1、2.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类2.2阶跃型光纤阶跃型光纤2.3渐变型光纤渐变型光纤2.4 单模光纤单模光纤2.5 光纤的传输特性光纤的传输特性2.6光纤的温度特性和机械特性光纤的温度特性和机械特性2.7光缆的结构与种类光缆的结构与种类2.8简单介绍几种特殊光纤简单介绍几种特殊光纤1谢谢欣赏谢谢欣赏2019-7-10第2章光纤与光缆 光纤通信与电通信的主要差异之一，即是利用光导纤维来传输光波信号。目前用于通信的光纤大多数是石英光纤，而石英材料本身脆弱容易断裂，因此，在实际通信线路中，都是将光纤制成不同结构形式的光缆在各种环境条件下使用。本章内容可看为是光纤通信系统中的光传输部分，将对光
2、纤的结构和分类、光纤的导光原理、光纤的传输特性以及光缆的结构与分类等进行分析。2谢谢欣赏2019-7-102.1 光纤的结构和分类2.1.1 光纤的结构2.1.2 光纤的分类3谢谢欣赏2019-7-102.1.1 光纤的结构光纤有不同的结构形式。通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。图2-1 光纤的结构4谢谢欣赏2019-7-102.1.2 光纤的分类1.按照光纤横截面折射率分布不同来划分 阶跃型光纤 纤芯折射率n1沿半径方向保持一定
3、，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。渐变型光纤 如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。图2-2光纤的剖面折射率分布5谢谢欣赏2019-7-102.1.2 光纤的分类2.按照纤芯中传输模式的多少来划分 所谓模式，实质上是电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多模光纤.单模光纤 光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为410m。适用于大容量、长距离的光纤通信。
4、多模光纤 在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。多模光纤的纤芯直径约为50m。6谢谢欣赏2019-7-102.1.2 光纤的分类图2-3光纤中的光射线轨迹 7谢谢欣赏2019-7-102.1.2 光纤的分类3.按光纤的材料来划分 石英系光纤石英系光纤 -纤芯和包层是由高纯度的掺有适当的杂质制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性高，目前应用广泛。石英芯、塑料包层光纤石英芯、塑料包层光纤-纤芯是用石英制成，包层采用硅树脂。多成分玻璃纤维多成分玻璃纤维 -用钠玻璃掺有适当杂质制成。塑料光纤塑料光纤 -纤芯和包层都由塑料制成。8
5、谢谢欣赏2019-7-102.2 阶跃型光纤 2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法阶跃型光纤的标量近似解法9谢谢欣赏2019-7-102.2 阶跃型光纤 阶跃型光纤的折射指数分布已在图2-2（a）中给出，下面将从几何光学角度出发，分析光在光纤中传输时的某些特性。主要讨论阶跃型光纤中的射线种类、子午线的数值孔径以及影响光纤性能的主要参量相对折射指数差。10谢谢欣赏2019-7-102.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析 1相对折射指数差 光纤的纤芯和包层采用相同的基础材料SiO2，然后各掺入不同的杂质，使得
6、纤芯中的折射指数n1略高于包层中的折射指数n2，它们的差极小。n1和n2差的大小直接影响着光纤的性能。相对折射指数（）：n1和n2的相差程度 （2-1）2122212nnn 11谢谢欣赏2019-7-10 弱导波光纤：n1与n2差别极小 （2-2）121nnn 2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析12谢谢欣赏2019-7-102阶跃型光纤中的光射线种类 阶跃型光纤中的光射线主要有子午线和斜射线。（1）子午射线子午面：过纤芯的轴线可做许多平面，这些平面均称为子午面。子午面上的光射线在一个周期内和该中心轴相交两次，成为锯齿形波前进。这种射线称为子午射线，简称为子午线。子
7、午线是平面折线，它在端面上的投影是一条直线。2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析图2-4阶跃光纤中的子午线13谢谢欣赏2019-7-10（2）斜射线斜射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的射线。斜射线是限制在一定范围内传输的，这个范围称为焦散面。斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据全反射原理，使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的。2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析图2-5阶跃光纤中的斜射线14谢谢欣赏2019-7-10 斜射线的情况比较复杂，下面只对阶跃光纤中的子
