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(jié)構(gòu)與類型，然后用射線光學(xué)理論和波動(dòng)光學(xué)理論重點(diǎn)分析光在階躍型光纖中的傳輸情況，最后簡(jiǎn)要介紹光纜的構(gòu)造、典型結(jié)構(gòu)與光纜的型號(hào)。,2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與類型 2.2 光纖的射線理論分析 2.3 均勻光纖的波動(dòng)理論分析 2.4 光 纜,2.1 光纖的結(jié)構(gòu)與類型,2.1.1 光纖的結(jié)構(gòu) 光纖(Optical Fiber，OF)就是用來(lái)導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維，一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖,2.

2、1.2 光纖的類型 光纖的分類方法很多，既可以按照光纖截面折射率分布來(lái)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(zhǎng)來(lái)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(lái)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(Singl

3、e Mode Fiber，SMF)。 在一定的工作波上，當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí)，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(shí)延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的。 3. 按光纖的工作波長(zhǎng)分類 按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。,4. 按ITU-T建議分類 按照ITU-T關(guān)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(zhǎng)光纖)和G.655(非零色散位移光纖)光纖。 按

4、套塑(二次涂覆層)可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖。 現(xiàn)在實(shí)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(xué)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(cè)，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

5、線的兩側(cè)，且滿足： n1sin1=n2sin2,2.2.2 光纖中光的傳播 一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí)，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(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)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(gè)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(guò)程中不在一個(gè)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

6、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(guò)程始終在一個(gè)子午面內(nèi)，因此可以在二維的平面內(nèi)來(lái)分析，很直觀。,2.2.3 光纖中的模式傳輸 1. 傳導(dǎo)模的概念 模式是波動(dòng)理論的概念。在波動(dòng)理論中，一種電磁場(chǎng)的分布稱之為一個(gè)模式。在射線理論中，通常認(rèn)為一個(gè)傳播方向的光線對(duì)應(yīng)一種模式，有時(shí)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(lái)討論光纖的相位一致條件，不作復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，只提及波動(dòng)光學(xué)中的基本觀點(diǎn)和結(jié)論。,圖2.9 光纖中光波相位的

7、變化情況,相位一致條件就是說(shuō)：如果圖中所示的這個(gè)模式在A、B處相位相等，則經(jīng)過(guò)一段傳播距離后，在A、B處也應(yīng)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(gè)角度出發(fā)得到。根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)可知：波在無(wú)限空間中傳播時(shí)，形成行波；而在有限空間傳播時(shí)，形成駐波。,一旦確定了光波導(dǎo)和光波長(zhǎng)，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(duì)于漸變型多模光纖，同樣，其導(dǎo)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(yuǎn)離軸

8、線，它的傳播路程長(zhǎng)，但離軸線越遠(yuǎn)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(jié)構(gòu)參數(shù)外，還與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)有關(guān)。,為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用V表示，其表達(dá)式如下：,1. 多模光纖 顧明思義，多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說(shuō)在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)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(shí)延差，因此它具有比多模光纖大得多的帶寬，

9、這對(duì)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(dòng)理論分析,2.3.1 平面波在理想介質(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(wú)限大的平面上，電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H的幅度和相位都相等的波型，簡(jiǎn)稱為平面波。,平面波是非常重要的波型，一些復(fù)雜的波可以由平面波疊加得到。在折射率為n的無(wú)限大的介質(zhì)中，一工作波長(zhǎng)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(dǎo)磁率和介電常數(shù),設(shè)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

10、上的反射和折射 反射波與入射波在原點(diǎn)處的復(fù)振幅之比稱為反射系數(shù)；傳遞波與入射波在原點(diǎn)處的復(fù)振幅之比稱為傳遞系數(shù)，表示為：,式中：R、T都是復(fù)數(shù)，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(dāng)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(shí)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(shí)介質(zhì)1中波的特點(diǎn) 在全反射時(shí)，式(2-32)根號(hào)中是負(fù)數(shù)，因此可以變化成下面的形式。,(2) 全反射情況時(shí)介質(zhì)2中波的特點(diǎn) 全反

