光通信知識-光纖

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構與類型，然后用射線光學理論和波動光學理論重點分析光在階躍型光纖中的傳輸情況，最后簡要介紹光纜的構造、典型結構與光纜的型號。2.1 光纖的結構與類型2.2 光纖的射線理論分析2.3 均勻光纖的波動理論分析2.4 光 纜2.1 光纖的結構與類型2.1.1 光纖的結構光纖(Optical Fiber，OF)就是用來導光的透明介質(zhì)纖維，一根實用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構成的，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 光纖結構示意圖2.1.2 光纖的類型光纖

2、的分類方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來分類，又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少、光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL來分類。1. 按光纖截面上折射率分布分類按照截面上折射率分布的不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纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù)n(r)來表示。2. 按傳輸模式的數(shù)量分類按光纖中傳輸?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)。

3、在一定的工作波上，當有多個模式在光纖中傳輸時，則這種光纖稱為多模光纖。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)，不存在模間時延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。3. 按光纖的工作波長分類按光纖的工作波長可以將光纖分為短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。4. 按ITU-T建議分類按照ITU-T關于光纖類型的建議，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(截止波長光纖)和G.655(非零色散位移光纖)光纖。按套塑(二次涂覆層)可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖

4、?，F(xiàn)在實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2.2.1 基本光學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：c2.997105km/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，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，且滿足：n1sin1=n2sin22.2.2 光纖中光的

5、傳播一束光線從光纖的入射端面耦合進光纖時，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包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱為子午射線，那個包含光纖軸線的固定平面稱為子午面；另一種情形是光線在傳播過程中不在一個固定的平面內(nèi)，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱為斜射線。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

6、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程始終在一個子午面內(nèi)，因此可以在二維的平面內(nèi)來分析，很直觀。2.2.3 光纖中的模式傳輸1. 傳導模的概念模式是波動理論的概念。在波動理論中，一種電磁場的分布稱之為一個模式。在射線理論中，通常認為一個傳播方向的光線對應一種模式，有時也稱之為射線模式。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討論光纖的相位一致條件，不作復雜的數(shù)學推導，只提及波動光學中的基本觀點和結論。圖2.9 光纖中光波相位的變化情況相位一致條件就是說：如果圖中所示的這個模式在A、B處相位相等，則經(jīng)過一段傳播距離后，在A、B

7、處也應該相位相等或相差2的整數(shù)倍。光纖的相位一致條件也可以從另外一個角度出發(fā)得到。根據(jù)物理學的知識可知：波在無限空間中傳播時，形成行波；而在有限空間傳播時，形成駐波。一旦確定了光波導和光波長，那么n1、n2、纖芯直徑2a以及真空中光的傳播常數(shù)k0也就確定了，而且式(2-17)中的最大N值也就確定了。對于漸變型多模光纖，同樣，其導模不僅要滿足全反射條件，還要滿足相位一致條件。在漸變型多模光纖中，低階模由于靠近光纖軸線，其傳播路程短，但靠近軸線處的折射率大，該處光線傳播速度慢；高階模遠離軸線，它的傳播路程長，但離軸線越遠折射率越小，該處光線的傳播速度越快。2.2.4 多模光纖與單模光纖多模光纖和單

8、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，除了光纖自身的結構參數(shù)外，還與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL有關。為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個非常重要的結構參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用V表示，其表達式如下：1. 多模光纖顧明思義，多模光纖就是允許多個模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說在多模光纖中允許存在多個分離的傳導模。2. 單模光纖只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖。單模光纖只能傳輸基模(最低階模)，它不存在模間時延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，這對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。2.3 均勻光纖的波動理論分析2.3.1 平面波在理

9、想介質(zhì)中的傳播1. 均勻平面波的一般概念所謂均勻平面波是指在與傳播方向垂直的無限大的平面上，電場強度E和磁場強度H的幅度和相位都相等的波型，簡稱為平面波。平面波是非常重要的波型，一些復雜的波可以由平面波疊加得到。在折射率為n的無限大的介質(zhì)中，一工作波長為0的平面波在其中傳播，其波數(shù)為：式中：k0是真空中的波數(shù)，是光的角頻率，和分別是介質(zhì)的導磁率和介電常數(shù),設平面波傳播方向的單位矢量為as，則k = ask稱為平面波在該介質(zhì)中的波矢量。2. 平面波在介質(zhì)分界面上的反射和折射反射波與入射波在原點處的復振幅之比稱為反射系數(shù)；傳遞波與入射波在原點處的復振幅之比稱為傳遞系數(shù)，表示為：式中：R、T都是復數(shù)

