的模內(nèi)色散稱為材料色散。材料色散可以在單模和多模光纖中存在。 材料色散時延差為n(L) = Dn() L103 (ns) (2-47a) 材料色散帶寬則為( )3( )441441()( )10n Ln LnBMHzDL (2-

27、48) (b) 波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 光源光譜不純以及波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的影響,所產(chǎn)生的模內(nèi)色散稱為波導(dǎo)色散。波導(dǎo)色散在單模光纖和多模光纖中都能夠存在,但在多模光纖中其影響很小,通??梢月匀?。 波導(dǎo)色散時延差可寫為 w(L) = Dw() L103 (ns) (2-49a) 波導(dǎo)色散帶寬則為( )( )441(MHz)w Lw LB(2-50) 模內(nèi)總的色散模內(nèi)總的色散 模內(nèi)總色散時延差為 I(L) = n(L) + w(L) = DI()L103(ns) (2-51) DI() = Dn()+Dw() (2-52) 模內(nèi)總色散帶寬則為111( )( )( )( )441() (MHz)I Ln Lw LI LBBB(2-53)(3 3)光纖總的色散公式)光纖總的色散公式 光纖總的色散時延差為 光纖總的色散帶寬為InwT2222IMnwM()11InwT2211 22TIMnwM1/()4411/1/()BBBBBBBBB(2-54)(2-55)3帶寬與光纖長度的關(guān)系帶寬

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