光纖通信第二章課件

光纖通信第二章課件第一頁，共九十頁，2022年，8月28日光源調(diào)制器驅(qū)動電路放大器光電二極管判決器光纖光纖中繼器光纖第二頁，共九十頁，2022年，8月28日光纖通信系統(tǒng)的基本要求是能將任何信息無失真地從發(fā)送端傳送到用戶端，這首先要求作為傳輸媒質(zhì)的光纖應具有均勻、透明的理想傳輸特性，任何信號均能以相同速度無損無畸變地傳輸。但實際光纖通信系統(tǒng)中所用的光纖都存在損耗和色散，當信號強度較高時還存在非線性。？在實際系統(tǒng)中，光信號到底如何傳輸？其傳輸特性、傳輸能力究竟如何？——本章討論的要點。引言第三頁，共九十頁，2022年，8月28日1 光纖與光纜的結構和類型2光纖的傳輸原理3 光纖傳輸特性第二章光纖傳輸理論及傳輸特性第四頁，共九十頁，2022年，8月28日1光纖與光纜的結構和類型60年代，光纖損耗超過1000dB/km1970年出現(xiàn)突破，光纖損耗降低到約20dB/km(1m附近波長區(qū))1979年，光纖損耗又降到0.2dB/km(在1.55m處)

－－低損耗光纖的問世導致了光波技術領域的革命，開創(chuàng)了光纖通信的時代。第五頁，共九十頁，2022年，8月28日1.1光纖的結構光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復雜的工藝拉制而成。光纖中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層特點：ncore>nclad

光在芯和包層之間的界面上反復進行全反射，并在光纖中傳遞下去。芯包層樹脂被覆層第六頁，共九十頁，2022年，8月28日近四十年的努力尋找合適的光纖，實用化的光損耗為20dB/km(99.5%/m)；60年代研究，70年代突破，2000年0.2dB/km(99.995%/m);新的實用化光纖不斷涌現(xiàn)第七頁，共九十頁，2022年，8月28日1.2光纖型號ITU-T規(guī)定的光纖型號：G.651多模光纖G.652常規(guī)單模光纖G.653色散位移光纖G.654波長1550nm處損耗最低光纖G.655非零色散位移光纖第八頁，共九十頁，2022年，8月28日

1.2光纖類型光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖。實用光纖主要有三種基本類型，

突變型多模光纖（Step-IndexFiber,SIF）

漸變型多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）

單模光纖（Single-ModeFiber,SMF）相對于單模光纖而言，突變型光纖和漸變型光纖的纖芯直徑都很大，可以容納數(shù)百個模式，所以稱為多模光纖第九頁，共九十頁，2022年，8月28日

圖2.2三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖第十頁，共九十頁，2022年，8月28日

圖2.3典型特種單模光纖(a)雙包層；(b)三角芯；(c)橢圓芯

特種單模光纖最有用的若干典型特種單模光纖的橫截面結構和折射率分布示于圖2.3，這些光纖的特征如下。

雙包層光纖

色散平坦光纖（DispersionFlattenedFiber,DFF）

色散移位光纖（DispersionShiftedFiber,DSF）

三角芯光纖

橢圓芯光纖

雙折射光纖或偏振保持光纖。第十一頁，共九十頁，2022年，8月28日主要用途：

突變型多模光纖只能用于小容量短距離系統(tǒng)。

漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。

單模光纖用在大容量長距離的系統(tǒng)。特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平

1.55μm色散移位光纖實現(xiàn)了10Gb/s容量的100km的超大容量超長距離系統(tǒng)。

色散平坦光纖適用于波分復用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。

三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率，增加傳輸距離。

偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)，這種系統(tǒng)最大優(yōu)點是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。第十二頁，共九十頁，2022年，8月28日突破色散限制傳輸光纖的改進（1）：G.653色散位移光纖EDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.65317ps/nm.kmG.652第十三頁，共九十頁，2022年，8月28日傳輸光纖的改進（2）：G.655非零色散位移光纖17ps/nm.kmEDFA頻帶0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(nm)20100-10-20色散(ps/nm.km)G.653G.652G.655第十四頁，共九十頁，2022年，8月28日1.3光纜的制作用氣相沉積法制作具有所需折射率分布的預制棒（典型預制棒長1m,直徑2cm）使用精密饋送機構將預制棒以合適的速度送入爐中加熱成纜--光纜預制棒制作技術