10、，包括大小及相位。其模值分別表示反射波、傳遞波與入射波幅度的大小之比；21、22是R和T的相角，分別表示在介質(zhì)分界面上反射波、傳遞波比入射波超前的相位。3. 平面波的全反射全反射是一種重要的物理現(xiàn)象，當光波從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時才能產(chǎn)生全反射，即全反射必須滿足：n1n2，c190。(1) 全反射情況時介質(zhì)1中波的特點在全反射時，式(2-32)根號中是負數(shù)，因此可以變化成下面的形式。(2) 全反射情況時介質(zhì)2中波的特點全反射時，將式(2-34)代入式(2-30b)，即可得到垂直極化波全反射時的傳遞系數(shù)。(3) 導行波和輻射波的概念綜上所述，當平面波由光密介質(zhì)射向兩介質(zhì)分界面

11、上時，根據(jù)入射角1的大小，可以產(chǎn)生兩種類型的波：當入射角大于臨界角時產(chǎn)生導行波，能量集中在光密介質(zhì)及其界面附近；當入射角小于臨界角時產(chǎn)生輻射波，一部分能量輻射到光疏介質(zhì)中并在其中傳播。對于光波導來說，導波是一種重要的波型。2.3.2 階躍光纖的波動理論1. 基本概念(1) 麥克斯韋方程組和邊界條件1在均勻光纖中，介質(zhì)材料一般是線性和各向同性的，并且不存在電流和自由電荷，因此在無源區(qū)域，均勻、無損、簡諧形式的麥克斯韋方程組為：式中：E為電場強度矢量；D為電位移矢量；H為磁場強度矢量；B為磁感應強度矢量。且D與E，B與H有下列關系。(2) 亥姆霍茲方程從麥克斯韋方程組出發(fā)，可以導出光波所滿足的亥姆

12、霍茲方程。根據(jù)矢量關系，有如下兩個等式。式中：A代表任何一個矢量，當然E、H也滿足式(2-47)。(3) 波的類型和模式在單一均勻介質(zhì)中傳播的波為平面波，稱為橫電磁波，用TEM表示，TEM波的電場和磁場方向與波的傳播方向垂直，即在波導的傳播方向上既沒有磁場分量也沒有電場分量，且三者兩兩相互垂直。對于同一類型的波，其場強在圓周方向(即方向)或徑向方向(即r方向)的分布情況又會有所區(qū)別，即電磁場的分布會不盡相同。目前通信用光纖的相對折射率差 1，稱為弱導光纖。這種光纖可以近似地用平面波束分析光的傳播。2. 階躍型光纖的波動理論階躍型光纖的波動理論分析就是以麥克斯韋方程組為基礎，根據(jù)光纖的邊界條件，

13、從亥姆霍茲方程解出階躍型光纖中導波的場方程，在此基礎上推導出其特征方程，研究其導波模式，分析其傳輸特性。(1) 亥姆霍茲方程的解階躍型光纖的纖芯半徑為a，包層半徑為b，纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，其截面形狀如圖2.17(a)所示。圖2.16幾個低階模的場型(實線為電力線，虛線為磁力線，g=2/)(2) 特征方程要確定光纖中導模的特性，就需要確定參數(shù)U、W和，只有亥姆霍茲方程的解是不夠的。由于光纖中的導模還必須滿足光纖的邊界條件，所以還要利用光纖的邊界條件來確定場表達式中的參數(shù)U、W和。(3) 光纖中的導模類型及特征方程上面已經(jīng)得到了光纖中場的亥姆霍茲方程和弱導光纖中導波的特征方程，接下

14、來分析光纖中存在哪些模式及這些模式的特征方程。 TEM波光纖中是否存在TEM波呢?根據(jù)定義，TEM波在波導的傳播方向(Z方向)上既沒有電場分量，又沒有磁場分量。即Ez0、Hz0。如果光纖中存在TEM波，則根據(jù)Ez、Hz的表達式(2-75)和式(2-76)可以得到AB0，再將AB0代入式(2-77)、式(2-78)得到Er、E、Hr、E都為零，即光纖中不存在電磁場，所以光纖中根本不存在TEM波。 TE波和TM波光纖中是否存在TE波和TM波，實際上是看單獨的TE波和TM波是否滿足邊界條件。如果光纖中存在TE波，根據(jù)TE波的定義，TE波在波導的傳播方向(Z方向)上沒有電場分量，只有磁場分量，即Ez0

