光纤通信原理与应用

光纤通信―原理与应用第2章光纤第2章光纤2.1光纤的基本概念2.2光纤传光原理2.3光纤特性参数2.4光纤连接方式2.5光纤在通信领域中的应用第2章光纤2.1光纤的基本概念2.1.1光纤基本结构光纤是由纤芯、包层、涂覆层和护套构成的一种同心圆柱体结构图2-1光纤结构示意图纤芯和包层由透明介质材料构成，其折射率分别为n1和n2。为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是n1＞n2。2.1.2光纤分类1．按纤芯和包层材料划分可分为石英光纤和塑料光纤2．按光纤折射率分布特点划分主要分为阶跃光纤和渐变光纤3．按光波模式（即电磁波类型）划分可分为多模光纤和单模光纤。多模光纤：纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50m左右），适用于中容量、中距离通信。单模光纤：纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个微米），适用于大容量、长距离通信。2.1.3光纤制造简述通信用光纤大多数由石英玻璃材料构成。光纤的制造要经历材料提纯、熔炼、拉丝、套塑等具体的工艺步骤。1．提纯工艺提纯的目的是去掉原料中的有害杂质，一般要求有害杂质的含量不得大于10−6。2．熔炼工艺熔炼的目的是将超纯的原料经过高温化学反应，合成具有一定折射率分布的预制棒。3．拉丝工艺拉丝的目的是将已制作好的预制棒拉成高质量的光纤。4．套塑工艺套塑的目的是将带有涂覆层的光纤再套上一层热塑性材料，进一步增强光纤的强度。2.1.4光缆结构及类型1．光缆结构（1）缆芯光缆中包含的光纤构成缆芯。缆芯可以放在光缆的中心或非中心部位。（2）加强构件在光缆中心或外护层内加入钢丝或玻璃纤维增强塑料，用来增强光缆的拉伸强度。（3）光缆护层光缆从里到外加入一层或多层圆筒状护套，用来防止外界各种自然外力和人为外力的破坏。护套应具有防水防潮、抗弯抗扭、抗拉抗压、耐磨耐腐蚀等特点。光缆护层常用材料有聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯和聚酰胺。此外，还有铝、钢、铅等密实的金属层用来防潮。（4）填料在缆芯与护套之间填充防潮油胶，用来阻止外界水分和潮气侵入缆芯内。（5）铠装用钢丝、钢带等坚硬金属材料做成光缆的外护套，进一步提高光缆强度，用来防鼠、防虫、防火、防外力损坏。（6）其他有些光缆内放入若干根铜导线，用做中继馈电线、监控信号线等。2．光缆类型（1）按敷设方式分类可分为架空光缆、管道光缆、直埋光缆、水下光缆（海底光缆）、室内光缆等。（2）按缆芯分类光纤束光缆：光纤与光纤之间不是固定黏结在一起的，每根光纤具有一定的位移自由。光纤带光缆：光纤带是利用黏结材料将多根光纤（带有一次涂覆层）并行黏结在一起构成的一个平面排列。（3）按加强构件材料分类分为金属加强构件光缆和无金属光缆（4）按加强构件位置分类集中型加强构件：又分为层绞式光缆、骨架式光缆分布型加强构件：又称为中心管式光缆。（5）按有无铠装分类简式光缆：主要用于架空光缆、管道光缆。铠装光缆：主要用于长途干线直埋光缆。2.1.5光缆（光纤）型号命名方法光缆（光纤）型号的命名是采用一横列十三项参数来表示的。其中，第一至第五项是光缆类型参数，第六至第十二项是光纤规格参数，第十三项是附加参数。图2-3光缆型号命名方法光缆各项参数的具体意义如下：第一项光缆分类代号第二项加强构件代号第三项结构特征代号第四项护套代号第五项外护层代号图2-4多模光纤和单模光纤规格参数的具体表示光缆类型举例：（1）GYFGTY－4D9/125（205）B型骨架式光纤束光缆（2）GYTS型层绞式光纤束光缆2.2光纤传光原理2.2.1光的射线理论及光纤传光分析1．