－改進的化學氣相沉積法（MCVD）、等離子體化學氣相沉積法（PCVD）、棒外氣相沉積法（OVD）和軸向氣相沉積法（VAD）第十五頁，共九十頁，2022年，8月28日制造光纖預制棒的MCVD流程示意圖光纖拉絲裝置示意圖第十六頁，共九十頁，2022年，8月28日1光纜基本要求保護光纖固有機械強度的方法，通常是采用塑料被覆和應力篩選。光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料進行一次被覆和應力篩選，除去斷裂光纖，并對成品光纖用硬塑料進行二次被覆。二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀線光纖四種，見圖

應力篩選條件直接影響光纖的使用壽命。

第十七頁，共九十頁，2022年，8月28日

二次被覆光纖(芯線)簡圖(a)緊套；(b)松套；(c)大套管；(d)帶狀線第十八頁，共九十頁，2022年，8月28日

光纜結構和類型光纜一般由纜芯和護套兩部分組成，有時在護套外面加有鎧裝。

1.纜芯纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強件兩部分。

被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。

加強件起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時配置在護套中。第十九頁，共九十頁，2022年，8月28日第二十頁，共九十頁，2022年，8月28日光纜的基本型式層絞式

把松套光纖繞在中心加強件周圍絞合而構成。骨架式

把緊套光纖或一次被覆光纖放入中心加強件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構成。

中心束管式

把一次被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強件配置在套管周圍而構成。帶狀式

把帶狀光纖單元放入大套管內(nèi)，形成中心束管式結構，也可以把帶狀光纖單元放入骨架凹槽內(nèi)或松套管內(nèi)，形成骨架式或?qū)咏g式結構。第二十一頁，共九十頁，2022年，8月28日

2.護套

護套起著對纜芯的機械保護和環(huán)境保護作用，要求具有良好的抗側壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構成。

根據(jù)使用條件光纜可以分為：

室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的架空地線復合光纜(OPGW)，跨越海洋的海底光纜，易燃易爆環(huán)境使用的阻燃光纜以及各種不同條件下使用的軍用光纜等。第二十二頁，共九十頁，2022年，8月28日光纜特性拉力特性壓力特性彎曲特性溫度特性第二十三頁，共九十頁，2022年，8月28日1.4其他光纖聚合物(塑料)光纖(POF)：用于用戶接入。盡管塑料光纖與玻璃光纖相比有更大的信號衰減，但韌性好，更為耐用直徑大10~20倍，連接時允許一定的差錯，而不致犧牲耦合效率廉價的塑料注入成形技術，可用于制造光連接器、光分路器和收發(fā)設備。第二十四頁，共九十頁，2022年，8月28日2.光纖傳輸原理第二十五頁，共九十頁，2022年，8月28日2.1光纖的射線光學傳輸理論光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復雜的工藝拉制而成。光纖中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層特點：ncore>nclad

