1、1到了到了18801880年，贝尔发明了第一个光电年，贝尔发明了第一个光电话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通话，这一大胆的尝试，可以说是现代光通信的开端。信的开端。在这里，将弧光灯的恒定光束投射在在这里，将弧光灯的恒定光束投射在话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱话筒的音膜上，随声音的振动而得到强弱变化的反射光束，这个过程就是调制。变化的反射光束，这个过程就是调制。图图1.1 1.1 贝尔电话系统贝尔电话系统贝尔光电话和烽火报警一样，都是利贝尔光电话和烽火报警一样，都是利用大气作为光通道，光波传播易受气候的用大气作为光通道，光波传播易受气候的影响，在大雾天气，它的可见度距离很短，影响，在大雾
2、天气，它的可见度距离很短，遇到下雨下雪天也有影响。遇到下雨下雪天也有影响。在大气光通信受阻之后，人们将研究在大气光通信受阻之后，人们将研究的重点转入到地下光波通信的实验，先后的重点转入到地下光波通信的实验，先后出现过反射波导和透镜波导等地下通信的出现过反射波导和透镜波导等地下通信的实验，如图实验，如图1.21.2所示。所示。图图1.2 1.2 反射波导和透镜波导反射波导和透镜波导19661966年，英籍华人高锟年，英籍华人高锟(K.C.KaoK.C.Kao，当当时工作于英国标准电信研究所时工作于英国标准电信研究所)博士深入研博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，究了光在石英玻璃纤维中
3、的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区的损耗较小。纤维在红外光区的损耗较小。在高锟理论的指导下，在高锟理论的指导下，19701970年美国的年美国的康宁公司拉出了第一根损耗为康宁公司拉出了第一根损耗为2020dB/kmdB/km的的光纤。光纤。1
4、9 7 71 9 7 7 年 美 国 在 芝 加 哥 进 行 了年 美 国 在 芝 加 哥 进 行 了44.73644.736Mbit/sMbit/s的现场实验，的现场实验，19781978年，日本开年，日本开始了始了32.06432.064Mbit/sMbit/s和和97.72897.728Mbit/sMbit/s的光纤通信的光纤通信实验；实验；19791979年，美国年，美国AT&TAT&T和日本和日本NTTNTT均研均研制出了波长为制出了波长为1.351.35mm的半导体激光器，的半导体激光器，日本也做出了超低损耗的光纤日本也做出了超低损耗的光纤(损耗为损耗为0.20.2dB/kmdB/
5、km，波长为波长为1.551.55m)m)，同时进行了多同时进行了多模光纤模光纤(同时允许多个方向的光线在其中传同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤送的光纤)1.31)1.31mm的长波长传输系统的现场的长波长传输系统的现场试验。试验。到如今，光纤通信已经发展到以采用到如今，光纤通信已经发展到以采用光放大器光放大器(Optical AmplifierOptical Amplifier，OA)OA)增加中继增加中继距离和采用波分复用距离和采用波分复用(Wavelength Division Wavelength Division MultiplexingMultiplexing，WDM)WDM
6、)增加传输容量为特征增加传输容量为特征的第四代系统。的第四代系统。光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载光纤通信是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统，其载波波的通信系统，其载波光波具有很高的光波具有很高的频率频率(约约10101414Hz)Hz)，因此光纤具有很大的通信因此光纤具有很大的通信容量。容量。目前，实用的光纤通信系统使用的光目前，实用的光纤通信系统使用的光纤多为石英光纤，此类光纤在纤多为石英光纤，此类光纤在1.551.55mm波长波长区的损耗可低到区的损耗可低到0.180.18dB/kmdB/km，比已知的其他比已知的其他通信线路的损耗都低得多，因此，由其组通信线路的损耗都低得多，