11、射時(shí)，將式(2-34)代入式(2-30b)，即可得到垂直極化波全反射時(shí)的傳遞系數(shù)。,(3) 導(dǎo)行波和輻射波的概念 綜上所述，當(dāng)平面波由光密介質(zhì)射向兩介質(zhì)分界面上時(shí)，根據(jù)入射角1的大小，可以產(chǎn)生兩種類型的波：當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)產(chǎn)生導(dǎo)行波，能量集中在光密介質(zhì)及其界面附近；當(dāng)入射角小于臨界角時(shí)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(duì)于光波導(dǎo)來(lái)說(shuō)，導(dǎo)波是一種重要的波型。,2.3.2 階躍光纖的波動(dòng)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(wú)源區(qū)域，均勻、無(wú)損、簡(jiǎn)諧形式的麥克斯韋方程組為：,式中

12、：E為電場(chǎng)強(qiáng)度矢量；D為電位移矢量；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量。且D與E，B與H有下列關(guān)系。,(2) 亥姆霍茲方程 從麥克斯韋方程組出發(fā)，可以導(dǎo)出光波所滿足的亥姆霍茲方程。根據(jù)矢量關(guān)系，有如下兩個(gè)等式。 式中：A代表任何一個(gè)矢量，當(dāng)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(chǎng)和磁場(chǎng)方向與波的傳播方向垂直，即在波導(dǎo)的傳播方向上既沒(méi)有磁場(chǎng)分量也沒(méi)有電場(chǎng)分量，且三者兩兩相互垂直。,對(duì)于同一類型的波，其場(chǎng)強(qiáng)在圓周方向(即方向)或徑向方向(即r方向)的分布情況又會(huì)有所區(qū)別，即電磁場(chǎng)的分布會(huì)不盡相同。 目前通

13、信用光纖的相對(duì)折射率差 1，稱為弱導(dǎo)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(dòng)理論 階躍型光纖的波動(dòng)理論分析就是以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，根據(jù)光纖的邊界條件，從亥姆霍茲方程解出階躍型光纖中導(dǎo)波的場(chǎng)方程，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出其特征方程，研究其導(dǎo)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(gè)低階模的場(chǎng)型(實(shí)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(dǎo)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

14、光纖中的導(dǎo)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(lái)確定場(chǎng)表達(dá)式中的參數(shù)U、W和。,(3) 光纖中的導(dǎo)模類型及特征方程 上面已經(jīng)得到了光纖中場(chǎng)的亥姆霍茲方程和弱導(dǎo)光纖中導(dǎo)波的特征方程，接下來(lái)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(dǎo)的傳播方向(Z方向)上既沒(méi)有電場(chǎng)分量，又沒(méi)有磁場(chǎng)分量。即Ez0、Hz0。如果光纖中存在TEM波，則根據(jù)Ez、Hz的表達(dá)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(chǎng)，所以光纖中根本不存在TEM波

15、。, TE波和TM波 光纖中是否存在TE波和TM波，實(shí)際上是看單獨(dú)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(dǎo)的傳播方向(Z方向)上沒(méi)有電場(chǎng)分量，只有磁場(chǎng)分量，即Ez0，根據(jù)Ez表達(dá)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(dāng)m0時(shí)，光纖中不能存在TE波和TM波，而只能是Ez、Hz同時(shí)存在的EH波和HE波。 (4) 導(dǎo)模的特性 模的特性可以用3個(gè)特征參數(shù)U、W和來(lái)描述。U表示導(dǎo)模場(chǎng)在纖芯內(nèi)部的橫向分布規(guī)律；W表示導(dǎo)模場(chǎng)在纖芯外部的橫向分布規(guī)律。, 遠(yuǎn)離截止時(shí)的U值 光纖中導(dǎo)模的U值是隨頻