光在芯和包層之間的界面上反復進行全反射，并在光纖中傳遞下去。芯包層樹脂被覆層第二十六頁，共九十頁，2022年，8月28日根據(jù)芯區(qū)折射率徑向分布的不同，可分為：不同的折射率分布，傳輸特性完全不同第二十七頁，共九十頁，2022年，8月28日-數(shù)值孔徑(NA)相對折射率差n0、n1、n2--分別是空氣、纖芯、包層折射率，c--芯包界面全反射臨界角代表光纖接收光的本領（示意圖，比例不符）cin1n2n0(n1略大于n2)1.階躍光纖1.第二十八頁，共九十頁，2022年，8月28日以不同入射角進入光纖的光線將經(jīng)歷不同的途徑，雖然在輸入端同時入射并以相同的速度傳播，但到達光纖輸出端的時間卻不同，出現(xiàn)了時間上的分散，導致脈沖嚴重展寬。模間色散所有大于臨界角C的光線都被限制在纖芯內(nèi)。1.階躍光纖High-orderMode(Longerpath)Low-orderMode(shorterpath)AxialMode(shortestpath)corecladding第二十九頁，共九十頁，2022年，8月28日1.階躍光纖cin1n2n0經(jīng)歷最短和最長路徑的兩束光線間的時差:-傳輸容量限制:B--信號比特率（最大時延要小于比特脈沖間隔）第三十頁，共九十頁，2022年，8月28日1.階躍光纖-傳輸容量限制:下降，BL上升。對于無包層的特殊光纖，n1=1.5，n2=1.0(空氣)，=0.33很大，BL<0.4(Mb/s).km減小值，BL能提高很多。一般<0.01。當=0.002時，BL<100(Mb/s).km，10Mb/s的速率傳輸10km，適用于一些局域網(wǎng)。第三十一頁，共九十頁，2022年，8月28日2.漸變光纖漸變光纖的芯區(qū)折射率不是一個常數(shù)，從芯區(qū)中心的最大值逐漸降低到包層的最小值。光線以正弦振蕩形式向前傳播。入射角大的光線路徑長,由于折射率的變化,光速在沿路徑變化,雖然沿光纖軸線傳輸路徑最短,但軸線上折射率最大,光傳播最慢.通過合理設計折射率分布,使光線同時到達輸出端，降低模間色散。這是光的自聚焦現(xiàn)象帶來的好處。第三十二頁，共九十頁，2022年，8月28日MultimodeGraded-IndexOpticalFiber

第三十三頁，共九十頁，2022年，8月28日

第三十四頁，共九十頁，2022年，8月28日2.漸變光纖優(yōu)化設計的漸變光纖，其BL積達約10(Gb/s).km，比階躍光纖提高了3個數(shù)量級。第一代光波系統(tǒng)就是使用的漸變光纖。單模光纖能進一步提高BL積，需要采用電磁導波和模式理論來討論。第三十五頁，共九十頁，2022年，8月28日

2.2光纖傳輸?shù)牟▌永碚摴饫w傳輸?shù)牟▌永碚摰膬蓚€出發(fā)點

波動方程和電磁場表達式

特征方程和傳輸模式光纖傳輸?shù)牟▌永碚摰膬蓚€角度

單模光纖的模式特性

多模光纖的模式特性第三十六頁，共九十頁，2022年，8月28日求解思路

suitedfora~λ,wavetheory第三十七頁，共九十頁，2022年，8月28日式中，E和H分別為電場和磁場在直角坐標中的任一分量，c為光速。選用圓柱坐標(r，φ，z)，使z軸與光纖中心軸線一致，如圖所示。將式(2.18)在圓柱坐標中展開，得到電場的z分量Ez的波動方程為(2.30)(2.31)(2.42)1.波動方程和電磁場表達式設光纖沒有損耗，折射率n變化很小，在光纖中傳播的是角頻率為ω的單色光，電磁場與時間t的關系為exp(jωt)，則標量波動方程為第三十八頁，共九十頁，2022年，8月28日光纖中的圓柱坐標第三十九頁，共九十頁，2022年，8月28日