7、因此，由其组成的光纤通信系统的中继距离也较其它介成的光纤通信系统的中继距离也较其它介质构成的系统长得多。质构成的系统长得多。如果今后采用非石英光纤，并工作在如果今后采用非石英光纤，并工作在超长波长超长波长(2 2m)m)，光纤的理论损耗系数可光纤的理论损耗系数可以下降到以下降到1010-3-31010-5-5dB/kmdB/km，此时光纤通信此时光纤通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。的中继距离可达数千，甚至数万公里。我们知道，电话线和电缆一般是不能我们知道，电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设。化路附近铺设。对通信系统的
8、重要要求之一是保密性好。对通信系统的重要要求之一是保密性好。然而，随着科学技术的发展，电通信方式然而，随着科学技术的发展，电通信方式很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近很容易被人窃听：只要在明线或电缆附近(甚至几公里以外甚至几公里以外)设置一个特别的接收装置，设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。更就可以获取明线或电缆中传送的信息。更不用去说无线通信方式。不用去说无线通信方式。事物都是一分为二的，光纤通信有许事物都是一分为二的，光纤通信有许多优点，因而发展很快，但光纤通信也有多优点，因而发展很快，但光纤通信也有以下缺点。以下缺点。光纤通信系统是以光纤为传输媒介，光纤通信系统
9、是以光纤为传输媒介，光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成。光纤光缆、中继器和光接收机组成。系统中光发送机的作用是将电信号转系统中光发送机的作用是将电信号转换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。换为光信号，并将生成的光信号注入光纤。光发送机一般由驱动电路、光源和调制器光发送机一般由驱动电路、光源和调制器构成，如果是直接强度调制可以省去调制构成，如果是直接强度调制可以省去调制器，这些将在后续章节中详细介绍。器，这些将在后续章节中详细介绍。光接收机的作用是将光纤送来的光信光接收机的作用是将光纤送来的光信号还原成原始的电信号。它一般
10、由光电检号还原成原始的电信号。它一般由光电检测器和解调器组成，对于直接强度调制解测器和解调器组成，对于直接强度调制解调器可以省略。调器可以省略。光纤的作用是为光信号的传送提供传光纤的作用是为光信号的传送提供传送媒介送媒介(信道信道)，将光信号由一处送到另一处。，将光信号由一处送到另一处。中继器分为电中继器和光中继器中继器分为电中继器和光中继器(光放光放大器大器)两种，其主要作用就是延长光信号的两种，其主要作用就是延长光信号的传输距离。传输距离。根据调制信号的类型，光纤通信系统根据调制信号的类型，光纤通信系统可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通可以分为模拟光纤通信系统和数字光纤通信系统。信系统。
11、根据光源的调制方式，光纤通信系统根据光源的调制方式，光纤通信系统可以分为直接调制光纤通信系统和间接调可以分为直接调制光纤通信系统和间接调制光纤通信系统。制光纤通信系统。根据光纤的传导模数量，光纤通信系根据光纤的传导模数量，光纤通信系统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤统可以分为多模光纤通信系统和单模光纤通信系统。通信系统。根据系统的工作波长，光纤通信系统根据系统的工作波长，光纤通信系统可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤可分为短波长光纤通信系统、长波长光纤通信系统和超长波长光纤通信系统。通信系统和超长波长光纤通信系统。光纤作为光纤通信系统的物理传输媒光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大
12、的优越性。介，有着巨大的优越性。本章首先介绍光纤的结构与类型，然本章首先介绍光纤的结构与类型，然后用射线光学理论和波动光学理论重点分后用射线光学理论和波动光学理论重点分析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号。号。光纤光纤(Optical FiberOptical Fiber，OF)OF)就是用来导光就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包
13、分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层，如图层和外面的涂覆层，如图2.12.1所示。所示。图图2.1 2.1 光纤结构示意图光纤结构示意图 光纤的分类方法很多，既可以按照光纤光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。传输的工作波长来分类。按照截面上折射率分布的不同可以将按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤光纤分为阶跃型光纤(Step-Index FiberStep-Index Fiber，SIF)SIF)和渐变