光的射线理论（1）直线传播定律光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为v=c/nc是真空中光速，n是均匀介质折射率。（2）反射定律和折射定律光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。定律（3）全反射光线从光密介质n1射向光疏介质n2时，若入射角θ1满足以下关系：θ1≥θcarcsin(n2/n1)则只有反射光，而无折射光。θc称为全反射临界角。2．光纤的两类入射光子午光线：若入射光线与光纤轴心线相交，则称为子午光线。斜射光线：若入射光线与光纤轴心线无论在光纤的入射端面上还是在光纤内部都不相交，则称为斜射光线。3．子午光线的传播分析图2-13子午光线在阶跃光纤内的传播示意图（光纤纵剖面图）（1）在阶跃光纤内子午光线在阶跃光纤内传播的基本特点：①光纤纤芯内传光路线是一系列在纤芯与包层交界面上不断反射前进的折线，这些折线与光纤轴心线相交，并且与光纤轴心线共面。②若选择光纤内的光线恰好满足全反射定律，于是在光纤入射端面上的折射律公式为n0sin0=n1sin1=n1cosc在光纤内n1,n2交界面上的全反射公式为n1sinc=n222201121sin1sin2cnnnn联立求解得式中，称为相对折射率差2212212nnn结论：当光纤端面入射角in≤0时，光纤可以传光；当光纤端面入射角in＞0时，光纤不能传光。0称为光纤端面临界入射角，它与光纤端面上入射点位置无关。（2）在渐变光纤内图2-14子午光线在渐变光纤内的传播示意图（光纤纵剖面图）子午光线在渐变光纤内传播的基本特点：①光纤纤芯内传光路线是周期性连续曲线，与光纤轴心线相交，并且传光路线与光纤轴心线共面。②光纤端面临界入射角为0(r)=，与光纤端面上入射点位置r有关。其中，0(r=0)称为中心临界入射角，0(r0)称为非中心临界入射角。可见，0(r=0)＞0(r0)，表明中心入射光线比非中心入射光线可以有大一些的入射角。③光纤端面入射角in越小，则光纤纤芯内光线越靠近轴心线传播。2212arcsin()nrn4．斜射光线的传播分析（1）在阶跃光纤内斜射光线在阶跃光纤内传播的基本特点：①纤芯内传光路线是一系列折线，这些折线与光纤轴心线不共面，而是围绕光纤轴心线旋转前进的。这些折线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆，内切圆的半径大小与斜射光线的入射角有关。②光纤端面临界入射角为（ψ是入射光线进入纤芯后的第一条折线在光纤横截面上的正投影与半径之间的夹角）。可见斜射光线比子午光线可以有更大的入射角。0'00arcsin(sin/cos),（2）在渐变光纤内斜射光线在渐变光纤内传播的基本特点：①纤芯内传光路线是一系列曲线，这些曲线与光纤轴心线不共面，而是围绕光纤轴心线旋转前进的。这些曲线在纤芯横截面上的正投影形成一个内切圆，内切圆的半径大小与斜射光线的入射角有关。②上述这些曲线的起点和终点形成一个外圆，外圆上各点的介质折射率都相等，称为等折射率面。外圆的半径大小与斜射光线的入射角有关，外圆的最大半径等于纤芯半径。③光纤端面入射角in越小，则外圆和内切圆半径越小，即纤芯内曲线越靠近轴心线传播。④若光纤折射率为抛物线分布，则外圆和内切圆重合，此时光纤内传光路线是围绕光纤轴心线旋转前进的螺旋线。2.2.2光纤导波模式的粗糙解(射线分析方法)1．导波形成的两个必要条件（1）全反射条件（2）等相面条件ABCD相位变化量-A′D′相位变化量=2ℓ(2-4)2．等相面条件的化简(2-4)式化简为4akn1cos1+20=2ℓ（ℓ=0,1,2,…）(2-6)称为导波特征方程。(2-6)式是纤芯内能够形成导波的入射角1所应满足的条件，可见1不能连续取值。若将k1x=kn1cos1代入特征方程，可得4ak1x+20=2ℓ（ℓ=0,1,2,…）(2-7)称为横向谐振条件。3．