磁場分量Hz的方程和式(2.42)完全相同，不再列出。解方程(2.42)，求出Ez和Hz，再通過麥克斯韋方程組求出其他電磁場分量，就得到任意位置的電場和磁場。把Ez(r,φ,z)分解為Ez(r)、Ez(φ)和Ez(z)。設光沿光纖軸向(z軸)傳輸，其傳輸常數(shù)為β，則Ez(z)應為exp(-jβz)。由于光纖的圓對稱性，Ez(φ)應為方位角φ的周期函數(shù)，設為exp(jmφ)，m為整數(shù)?，F(xiàn)在Ez(r)為未知函數(shù)，利用這些表達式，電場z分量可以寫成Ez(r,φ,z)=Ez(r)ej(mφ-βz)把上式代入式(2.42)得到第四十頁，共九十頁，2022年，8月28日式中，k=2π/λ=2πf/c=ω/c，λ和f為光的波長和頻率。這樣就把分析光纖中的電磁場分布，歸結為求解貝塞爾(Bessel)方程(2.49)。設纖芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1，包層(r≥a)折射率n(r)=n2，實際上突變型多模光纖和常規(guī)單模光纖都滿足這個條件。為求解方程(2.49)，引入無量綱參數(shù)u,

w和V。(2.49)第四十一頁，共九十頁，2022年，8月28日因為光能量要在纖芯(0≤r≤a)中傳輸，在r=0處，電磁場應為有限實數(shù)；在包層(r≥a)，光能量沿徑向r迅速衰減，當r→∞時，電磁場應消逝為零。根據(jù)這些特點，式(2.55a)的解應取m階貝塞爾函數(shù)Jm(ur/a)，而式(2.55b)的解則應取m階修正的貝塞爾函數(shù)Km(wr/a)。

u2=a2(n21k2-β2)(0≤r≤a)

w2=a2(β2-n22k2)(r≥a)V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)利用這些參數(shù)，把式(2.49)分解為兩個貝塞爾微分方程：(2.54)(0≤r≤a)(r≥a)(2.55a)(2.55b)第四十二頁，共九十頁，2022年，8月28日因此，在纖芯和包層的電場Ez(r,φ,z)和磁場Hz(r,φ,z)表達式為Ez1(r,φ,z)(0<r≤a)Hz1(r,φ,z)=Ez2(r,φ,z)Hz2(r,φ,z)(0<r≤a)(r≥a)(r≥a)(2.56a)(2.56b)(2.56c)(2.56d)式中，腳標1和2分別表示纖芯和包層的電磁場分量，A和B為待定常數(shù)，由激勵條件確定。Jm(u)和Km(w)如圖2.7所示，Jm(u)類似振幅衰減的正弦曲線，Km(w)類似衰減的指數(shù)曲線。式(2.56)表明，光纖傳輸模式的電磁場分布和性質(zhì)取決于特征參數(shù)u、w和β的值。u和w決定纖芯和包層橫向(r)電磁場的分布，稱為橫向傳輸常數(shù)；β決定縱向(z)電磁場分布和傳輸性質(zhì)，所以稱為(縱向)傳輸常數(shù)。第四十三頁，共九十頁，2022年，8月28日圖2.7（a)貝賽爾函數(shù)；（b)修正的貝賽爾函數(shù)Jm(u)1.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.643210246810um=1v=0m=2(a)(b)m=112345wkm(w)m=0第四十四頁，共九十頁，2022年，8月28日當m=0時，電磁場可分為兩類。一類只有Ez、Er和Hφ分量，Hz=Hr=0，Eφ=0，這類在傳輸方向無磁場的模式稱為橫磁模(波)，記為TM0μ。另一類只有Hz、Hr和Eφ分量，Ez=Er=0，Hφ=0，這類在傳輸方向無電場的模式稱為橫電模(波)，記為TE0μ。當m≠0時，電磁場六個分量都存在，這些模式稱為混合模(波)?；旌夏Ｒ灿袃深?，一類Ez<Hz，記為HEmμ，另一類Hz<Ez，記為EHmμ。下標m和μ都是整數(shù)。第一個下標m是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示在纖芯沿方位角φ繞一圈電場變化的周期數(shù)。第二個下標μ是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序數(shù)，稱為徑向模數(shù)，它表示從纖芯中心(r=0)到纖芯與包層交界面(r=a)電場變化的半周期數(shù)。第四十五頁，共九十頁，2022年，8月28日