14、型光纤和渐变型光纤(Graded-Index FiberGraded-Index Fiber，GIF)GIF)，其折射率分布如图其折射率分布如图2.22.2所示。所示。图图2.2 2.2 光纤的折射率分布光纤的折射率分布光纤的折射率变化可以用折射率光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数沿半径的分布函数n(r)n(r)来表示。来表示。）（1.2 21arnarnr n按光纤中传输的模式数量，可以将光按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤纤分为多模光纤(Multi-Mode FiberMulti-Mode Fiber，MMF)MMF)和单模光纤和单模光纤(Single Mode Fi
15、berSingle Mode Fiber，SMF)SMF)。在一定的工作波上，当有多个模式在在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模单模光纤只能传输基模(最低阶模最低阶模)，不存在，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。宽，这对于高码速传输是非常重要的。按光纤的工作波长可以将光纤分为短按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。波长光纤、长波长
16、光纤和超长波长光纤。按照按照ITU-TITU-T关于光纤类型的建议，可关于光纤类型的建议，可以将光纤分为以将光纤分为G.651G.651光纤光纤(渐变型多模光纤渐变型多模光纤)、G.652G.652光纤光纤(常规单模光纤常规单模光纤)、G.653G.653光纤光纤(色色散位移光纤散位移光纤)、G.654G.654光纤光纤(截止波长光纤截止波长光纤)和和G.655(G.655(非零色散位移光纤非零色散位移光纤)光纤。光纤。按套塑按套塑(二次涂覆层二次涂覆层)可以将光纤分为可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。松套光纤和紧套光纤。现在实用的石英光纤通常有以下三种：现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃
17、型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。型单模光纤。光在均匀介质中是沿直线传播的，其光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为传播速度为v=c/nv=c/n式中：式中：c c2.9972.99710105 5km/skm/s，是光在真是光在真空中的传播速度；空中的传播速度；n n是介质的折射率是介质的折射率(空气空气的折射率为的折射率为1.000271.00027，近似为，近似为1 1；玻璃的折射；玻璃的折射率为率为1.451.45左右左右)。反射定律：反射光线位于入射光线和反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光法线所决定的
18、平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：角，即：1 1 1 1。折射定律折射定律 ：折射光线位于入射光线和：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：线位于法线的两侧，且满足：n n1 1sinsin1 1=n=n2 2sinsin2 2一束光线从光纤的入射端面耦合进光一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传
19、播，并且一个传播周期与光线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。这种光线称为斜射线。阶跃型光纤是由半径为阶跃型光纤是由半径为a a、折射率为常折射率为常数数n n1 1的纤芯和折射率为常数的纤芯和折射率为常数n n2 2的包层组的包层组成，并且成，并且n n1 1 n n2 2，如图