导波模式的初步结论（1）特征方程中的ℓ称为导波模式的阶次，最低阶次ℓ=0称为基模。（2）ℓ越高，则纤芯内入射角1越小，或光纤端面入射角in越大。（3）ℓ越高，则k1x越大，即1越短，故横向电场波节数越密。2.2.3光纤导波模式的精确解(电磁场分析方法)1．理论计算的三大步骤（1）利用圆柱坐标系（r,φ,z）中的赫姆霍兹方程求出z方向的电场分量和磁场分量EZ,HZ。解得：jjzjjJ()eeK()eemzmmzmAUrEBWrjjjjJ()eeK()eemzmzmzmCUrHDWr（r≤a）（r≥a）（2-8）（r≤a）（r≥a）（2-9）综合分析，可以得到导波存在的条件为kn2＜β＜kn1导波截止的临界条件为β=kn2令，称为归一化频率。临界状态时，则，Vc称为归一化截止频率。可将上述导波条件改写成导波存在的条件为V＞Vc导波截止的临界条件为V=Vc22VUWa0cWWcVUaV（2）由EZ和HZ利用麦克斯韦方程组求出r方向和φ方向的电场和磁场分量Er,Eφ,Hr,Hφ。0zzjrEHEKrr0jzzEHEKrrjizzrHEHKrrjzziHEHKrr（3）利用Eφ,Hφ在纤芯和包层交界处连续的特点，即在r=a处Eφ1=Eφ2,Hφ1=Hφ2，可以求出导波特征方程为2222212122222J()K()J()K()11J()K()J()K()mmmmmmmmuwuwnnnnmuuwwuuwwuwuw2．四类导波模式（1）TE0n（n=1,2,3,…）模式，称为横电波。特点：纵向无电场，仅有磁场，即Ez=0，Hz≠0。（2）TM0n（n=1,2,3,…）模式，称为横磁波。特点：纵向无磁场，仅有电场，即Hz=0，Ez≠0。（3）EHmn（m=1,2,3,…；n=1,2,3,…）模式，称为混合波。特点：纵向既有电场，又有磁场，即Ez和Hz≠0。（4）HEmn（m=1,2,3,…；n=1,2,3,…）模式，称为混合波。特点：纵向既有电场，又有磁场，即Ez和Hz≠0。3．导波模式的存在条件表2-2导波模式与归一化截止频率Vc的对应关系导波模式（矢量模）VcHE110TE01,TM01,HE212.4048EH11,HE12,HE313.8317EH21,HE415.1356TE02,TM02,HE225.5201理论指出，实际光纤中能够传输的导波模式必须满足V＞Vc(2-16)对于实际光纤，可以先由(2-17)式算出V的数值大小，然后利用(2-16)式就可确定该光纤传输的导波模式2222122aVUWann(2-17)结论：（1）HE11模式（Vc=0）在任何光纤中都存在（因为单模和多模光纤总有V＞0）。HE11模式称为基模。（2）满足0＜V≤2.4048条件的光纤，仅含基模，称为单模光纤；反之，满足V＞2.4048条件的光纤，则含有基模和其他模式，称为多模光纤。于是得到光纤的单模工作条件为0＜V≤2.4048多模工作条件为V＞2.4048（3）纤芯越细，高阶模数量越少；纤芯越粗，高阶模数量越多。（4）工作波长越长，高阶模数量越少；工作波长越短，高阶模数量越多。（5）光纤端面临界入射角0越小，高阶模数量越少；0越大，高阶模数量越多。（6）理论算得光纤传导模的总数N为阶跃多模光纤N≈V2/2渐变多模光纤N≈V2/4标量模又称为线性偏振模由于通常光纤(n1–n2)/n1≤0.01，故可将光纤内传播的光线近似看成是与光纤轴心线平行的。因而，所传光线的电磁场横向分量很大，而纵向分量则很小，并且近似认为，在入射光线的传播过程中，场的横向偏振方向保持不变，即视传播光线为线性偏振，因而可以用一个标量来描述。标量模的存在条件为V＞Vc’(2-20)表2-3标量模LPmn的归一化截止频率Vc’Vc’m0123…n10(LP01)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光纤特性参数2.3.1数值孔径1．定义：数值孔