2.特征方程和傳輸模式由式(2.56)確定光纖傳輸模式的電磁場分布和傳輸性質(zhì)，必須求得u,w和β的值。由式(2.54)看到，在光纖基本參數(shù)n1、n2、a和k已知的條件下，u和w只和β有關。利用邊界條件，導出β滿足的特征方程，就可以求得β和u、w的值。由式(2.56)確定電磁場的縱向分量Ez和Hz后，就可以通過麥克斯韋方程組導出電磁場橫向分量Er、Hr和Eφ、Hφ的表達式。因為電磁場強度的切向分量在纖芯包層交界面連續(xù)，在r=a處應該有Ez1=Ez2Hz1=Hz2Eφ1=Eφ2Hφ1=Hφ2(2.57)第四十六頁，共九十頁，2022年，8月28日由式(2.56)可知，Ez和Hz已自動滿足邊界條件的要求。由Eφ和Hφ的邊界條件導出β滿足的特征方程為這是一個超越方程，由這個方程和式(2.54)定義的特征參數(shù)V聯(lián)立，就可求得β值。但數(shù)值計算十分復雜，其結果示于圖2.8。圖中縱坐標的傳輸常數(shù)β取值范圍為n2k≤β≤n1k(2.59)相當于歸一化傳輸常數(shù)b的取值范圍為0≤b≤1，(2.63)第四十七頁，共九十頁，2022年，8月28日橫坐標的V稱為歸一化頻率，根據(jù)式(2.54)(2.59)(2.60)圖中每一條曲線表示一個傳輸模式的β隨V的變化，所以方程(2.58)又稱為色散方程。第四十八頁，共九十頁，2022年，8月28日圖2.8若干低階模式歸一化傳輸常數(shù)隨歸一化頻率變化的曲線第四十九頁，共九十頁，2022年，8月28日兩種重要的模式特性

模式截止:電磁場介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)，這個狀態(tài)稱為模式截止

模式遠離截止:當V→∞時，w增加很快，當w→∞時，u只能增加到一個有限值，這個狀態(tài)稱為模式遠離截止第五十頁，共九十頁，2022年，8月28日

模式截止由修正的貝塞爾函數(shù)的性質(zhì)可知，當→∞時，→，要求在包層電磁場消逝為零，即→0，必要條件是w>0。如果w<0，電磁場將在包層振蕩，傳輸模式將轉換為輻射模式，使能量從包層輻射出去。w=0(β=n2k)介于傳輸模式和輻射模式的臨界狀態(tài)，這個狀態(tài)稱為模式截止。其u、w和β值記為uc、wc和βc，此時V=Vc=uc。對于每個確定的v值，可以從特征方程(2.58)求出一系列uc值，每個uc值對應一定的模式，決定其β值和電磁場分布。第五十一頁，共九十頁，2022年，8月28日當m=0時，電磁場可分為兩類。一類只有Ez、Er和Hφ分量，Hz=Hr=0，Eφ=0，這類在傳輸方向無磁場的模式稱為橫磁模(波)，記為TM0μ。另一類只有Hz、Hr和Eφ分量，Ez=Er=0，Hφ=0，這類在傳輸方向無電場的模式稱為橫電模(波)，記為TE0μ。當m≠0時，電磁場六個分量都存在，這些模式稱為混合模(波)?；旌夏Ｒ灿袃深悾活怑z<Hz，記為HEmμ，另一類Hz<Ez，記為EHmμ。下標m和μ都是整數(shù)。第一個下標m是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示在纖芯沿方位角φ繞一圈電場變化的周期數(shù)。第二個下標μ是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序數(shù)，稱為徑向模數(shù)，它表示從纖芯中心(r=0)到纖芯與包層交界面(r=a)電場變化的半周期數(shù)。第五十二頁，共九十頁，2022年，8月28日