16、率而變化的。上面所討論的Uc值只適用于導(dǎo)模截止時(shí)的情況。,2.4 光 纜,2.4.1 光纜的典型結(jié)構(gòu) 1. 光纜的構(gòu)造 光纜的構(gòu)造一般分為纜芯和護(hù)層兩大部分。,(1) 纜芯 在光纜的構(gòu)造中，纜芯是主體，其結(jié)構(gòu)是否合理，與光纖的安全運(yùn)行關(guān)系很大。一般來(lái)說(shuō)，纜芯結(jié)構(gòu)應(yīng)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(cè)壓力等外力時(shí)，光纖不應(yīng)承受外力影響；其次纜芯內(nèi)的金屬線對(duì)也應(yīng)得到妥善安排，并保證其電氣性能；另外纜芯截面應(yīng)盡可能小，以降低成本和敷設(shè)空間。,(2) 護(hù)層 光纜護(hù)層同電纜護(hù)層的情況一樣，是由護(hù)套和外護(hù)層構(gòu)成的多層組合體。其作用是進(jìn)一步保護(hù)光纖

17、，使光纖能適應(yīng)在各種場(chǎng)地敷設(shè)，如架空、管道、直埋、室內(nèi)、過(guò)河、跨海等。對(duì)于采用外周加強(qiáng)元件的光纜結(jié)構(gòu)，護(hù)層還需提供足夠的抗拉、抗壓、抗彎曲等機(jī)械特性方面的能力。,2. 光纜的典型結(jié)構(gòu) 光纜的基本結(jié)構(gòu)按纜芯組件的不同一般可以分為層絞式、骨架式、束管式和帶狀式四種，如圖2.21所示。我國(guó)及歐亞各國(guó)用的較多的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的層絞式和骨架式兩種。,圖2.21光纜的典型結(jié)構(gòu)示意圖,(1) 層絞式結(jié)構(gòu) 層絞式光纜的結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)的電纜結(jié)構(gòu)方式，故又稱為古典式光纜。 (2) 骨架式結(jié)構(gòu) 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(gè)空槽可放置5

18、10根一次涂覆光纖。,(3) 束管式結(jié)構(gòu) 束管式結(jié)構(gòu)的光纜近年來(lái)得到了較快的發(fā)展。它相當(dāng)于把松套管擴(kuò)大為整個(gè)纖芯，成為一個(gè)管腔，將光纖集中松放在其中。 (4) 帶狀式結(jié)構(gòu) 帶狀式結(jié)構(gòu)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，然后將幾層光纖帶疊放在一起構(gòu)成光纜芯。,2.4.2 光纜的種類與型號(hào) 1. 光纜的種類 光纜的種類很多，其分類方法也很多，習(xí)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(zhǎng)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)

19、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(qiáng)構(gòu)件的配置方式，光纜可以分為中心加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如層絞式光纜、骨架式光纜等)、分散加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如束管式光纜)和護(hù)層加強(qiáng)構(gòu)件光纜(如帶狀式光纜)； 根據(jù)敷設(shè)方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜； 根據(jù)護(hù)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(hào)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(hào) 光纜的型式代號(hào)是由分類、加強(qiáng)構(gòu)件、派生(形狀、特性等)、護(hù)套和外護(hù)層五部分組成，如圖2.22所示。,圖2.22 光纜的型式代號(hào), 光纜分類代號(hào)及其意義 G

20、Y：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(shè)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(wú)金屬光纜。, 加強(qiáng)構(gòu)件的代號(hào)及其意義 無(wú)符號(hào)：金屬加強(qiáng)構(gòu)件； F：非金屬加強(qiáng)構(gòu)件； G：金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件； H：非金屬重型加強(qiáng)構(gòu)件。, 派生特征的代號(hào)及其意義 B：扁平式結(jié)構(gòu)； Z：自承式結(jié)構(gòu)； T：填充式結(jié)構(gòu)； S：松套結(jié)構(gòu)。 注：當(dāng)光纜型式兼有不同派生特征時(shí)，其代號(hào)字母順序并列。, 護(hù)套的代號(hào)及其意義 Y：聚乙烯護(hù)套； V：聚氯乙烯護(hù)套； U：聚氨酯護(hù)套； A：鋁、聚乙烯護(hù)套； L：鋁護(hù)套； Q：鉛護(hù)套； G：鋼護(hù)套； S：鋼、鋁、聚乙烯綜合護(hù)套。, 外護(hù)層的代號(hào)及其意義 外護(hù)層是指鎧