20、如图2.62.6所示。所示。图图2.6 2.6 光线在阶跃型光纤中的传播光线在阶跃型光纤中的传播渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。增加而递减直到等于包层的折射率。子午射线的传播过程始终在一个子午子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在二维的平面内来分析，面内，因此可以在二维的平面内来分析，很直观。很直观。模式是波动理论的概念。在波动理论模式是波动理论的概念。在波动理论中，一种电磁场的分布称之为一个模式。中，一种电磁场的分布称之为一个模式。在射线理论中，通
21、常认为一个传播方向的在射线理论中，通常认为一个传播方向的光线对应一种模式，有时也称之为射线模光线对应一种模式，有时也称之为射线模式。式。光纤中光波相位的变化情况如图光纤中光波相位的变化情况如图2.92.9所所示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤示，在这里以阶跃型光纤为例来讨论光纤的相位一致条件，不作复杂的数学推导，的相位一致条件，不作复杂的数学推导，只提及波动光学中的基本观点和结论。只提及波动光学中的基本观点和结论。图图2.9 2.9 光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况相位一致条件就是说：如果图中所示相位一致条件就是说：如果图中所示的这个模式在的这个模式在A A、B B处相位相等
22、，则经过一处相位相等，则经过一段传播距离后，在段传播距离后，在AA、BB处也应该相位处也应该相位相等或相差相等或相差2 2 的整数倍。的整数倍。光纤的相位一致条件也可以从另外一光纤的相位一致条件也可以从另外一个角度出发得到。根据物理学的知识可知：个角度出发得到。根据物理学的知识可知：波在无限空间中传播时，形成行波；而在波在无限空间中传播时，形成行波；而在有限空间传播时，形成驻波。有限空间传播时，形成驻波。一旦确定了光波导和光波长，那么一旦确定了光波导和光波长，那么n n1 1、n n2 2、纤芯直径纤芯直径2 2a a以及真空中光的传播常数以及真空中光的传播常数k k0 0也就确定了，而且式也
23、就确定了，而且式(2-17)(2-17)中的最大中的最大N N值也值也就确定了。就确定了。对于渐变型多模光纤，同样，其导模对于渐变型多模光纤，同样，其导模不仅要满足全反射条件，还要满足相位一不仅要满足全反射条件，还要满足相位一致条件。致条件。在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线处的折射率大，该处光线传播速度慢；高处的折射率大，该处光线传播速度慢；高阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小，该处光线的传播速度线越远折射率越小，该处光线的传播速度越快。
24、越快。多模光纤和单模光纤是由光纤中传输多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。与光纤中传输的光波长有关。为了描述光纤中传输的模式数目，在为了描述光纤中传输的模式数目，在此引入一个非常重要的结构参数，即光纤此引入一个非常重要的结构参数，即光纤的归一化频率，一般用的归一化频率，一般用V V表示，其表达式表示，其表达式如下：如下：）（19.2 222200anCanankVmmm顾明思义，多模光纤就是允许多个模顾明思义，多模光纤就是允许多个
25、模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。中允许存在多个分离的传导模。只能传输一种模式的光纤称为单模光只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模纤。单模光纤只能传输基模(最低阶模最低阶模)，它，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。单模光纤的带宽一般都在几十常重要的。单模光纤的带宽一般都在几十GHzkmGHzkm以上。以上。所谓均匀平面波是指在与传播方向垂所谓均匀平面波是指在与传播方向垂直的无限大的平面上
26、，电场强度直的无限大的平面上，电场强度E E和磁场和磁场强度强度H H的幅度和相位都相等的波型，简称的幅度和相位都相等的波型，简称为平面波。为平面波。平面波是非常重要的波型，一些复杂平面波是非常重要的波型，一些复杂的波可以由平面波叠加得到。在折射率为的波可以由平面波叠加得到。在折射率为n n的无限大的介质中，一工作波长为的无限大的介质中，一工作波长为 0 0的平的平面波在其中传播，其波数为：面波在其中传播，其波数为：式中：式中：k k0 0是真空中的波数，是真空中的波数，是光的角是光的角频率，频率，和和 分别是介质的导磁率和介电常分别是介质的导磁率和介电常数数,设平面波传播方向的单位矢量为设平