模式遠離截止當V→∞時，w增加很快，當w→∞時，u只能增加到一個有限值，這個狀態(tài)稱為模式遠離截止，其u值記為u∞。波動方程和特征方程的精確求解都非常繁雜，一般要進行簡化。大多數(shù)通信光纖的纖芯與包層相對折射率差Δ都很小(例如Δ<0.01)，因此有n1≈n2≈n和β=nk的近似條件。這種光纖稱為弱導光纖，對于弱導光纖β滿足的本征方程可以簡化為第五十三頁，共九十頁，2022年，8月28日由此得到的混合模HEm+1μ和EHm-1μ(例如HE31和EH11)傳輸常數(shù)β相近，電磁場可以線性疊加。用直角坐標代替圓柱坐標，使電磁場由六個分量簡化為四個分量，得到Ey、Hx、Ez、Hz或與之正交的Ex、Hy、Ez、Hz。這些模式稱為線性偏振(LinearlyPolarized)模，并記為LPmn。LP0n即HE1n，LP1n由HE2n和TE0n、TM0n組成，包含4重簡并，LPmn(m>1)由HEm+1n和EHm-1n組成，包含4重簡并。若干低階模式和相應的u值范圍列于表2.2，圖2.9示出四個低階模式的電磁場矢量結構圖。第五十四頁，共九十頁，2022年，8月28日LP01HE11LP11HE21TM01TE01LP02HE12LP12HE22TM02TE02LP03HE13LP13HE23TM03TE030~2.4052.405~3.8323.832~5.5205.520~7.0167.016~8.6548.654~10.173低階模式U(Vc)值范圍表2.2低階（v=0和v=1）模式和相應的u值范圍第五十五頁，共九十頁，2022年，8月28日四個低階模式的電磁場矢量結構圖

第五十六頁，共九十頁，2022年，8月28日

3.單模光纖的模式特性

單模條件和截止波長從圖2.8和表2.2可以看到，傳輸模式數(shù)目隨V值的增加而增多。當V值減小時，不斷發(fā)生模式截止，模式數(shù)目逐漸減少。特別值得注意的是當V<2.405時，只有HE11(LP01)一個模式存在，其余模式全部截止。HE11稱為基模。由此得到單模傳輸條件為V=2.405或λc=由式(2.62)可以看到，對于給定的光纖(n1、n2和a確定)，存在一個臨界波長λc，當λ<λc時，是多模傳輸，當λ>λc時，是單模傳輸，這個臨界波長λc稱為截止波長。由此得到(2.62)第五十七頁，共九十頁，2022年，8月28日光纖傳輸?shù)牟▌永碚摰闹饕拍詈徒Y論小結模式的概念與線偏振模歸一化頻率模截止頻率與導模的傳輸條件單模傳輸?shù)臈l件第五十八頁，共九十頁，2022年，8月28日1、模式的概念與線偏振模波動方程的一個“特解”，表示電磁場的一種穩(wěn)定存在形式，用電力線或磁力線將此形式描繪出來便是一種特定圖案。這種電磁場分布的特定圖案或稱“場型”，被稱為“模式”在均勻介質(zhì)傳播的光波可以認為是平面波，其電場和磁場的方向與光的傳播方向垂直，而且是正交的兩個分量，即橫電磁波(TEM)。當光在由幾種媒介組成的非均勻介質(zhì)中傳播時，據(jù)傳播方向有無電磁場分量可分為：第五十九頁，共九十頁，2022年，8月28日橫電磁波（TEM）—傳播方向上無電場和磁場分量橫電波(TE)—傳播方向上無電場，有磁場分量橫磁波(TM)—傳播方向上有電場，無磁場分量混合波(EH、HE)—傳播方向上既有電場也有磁場分量在這些電磁波中，有一部分的場型和傳播速度（特征方程）是相同的，通常，我們把這些場型分布相同的模式稱為簡并模計算表明，能在光纖中存在的導模有TEon、TMon、HEmn、EHmn四種。第六十頁，共九十頁，2022年，8月28日線偏振模——LPLPmn模。（LinearlyPolarizedmode）弱導情況下的近似簡化分析第六十一頁，共九十頁，2022年，8月28日低次LP模與TE、TM、HE、EH模的對應關系簡并模混合模簡并度LP01HE11×22LP11TE01、TM01、HE21×24LP21EH11×2、HE31×24LP02HE12×22LP31EH21×2、HE41×24LP41EH31×2、HE51×24LP22EH12×2、HE32×24第六十二頁，共九十頁，2022年，8月28日2、模截止頻率與導模