15、，根據(jù)Ez表達式(2-75)可以得到A0，然后將A0代入式(2-83b)中得到 EH波和HE波從上面的闡述中可以看到，當m0時，光纖中不能存在TE波和TM波，而只能是Ez、Hz同時存在的EH波和HE波。(4) 導模的特性模的特性可以用3個特征參數(shù)U、W和來描述。U表示導模場在纖芯內(nèi)部的橫向分布規(guī)律；W表示導模場在纖芯外部的橫向分布規(guī)律。 導模的截止條件 遠離截止時的U值光纖中導模的U值是隨頻率而變化的。上面所討論的Uc值只適用于導模截止時的情況。2.4 光 纜2.4.1 光纜的典型結構1. 光纜的構造光纜的構造一般分為纜芯和護層兩大部分。(1) 纜芯在光纜的構造中，纜芯是主體，其結構是否合理，

16、與光纖的安全運行關系很大。一般來說，纜芯結構應滿足以下基本要求：光纖在纜芯內(nèi)處于最佳位置和狀態(tài)，保證光纖傳輸性能穩(wěn)定，在光纜受到一定的拉力、側壓力等外力時，光纖不應承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對也應得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應盡可能小，以降低成本和敷設空間。(2) 護層光纜護層同電纜護層的情況一樣，是由護套和外護層構成的多層組合體。其作用是進一步保護光纖，使光纖能適應在各種場地敷設，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過河、跨海等。對于采用外周加強元件的光纜結構，護層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機械特性方面的能力。2. 光纜的典型結構光纜的基本結構按纜芯組件的不同一般可以分為

17、層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種，如圖2.21所示。我國及歐亞各國用的較多的是傳統(tǒng)結構的層絞式和骨架式兩種。圖2.21光纜的典型結構示意圖(1) 層絞式結構層絞式光纜的結構類似于傳統(tǒng)的電纜結構方式，故又稱為古典式光纜。(2) 骨架式結構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形，一個空槽可放置510根一次涂覆光纖。(3) 束管式結構束管式結構的光纜近年來得到了較快的發(fā)展。它相當于把松套管擴大為整個纖芯，成為一個管腔，將光纖集中松放在其中。(4) 帶狀式結構帶狀式結構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

18、纖帶疊放在一起構成光纜芯。2.4.2 光纜的種類與型號1. 光纜的種類光纜的種類很多，其分類方法也很多，習慣的分類有：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、長途光纜、海底光纜和用戶光纜；根據(jù)光纖的種類，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；根據(jù)光纖套塑的種類，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；根據(jù)加強構件的配置方式，光纜可以分為中心加強構件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強構件光纜(如束管式光纜)和護層加強構件光纜(如帶狀式光纜)；根據(jù)敷設方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜

19、和水底光纜；根據(jù)護層材料性質(zhì)，光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。2. 光纜的型號6光纜的種類較多，同其他產(chǎn)品一樣，具有具體的型式和規(guī)格。(1) 光纜的型式代號光纜的型式代號是由分類、加強構件、派生(形狀、特性等)、護套和外護層五部分組成，如圖2.22所示。圖2.22 光纜的型式代號 光纜分類代號及其意義GY：通信用室(野)外光纜； GR：通信用軟光纜；GJ：通信用室(局)內(nèi)光纜； GS：通信用設備內(nèi)光纜；GH：通信用海底光纜； GT：通信用特殊光纜；GW：通信用無金屬光纜。 加強構件的代號及其意義無符號：金屬加強構件； F：非金屬加強構件；G：金屬重型加強構件； H：非金屬重型加強構件。 派生特征的代號及其意義B：扁平式結構； Z：自承式結構；T：填充式結構； S：松套結構。注：當光纜型式兼有不同派生特征時，其代號字母順序并列。 護套的代號及其意義Y：聚乙烯護套； V：聚氯乙烯護套；U：聚氨酯護套； A：鋁、聚乙烯護套； L：鋁護套； Q：鉛護套；G：鋼護套； S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護套。 外護層的代號及其意義