27、面波传播方向的单位矢量为a as s，则则k k=a=as skk称为平面波在该介质中的波矢量。称为平面波在该介质中的波矢量。）（25.2 200nknk反射波与入射波在原点处的复振幅之反射波与入射波在原点处的复振幅之比称为反射系数；传递波与入射波在原点比称为反射系数；传递波与入射波在原点处的复振幅之比称为传递系数，表示为：处的复振幅之比称为传递系数，表示为：）（a29.2 120101jeREER ）（b29.2 220102jeTEET式中：式中：R R、T T都是复数，包括大小及相都是复数，包括大小及相位。其模值分别表示反射波、传递波与入位。其模值分别表示反射波、传递波与入射波幅度的大小
28、之比；射波幅度的大小之比；2 2 1 1、2 2 2 2是是R R和和T T的的相角，分别表示在介质分界面上反射波、相角，分别表示在介质分界面上反射波、传递波比入射波超前的相位。传递波比入射波超前的相位。）（a29.2 120101jeREER ）（b29.2 220102jeTEET全反射是一种重要的物理现象，当光全反射是一种重要的物理现象，当光波从光密介质射入光疏介质，且入射角大波从光密介质射入光疏介质，且入射角大于临界角时才能产生全反射，即全反射必于临界角时才能产生全反射，即全反射必须满足：须满足：n n1 1nn2 2，c c1 19090。在全反射时，式在全反射时，式(2-32)(2
29、-32)根号中是负数，根号中是负数，因此可以变化成下面的形式。因此可以变化成下面的形式。）（33.2 1sincos122212nnj全反射时，将式全反射时，将式(2-34)(2-34)代入式代入式(2-30(2-30b)b)，即可得到垂直极化波全反射时的传递系数。即可得到垂直极化波全反射时的传递系数。）（40.2 cos212122cossinsin2221112cjarctgjennneTT综上所述，当平面波由光密介质射向综上所述，当平面波由光密介质射向两介质分界面上时，根据入射角两介质分界面上时，根据入射角 1 1的大小，的大小，可以产生两种类型的波：当入射角大于临可以产生两种类型的波：
30、当入射角大于临界角时产生导行波，能量集中在光密介质界角时产生导行波，能量集中在光密介质及其界面附近；当入射角小于临界角时产及其界面附近；当入射角小于临界角时产生辐射波，一部分能量辐射到光疏介质中生辐射波，一部分能量辐射到光疏介质中并在其中传播。对于光波导来说，导波是并在其中传播。对于光波导来说，导波是一种重要的波型。一种重要的波型。在均匀光纤中，介质材料一般是线性在均匀光纤中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在电流和自由电和各向同性的，并且不存在电流和自由电荷，因此在无源区域，均匀、无损、简谐荷，因此在无源区域，均匀、无损、简谐形式的麦克斯韦方程组为：形式的麦克斯韦方程组为：式中：式中
31、：E E为电场为电场强度矢量；强度矢量；D D为电位为电位移矢量；移矢量；H H为磁场强为磁场强度矢量；度矢量；B B为磁感应为磁感应强度矢量。且强度矢量。且D D与与E E，B B与与H H有下列关系。有下列关系。）（）（）（）（d44.2 0c 44.2 0b44.2 a 44.2BDEjHHjE）（）（b 45.2 a 45.2HBED从麦克斯韦方程组出发，可以导出光从麦克斯韦方程组出发，可以导出光波所满足的亥姆霍兹方程。根据矢量关系，波所满足的亥姆霍兹方程。根据矢量关系，有如下两个等式。有如下两个等式。式中：式中：A A代表任何一个矢量，当然代表任何一个矢量，当然E E、H H也也满足
32、式满足式(2-47)(2-47)。）（a 47.2 2AAA ）（b47.2 AAA在单一均匀介质中传播的波为平面波，在单一均匀介质中传播的波为平面波，称为横电磁波，用称为横电磁波，用TEMTEM表示，表示，TEMTEM波的电波的电场和磁场方向与波的传播方向垂直，即在场和磁场方向与波的传播方向垂直，即在波导的传播方向上既没有磁场分量也没有波导的传播方向上既没有磁场分量也没有电场分量，且三者两两相互垂直。电场分量，且三者两两相互垂直。对于同一类型的波，其场强在圆周方对于同一类型的波，其场强在圆周方向向(即即 方向方向)或径向方向或径向方向(即即r r方向方向)的分布情的分布情况又会有所区别，即电
33、磁场的分布会不尽况又会有所区别，即电磁场的分布会不尽相同。相同。目前通信用光纤的相对折射率差目前通信用光纤的相对折射率差 11，称为弱导光纤。这种光纤可以近似称为弱导光纤。这种光纤可以近似地用平面波束分析光的传播。地用平面波束分析光的传播。阶跃型光纤的波动理论分析就是以麦阶跃型光纤的波动理论分析就是以麦克斯韦方程组为基础，根据光纤的边界条克斯韦方程组为基础，根据光纤的边界条件，从亥姆霍兹方程解出阶跃型光纤中导件，从亥姆霍兹方程解出阶跃型光纤中导波的场方程，在此基础上推导出其特征方波的场方程，在此基础上推导出其特征方程，研究其导波模式，分析其传输特性。程，研究其导波模式，分析其传输特性。阶跃型光