的傳輸條件光纖中可能存在各種模，若考慮它們能否穩(wěn)定存在，先要確定某個模式能否存在的“門限”參數(shù)，這個參數(shù)的量綱和V相同，用Vcmn表示，代表mn序號的某模式(如LPmn)的截止頻率。當客觀條件小于此值時，這種模式便不存在,稱截止。實際上是這種場型的電磁波不能在芯區(qū)形成駐波振蕩，而向包層輻射出去了。各種模式截止的門限值與光波波長、光纖的折射率分布、a等具體參數(shù)有關。第六十三頁，共九十頁，2022年，8月28日第六十四頁，共九十頁，2022年，8月28日第六十五頁，共九十頁，2022年，8月28日幾種低階模式的截止頻率值模式LP01LP11LP21LP02LP12LP22LP13LP23Vc02.4053.8325.1365.5207.0168.65410.173對應的電磁場HE11HE21TM01TE01EH11HE12HE31EH21HE41TE02

TM02HE22EH51HE51HE13EH12HE32EH41HE61TE03TM03EH22EH23HE33理論計算對于階躍光纖得出的部分模式的模截止頻率如下表：第六十六頁，共九十頁，2022年，8月28日導行條件：V>Vc

，V大于某一模式的歸一化頻率Vc，則該模式便在光纖中導行；截止條件：V<Vc

，V小于某一模式的歸一化頻率Vc，則該模式不在光纖中導行；臨界條件：V＝Vc

第六十七頁，共九十頁，2022年，8月28日3、單模傳輸?shù)臈l件在各模式的截止頻率中，LP01模的Vc=0，最低，稱該模為“基模”，或“最低次模”；LP11模的Vc=2.405，為第二低的截止頻率，稱該模為“次低階?！?，或“二階?！?；其它Vc更高，稱高階模。若在光纖中選取合適的a、n0、Δ、λ，可使V<2.405，從而抑制LP11模及所有高階模的傳輸。由于Vc01=0，即基模永不截止。所以，單模傳輸?shù)臈l件為:V<Vc11=2.405第六十八頁，共九十頁，2022年，8月28日不同折射率分布光纖的單模傳輸Vc值:對階躍型光纖，g→∞，Vc=2.405;對拋物型光纖，g＝2，Vc=3.533;對三角型光纖，g＝1，Vc=4.739;第六十九頁，共九十頁，2022年，8月28日例:若想在目前的多模光纖中實現(xiàn)單模傳輸，應選用怎樣的光波長？也就是說，如果有波長為14μm或更長的實用光源，且光纖在此波長下?lián)p耗低，則目前通用的多模光纖就可以作為單模光纖使用。第七十頁，共九十頁，2022年，8月28日4、單模光纖的模場直徑(MFD)由于多模光纖傳輸?shù)墓饽懿⒉皇峭耆杏诶w芯之中，而是有相當部分在包層中傳輸，所以很難用纖芯的幾何參數(shù)進行描述。為了便于研究，在單模光纖中引入了模場直徑這一參數(shù)來表征導光區(qū)域的大小。它是取代光纖芯徑的參數(shù)，其近似計算見教材P36頁（2-108）式。第七十一頁，共九十頁，2022年，8月28日3光纖傳輸特性產(chǎn)生信號畸變的主要原因是光纖中存在色散，損耗和色散是光纖最重要的傳輸特性：

