第二章

光纖和光纜主要內(nèi)容2-1光纖的結(jié)構(gòu)和類型2-2光纖傳輸原理2-3光纖傳輸特性2-4光纜2-5光纖特性測量方法2-1光纖的結(jié)構(gòu)和類型2-1-0最早的光纖1930年德國的一個醫(yī)科學生第一次制造出了用于傳輸圖像的光纖(束),但是圖像很模糊重新排列光纖順序,沒有意識到真正的原因成束的光纖相互接觸,會在接觸的地方使一根光纖中的光泄漏到另一根光纖中解決這個問題的是一個密歇根大學的一個本科生解決了這個問題---使用玻璃包層目前的光纖結(jié)構(gòu)2-1-1光纖的結(jié)構(gòu)光纖的作用就是將光能限制在光纖表面以內(nèi)，并引導光能沿光纖軸向傳播包層的作用減少散射損耗—散射損耗是由前纖芯表面介質(zhì)不連續(xù)造成的。增加光纖的機械強度—光纖細而且脆防止在光纖與外界接觸時光纖可能受到的污染。光纖折射率的取值光纖的包層折射率一定要小于纖芯折射率這時光纖能夠傳輸光必要條件，它們之間的差別用相對折射率差△來表示。單模光纖

△=0.3%~0.6%多模光纖△=1%~2%取值范圍光纖的分類根據(jù)光纖的折射率構(gòu)成的不同分成兩類階躍折射率光纖—纖芯折射率是均勻的梯度折射率光纖—纖芯折射率隨著離纖芯的距離而改變根據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ降亩嗌儆锌蓪⒐饫w為單模光纖（Step-IndexFiber,SIF）—只能傳輸一種模式多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）—同時傳輸多種模式根據(jù)損耗的大小低損耗光纖—使用玻璃石英作為纖芯材料，包層使用另一種玻璃或塑料高損耗光纖—纖芯使用塑料材料，包層也使用塑料光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖三種基本類型光纖的結(jié)構(gòu)

(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖

多模光纖的優(yōu)點－與單模比較由于多模光纖的纖芯較粗，容易將光功率注入光纖易于將相同的光纖連接在一起可以使用發(fā)光二極管LED作為光源，因為LED價格便宜，使用壽命長，電路簡單多模光纖的主要缺點：它存在模間色散，因為每個模的傳播速度略微不同。單模光纖的優(yōu)點它的帶寬很寬它的缺點是：必須使用半導體激光器作為光源，所以價格較貴，電路復(fù)雜操作不不如多模方便，因為纖芯較細特種單模光纖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(jié)構(gòu)和折射率分布以及這些光纖的特征如下。雙包層光纖：通過調(diào)整n1、n2、n3和a

、a’可以改變光纖的色散特性色散平坦光纖（DispersionFlattenedFiber）

色散移位光纖（DispersionShiftedFiber）三角芯光纖：改進的色散移位光纖，這種光纖的特點：在1.55μm有微量色散有效面積較大這種光纖比較適合密集波分復(fù)用和孤子傳輸?shù)拈L距離系統(tǒng)使用橢圓芯光纖

這種光纖具有雙折射率特性，即兩個正交偏正模的傳輸常數(shù)不同。強雙折射特性能使傳輸光保持其偏振狀態(tài)，因而又稱雙折射光纖或偏振保持光纖。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(fù)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。2.2光纖傳輸原理分析光纖傳輸原理的常用方法：幾何光學法——在波束k=2π/λ非常大，波長λ→0的條件下采用的近似分析方法。

這種方法的特點：比較直觀、容易理解，但并不十分嚴密麥克斯韋波動方程法——求解麥克斯韋方程推導出的波動方程這種方法的特點：比較復(fù)雜、不易理解，但更嚴密

2.2.1幾何光學方法

幾何光學法分析問題的兩個出發(fā)點

?數(shù)值孔徑

?時間延遲

通過分析光束在光纖中傳播的空間分布和時間分布,了解光纖的傳輸特性。1.突變毯多模環(huán)光纖1.突變切型多激模光訴纖數(shù)值史孔徑為簡堤便起噸見，粱以突變風型多兼模光獅纖的交軸(子午)光線噸為例械，進建一步點討論壟光纖笑的傳斤輸條沈件。設(shè)纖芯和包層折射壁率分騎別為n1和n2，空姑氣的健折射軌率n0=1，守纖芯牲中心刊軸線寧與z軸一刃致，憑如潤圖2.旅4。光線杯在光榴纖端丘面以構(gòu)小角僑度θ從空失氣入閑射到衰纖芯(n0<n1)，折射良角為θ1，折倘射后怨的光龍線在項纖芯練直線易傳播伸，并將在纖芯與包層交界發(fā)面以角度ψ1入射虹到包層(n1>n2)。1n22n1n1>n2

圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理根據(jù)全反怕射原妖理，脫存在布一個填臨界夕角θc。?當θ<θc時，陶相應(yīng)抱的光側(cè)線將趣在交捐界面籮發(fā)生多全反豬射而銜返回陸纖芯朗，獨并以舟折線章的形居狀向酬前傳況播，揮如光障線1。根久據(jù)斯奈望爾(S歡ne逃ll荷)定律得到n0昏si葡nθ丈=n膀1s懶in芳θ1=n木1c銀os掘ψ1(2粥.1餐)材?當θ=辯θc時，酸相應(yīng)株的光您線將親以ψc入射蠅到交搜界面隔，并菜沿交共界面檢向前稿傳播(折射妹角為90張°)，錯如光擠線2，?當θ>跌θc時，擁相應(yīng)悠的光羞線將輕在交遠界面釣折射擊進入包層并逐坐漸消據(jù)失，史如光包線3。由此賢可見，好只有姿在半間錐角德為θ≤折θc的圓走錐內(nèi)礦入射木的光東束才狂能在彎光纖襯中傳蜂播。

圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理根據(jù)榜這個搶傳播箱條件綱，定需義臨牲界角θc的正糕弦為數(shù)值具孔徑(N捕um至er受ic明al易A基pe直rt聲ur關(guān)e,準N凡A)。根地據(jù)定燦義和斯奈鵲爾定槍律NA=n0si諒nθc=n1co忠sψc，n1si束nψc=n2si痕n9擠0°(2摔.2難)n0=1，由羨式（2.建2）經(jīng)顯簡單晴計算徒得到(2.3)

圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理式中Δ=單(n1-n2)/膏n1為纖芯與包層相對疏折射辨率差。NA表示濫光纖腐接收旨和傳卡輸光乖的能眾力，NA撈(或θc)越大攝，光密纖接照收光監(jiān)的能鑼力越爛強，嶺從光垂源到考光纖漁的耦合角效率越高鴨。對于泰無損愧耗光渴纖，循在θc內(nèi)的期入射嘉光都罵能在懸光纖凍中傳匹輸。NA越大授，老纖芯誤對光漸能量隊的束靜縛越所強;但NA越大及，經(jīng)覺光纖槳傳輸嶄后產(chǎn)掉生的貢信號耳畸變息越大禍，因唐而限制頌了信暮息傳霸輸容燒量。所以睡要根提據(jù)實得際使?jié)捎脠龆呛希澾x擇續(xù)適當泥的NA。時間杠延遲入射澆角為θ的光暈線在赴長度益為L(新ox公)的光蠻纖中孩傳輸診，所物經(jīng)歷網(wǎng)的路闊程為l(oy)，這在θ不大它的條槐件下犁，其得傳播嫁時間寄即時間良延遲為:

圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理(2.4)式中c為真朋空中瞇的光叮速。列由式(2淺.4嶺)得到最大綠入射砌角(θ稈=θ延c)和最小完入射爹角(θ趕=0)的光守線之許間時間著延遲差近似萌為(2.5)這種私時間覺延遲蘭差在毒時域摟產(chǎn)生脈沖候展寬，或因稱為信號除畸變。由此訪可見董，突變暖型多緞模光變纖的信堅號畸嚇變是老由于觸不同膝入射鏟角的咱光線臉經(jīng)光聾纖傳棕輸后疊，其時間兇延遲不同隊而產(chǎn)氏生的涌。2.漸變扁型多剪模光獅纖漸變殖型多樣模光姻纖具有虧能減小蒼脈沖桿展寬孟、增父加帶門寬的大優(yōu)點。n1洋—梅—纖芯急中心飽折射銀率，Δ=億(n1-n2)/辮n1為相對慣折射籠率差n2賠——包層鴨的折搭射率，r和a分別閱為徑向愉坐標和纖芯勒半徑，g雞——為折射遺率分當布指護數(shù)g→∞，(r烏/a)→允0的極均限條挖件下妨，式(2樣.6投)表示突變朝型多興模光指纖的折漸射率織分布g=2，n(r酸)按平扛方律(拋物姓線)變化疊，表只示常軍規(guī)漸變簽型多乳模光溜纖的折盒射率賞分布典。具遮有這瘋種分包布的揀光纖裕，不貞同入六射角砌的光伶線會蠢聚在籍中心軸慢線的忠一點劑上，預(yù)因而伶脈沖芒展寬期減小漸變陶型光域纖折盯射率峽分布耐的普辜遍公脹式為n1［1-Δ］=n2r≥a0≤r≤an(r)=(2.6)由于漸變慕型多銜模光瓣纖折射衡率分謠布是澇徑向相坐標r的函毅數(shù)，低纖芯儉各點數(shù)值冷孔徑不同菌，所毀以要提定義局部宣數(shù)值沒孔徑NA杯(r)和最大找數(shù)值極孔徑NAma驗x表示醉光纖鐮捕捉衣光射法線能饒力的濫物理眨量被卷定義爺為光瘋纖的烈數(shù)值堆孔徑調(diào)，用NA表示炭