34、纤的纤芯半径为阶跃型光纤的纤芯半径为a a，包层半包层半径为径为b b，纤芯和包层的折射率分别为纤芯和包层的折射率分别为n n1 1和和n n2 2，其截面形状如图其截面形状如图2.17(2.17(a a)所示。所示。图图2.162.16几个低阶模的场型几个低阶模的场型(实线为电力线，实线为电力线，虚线为磁力线，虚线为磁力线，gg=2=2/)要确定光纤中导模的特性，就需要确要确定光纤中导模的特性，就需要确定参数定参数U U、WW和和，只有亥姆霍兹方程的解只有亥姆霍兹方程的解是不够的。由于光纤中的导模还必须满足是不够的。由于光纤中的导模还必须满足光纤的边界条件，所以还要利用光纤的边光纤的边界条件
35、，所以还要利用光纤的边界条件来确定场表达式中的参数界条件来确定场表达式中的参数U U、WW和和。上面已经得到了光纤中场的亥姆霍兹上面已经得到了光纤中场的亥姆霍兹方程和弱导光纤中导波的特征方程，接下方程和弱导光纤中导波的特征方程，接下来分析光纤中存在哪些模式及这些模式的来分析光纤中存在哪些模式及这些模式的特征方程。特征方程。光纤中是否存在光纤中是否存在TEMTEM波呢波呢?根据定义，根据定义，TEMTEM波在波导的传播方向波在波导的传播方向(Z Z方向方向)上既没有上既没有电场分量，又没有磁场分量。即电场分量，又没有磁场分量。即E Ez z0 0、H Hz z0 0。如果光纤中存在如果光纤中存在
36、TEMTEM波，则根据波，则根据E Ez z、H Hz z的表达式的表达式(2-75)(2-75)和式和式(2-76)(2-76)可以得到可以得到A AB B0 0，再将再将A AB B0 0代入式代入式(2-77)(2-77)、式、式(2-78)(2-78)得到得到E Er r、E E、H Hr r、E E 都为零，即光纤中不都为零，即光纤中不存在电磁场，所以光纤中根本不存在存在电磁场，所以光纤中根本不存在TEMTEM波。波。光纤中是否存在光纤中是否存在TETE波和波和TMTM波，实际波，实际上是看单独的上是看单独的TETE波和波和TMTM波是否满足边界波是否满足边界条件。如果光纤中存在条件
37、。如果光纤中存在TETE波，根据波，根据TETE波的波的定义，定义，TETE波在波导的传播方向波在波导的传播方向(Z Z方向方向)上没上没有电场分量，只有磁场分量，即有电场分量，只有磁场分量，即E Ez z0 0，根根据据E Ez z表达式表达式(2-75)(2-75)可以得到可以得到A A0 0，然后将然后将A A0 0代入式代入式(2-83(2-83b b)中得到中得到）（85.2 01122WUmB式 中 导 模 的 传 播 常 数 不 能 为 零，2211WU也 不 能 为 零，B也 不 能 为 零（如 果 A、B 同 时 为 零，此 时 光 纤 中 不 存 在电 磁 场）；因 此，只
38、 有 m 0。从上面的阐述中可以看到，当从上面的阐述中可以看到，当m m00时，时，光纤中不能存在光纤中不能存在TETE波和波和TMTM波，而只能是波，而只能是E Ez z、H Hz z同时存在的同时存在的EHEH波和波和HEHE波。波。模的特性可以用模的特性可以用3 3个特征参数个特征参数U U、WW和和 来描述。来描述。U U表示导模场在纤芯内部的横向表示导模场在纤芯内部的横向分布规律；分布规律；WW表示导模场在纤芯外部的横表示导模场在纤芯外部的横向分布规律。向分布规律。TE0n和TM0 n模 归 一 化 截 止 频 率根 据 贝 塞 尔 函 数 的 性 质，当W?0时，有 如 下 的 近
39、 似 式5：当m 0时：）（a91.2 2ln0WWK 当m 0时：）（b91.2 2!121mmWmWK因 此：）（c91.2 11WWK EHm n模 的 归 一 化 截 止 频 率 根 据EH模 的 特 征 方 程（2.89）式 和（2.91b）式，在 临 界 状 态 下 有：201012lim2!1212!21limWmWmWWmUJUUJWmmWcmccm 从 而 得 到：）（93.2 0cmUJ H Em n模 的 归 一 化 截 止 频 率由 于 当W?0时，K0（W）和Km（W）（m 0）的 近 似 公 式不 同，在 这 里 要 分m 1和m 2两 种 情 况 讨 论。a.当m