損耗限制系統(tǒng)的傳輸距離色散則限制系統(tǒng)的傳輸容量第七十二頁，共九十頁，2022年，8月28日損耗定義:POUT--出纖光功率Pin--入纖光功率3.1光纖的損耗特性光纖損耗是通信距離的固有限制，在很大程度上決定著傳輸系統(tǒng)的中繼距離，損耗的降低依賴于工藝的提高和對石英材料的研究。若P0是入射光纖的功率，則傳輸功率PT為：這里代表光纖損耗，L是光纖長度，習慣上光纖的損耗通過下式用dB/km來表示：第七十三頁，共九十頁，2022年，8月28日示例對于理想的光纖，不會有任何的損耗，對應的損耗系數(shù)為0dB/km，但在實際中這是不可能的。實際的低損耗光纖在900nm波長處的損耗為3dB/km，這表示傳輸1km后信號光功率將損失50％，2km后損失達75％(損失了6dB)。之所以可以這樣進行運算，是因為用分貝表示的損耗具有可加性。第七十四頁，共九十頁，2022年，8月28日第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)OH離子吸收峰光纖損耗譜特性損耗主要機理：材料吸收、瑞利散射和輻射損耗第三傳輸窗口在1.55m處最小損耗約為0.2dB/km第七十五頁，共九十頁，2022年，8月28日160017001400130012001500Attenuation(dB/km)Wavelength(nm)

20

10

0-10-20Dispersion(ps/nmkm)0.10.20.30.40.50.6ConventionalFiber（1440－1625nm）230ch360chAllWaveFiber（1335－1625nm）5thAllWaveeliminatesthe1385nmwaterpeakAdditionalchannelsareinOptimumDispersionrangefor10Gb/sDWDMAllWaveoffers>50%moreDWDMchannels!3rd4th5thAllWavevs.ConventionalFiberMoreUsableOpticalSpectrumAllWave?光纖范崇澄FS-89第七十六頁，共九十頁，2022年，8月28日光纖的損耗機理1(吸收損耗)材料吸收紫外、紅外、OH離子、金屬離子吸收等，是材料本身所固有的--本征吸收損耗OH離子吸收：O-H鍵的基本諧振波長為2.73m，與Si-O鍵的諧振波長相互影響，在光纖通信波段內(nèi)產(chǎn)生一系列的吸收峰，影響較大的是在1.39、1.24、0.95m，峰之間的低損耗區(qū)構成了光纖通信的三個窗口。減低OH離子濃度，減低這些吸收峰---全波光纖（AllWave康寧）第七十七頁，共九十頁，2022年，8月28日光纖的損耗機理2(散射損耗)瑞利散射是一種基本損耗機理。由于制造過程中沉積到熔石英中的隨機密度變化引起的，導致折射率本身的起伏，使光向各個方向散射。大小與4成反比，R＝C/4（dB/km）因而主要作用在短波長區(qū)。瑞利散射損耗對光纖來說是其本身固有的，因而它確定了光纖損耗的最終極限。在1.55m波段，瑞利散射引起的損耗仍達0.12~0.16dB/km

，是該段損耗的主要原因。第七十八頁，共九十頁，2022年，8月28日光纖的損耗機理3(輻射損耗)輻射損耗又稱彎曲損耗，包括兩類：一是彎曲半徑遠大于光纖直徑，二是光纖成纜時軸向產(chǎn)生的隨機性微彎。定性解釋：導模的部分能量在光纖包層中（消失場拖尾）于纖芯中的場一起傳輸。當發(fā)生彎曲時，離中心較遠的消失場尾部須以較大的速度行進，以便與纖芯中的場一同前進。這