40、 1时。根 据H E模 的 特 征 方 程（2.90）式 和（2.91a）、（2.91c）式，在 临 界 状 态 下 有：WWWWWWKWKUJUUJWWWccc2lnlim12lnlimlim0010010从 而 得 到：）（94.2 001ccUJU式（2.94）就 是H E1n在 临 界 状 态 下 的 特 征 方 程。b.当m 2时根 据H E模 的 特 征 方 程（2.90）式 和（2.91b）式，在 临 界 状 态 下 有：1212!1212!221limlim120101mWmWWmWWKWKUJUUJmmWmmWcmccm 从 而 得 到：）（95.2 121cmcmcUJmU
41、JU 根 据 贝 塞 尔 函 数 的 递 推 公 式5 ）（96.2 211cmccmccmUJUUJUUmJ将 式（2.96）代 入 式（2.95），得：）（97.2 022cmccmccmccmcUJUUJUUJUUJU式 中：如 果U c 0，则 0000011mmcmccmJJUJUUJ，成 为 不 定 型，所 以U c 0，只 有：）（98.2 02cmUJ 式（2.98）就 是H Em n（m 2）模 在 临 界 状 态 下 的 特 征 方 程。光纤中导模的光纤中导模的U U值是随频率而变化的。值是随频率而变化的。上面所讨论的上面所讨论的U Uc c值只适用于导模截止时的值只适用于
42、导模截止时的情况。情况。T E0n模 和 T M0 n模 远 离 截 止 时 的 U值 将 式（2.101）代 入 T E模 和 T M 模 的 特 征 方 程（2.88）式 中，可 得 到：01limlim0101WWWKWKUUJUJWW从 而 得 到：）（101.2 01UJ E Hm n模 远 离 截 止 时 的U值将 式（2.1 0 1）代 入 E H模 的 特 征 方 程（2.9 0）式 中，可 得 到：01limlim11WWWKWKUUJUJWmmWmm从 而 得 到：）（102.2 01UJm式（2.1 0 3）就 是 E Hm n模 远 离 截 止 时 特 征 方 程。光缆
43、的构造一般分为缆芯和护层两大光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分。部分。在光缆的构造中，缆芯是主体，其结在光缆的构造中，缆芯是主体，其结构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。构是否合理，与光纤的安全运行关系很大。一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：一般来说，缆芯结构应满足以下基本要求：光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤在缆芯内处于最佳位置和状态，保证光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉光纤传输性能稳定，在光缆受到一定的拉力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力力、侧压力等外力时，光纤不应承受外力影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥影响；其次缆芯内的金属线对也应得到妥善安排，并保证其电气性能
44、；另外缆芯截善安排，并保证其电气性能；另外缆芯截面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。面应尽可能小，以降低成本和敷设空间。光缆护层同电缆护层的情况一样，是光缆护层同电缆护层的情况一样，是由护套和外护层构成的多层组合体。其作由护套和外护层构成的多层组合体。其作用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各用是进一步保护光纤，使光纤能适应在各种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、种场地敷设，如架空、管道、直埋、室内、过河、跨海等。对于采用外周加强元件的过河、跨海等。对于采用外周加强元件的光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗光缆结构，护层还需提供足够的抗拉、抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。压、抗弯曲等机械特性
45、方面的能力。光缆的基本结构按缆芯组件的不同一光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种，如图状式四种，如图2.212.21所示。我国及欧亚各国所示。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。两种。图图2.212.21光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图层绞式光缆的结构类似于传统的电缆层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。结构方式，故又称为古典式光缆。骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是的槽中，槽的
46、横截面可以是V V形、形、U U形或其形或其他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦他合理的形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置形，一个空槽可放置510510根一次涂覆光纤。根一次涂覆光纤。束管式结构的光缆近年来得到了较快束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤的发展。它相当于把松套管扩大为整个纤芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。中。带状式结构的光缆首先将一次涂覆的带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。层光纤带叠放在一起构成
47、光缆芯。光缆的种类很多，其分类方法也很多，光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的分类有：习惯的分类有：根据光缆的传输性能、距离和用途，根据光缆的传输性能、距离和用途，光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆可以分为市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；光缆和用户光缆；根据光纤的种类，光缆可以分为多模根据光纤的种类，光缆可以分为多模光缆、单模光缆；光缆、单模光缆；根据光纤套塑的种类，光缆可以分为根据光纤套塑的种类，光缆可以分为紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和紧套光缆、松套光缆、束管式新型光缆和带状式多芯单元光缆；带状式多芯单元光缆；根据光纤芯数的多少，光缆可以分为根据光纤芯数的多少，光缆
48、可以分为单芯光缆和多芯光缆等等；单芯光缆和多芯光缆等等；根据加强构件的配置方式，光缆可以根据加强构件的配置方式，光缆可以分为中心加强构件光缆分为中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨如层绞式光缆、骨架式光缆等架式光缆等)、分散加强构件光缆、分散加强构件光缆(如束管式如束管式光缆光缆)和护层加强构件光缆和护层加强构件光缆(如带状式光缆如带状式光缆)；根据敷设方式，光缆可以分为管道光根据敷设方式，光缆可以分为管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；根据护层材料性质，光缆可以分为普根据护层材料性质，光缆可以分为普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。通光缆、阻燃光缆和防蚁
49、、防鼠光缆等。光缆的种类较多，同其他产品一样，光缆的种类较多，同其他产品一样，具有具体的型式和规格。具有具体的型式和规格。光缆的型式代号是由分类、加强构件、光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生派生(形状、特性等形状、特性等)、护套和外护层五部分、护套和外护层五部分组成，如图组成，如图2.222.22所示。所示。图图2.22 2.22 光缆的型式代号光缆的型式代号GYGY：通信用室通信用室(野野)外光缆；外光缆；GRGR：通信用软光缆；通信用软光缆；GJGJ：通信用室通信用室(局局)内光缆；内光缆；GSGS：通信用设备内光缆；通信用设备内光缆；GHGH：通信用海底光缆；通信用海底光缆；GTGT
50、：通信用特殊光缆；通信用特殊光缆；GWGW：通信用无金属光缆。通信用无金属光缆。无符号：金属加强构件；无符号：金属加强构件；F F：非金属加强构件；非金属加强构件；G G：金属重型加强构件；金属重型加强构件；H H：非金属重型加强构件。非金属重型加强构件。B B：扁平式结构；扁平式结构；Z Z：自承式结构；自承式结构；T T：填充式结构；填充式结构；S S：松套结构。松套结构。注：当光缆型式兼有不同派生特征时，注：当光缆型式兼有不同派生特征时，其代号字母顺序并列。其代号字母顺序并列。Y Y：聚乙烯护套；聚乙烯护套；V V：聚氯乙烯护套；聚氯乙烯护套；U U：聚氨酯护套；聚氨酯护套；A A：铝、