8、午线做一分析3子午线的分析 导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。什么样的子午线才能在纤芯中形成导波：必须能在纤芯和包层的界面上发生全反射的子午线才能形成导波。2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析15谢谢欣赏2019-7-10图2-6光纤剖面上的子午射线 121sin()cnn1211sin()nn121sin()cnn211sinnn根据折射定律得0121111sinsinsin(90)cosnnnn 1121100sincos1 sinnnnn（2-3）2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析16
9、谢谢欣赏2019-7-10 为了在纤芯中产生全反射，1必须大于c，从图2-6中可看出，如果1增大，2必减少，则外面激发的射入角也必减少，即上式改为 由于n0=1，则 (2-4)只有能满足式（2-4）的射线，才可以在纤芯中形成导波（即满足了全反射条件）。2221sinnn 21201sin1nnnn2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析17谢谢欣赏2019-7-104数值孔径的概念 由上面分析可知，并不是由光源射出的全部光射线都能在纤芯中形成导波，只有满足式（2-4）条件的子午线，才可以在纤芯中形成导波，这时就认为这些子午线被光纤捕捉到了。数值孔径：表示光纤捕捉光射线能
10、力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用NA表示。(2-5)数值孔径越大，就表示光纤捕捉射线的能力就越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差很小，因此其数值孔径也不大。2sin12221maxnnnNA2.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析18谢谢欣赏2019-7-102.2.1 阶跃型光纤光射线的理论分析阶跃型光纤光射线的理论分析例2.2.1：计算n1=1.48，n2=1.46的阶跃折射率分布光纤的相对折射指数差和数值孔径。2212221.48-1.460.2425NAnn1211.48 1.460.01351.48nnn 19谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光
11、纤的标量近似解法 用波动理论进行分析，通常有两种解法：矢量解法 标量解法。矢量解法是一种严格的传统解法，求满足边界条件的波动方程的解。弱导波光纤可以用标量近似解法推导出阶跃型光纤的场方程、特征方程以及在这些基础上分析标量模特性。20谢谢欣赏2019-7-10由前面分析得知，通信光纤中的芯包折射率差很小，即211nn1.什么是标量近似解法什么是标量近似解法21arcsin()90ocnn在光纤中形成导波时，入射角必须满足全反射条件，即由此可得900，光纤中的光线几乎与光纤轴平行。90c2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法因而全反射临界角为21谢谢欣赏2019-7-10 在弱导波光纤中，光射线几乎
12、与光纤轴平行。弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直。横电磁波（TEM波）：把E和H处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波，即TEM波。弱导波光纤中的E和H分布是一种近似的TEM波，即是近似的横电磁波。2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法22谢谢欣赏2019-7-10 这种具有横向场的极化方向（即电场的空间指向）在传输过程中保持不变的横电磁波，可以看成为线极化波（或称线偏振波）。由于E（或H）近似在横截面上，而且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变（仅大小变化）的标量E。因此，它将满足标量的亥姆霍兹方程，通过解该方程，求
13、出弱导波光纤的近似解。这种方法称为标量近似解法。2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法23谢谢欣赏2019-7-102标量解的场方程（1）坐标选取2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法图2-7坐标系中的光纤24谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法（2）场方程的推导思路及表达式首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程 如选横向电场的极化方向与y轴一致，则横向场只有Ey分量，而Ez=0,则它在圆柱坐标系中，满足矢量的亥姆霍兹方程，而矢量的亥姆霍兹方程已在预备知识中给出，为tyyEe E220kEE2220()()0yyek n eyyEE22200k nyyEE220ttk EE0k
14、k n（2-6）25谢谢欣赏2019-7-10 将式（2-6）在圆柱坐标系中展开得出u 圆柱坐标系（r，z）：2222202222110k nrrrrZyyyyyEEEEE（2-7）用分离变量法求解横向场E Ey y，将E Ey y写成三个函数积的形式，即 ,rzR rZ zAyE ，导波在光纤中沿轴向z向传播常数 jzZze场沿r方向变化的规律 cos0,1,2.;sinmmm角向波函数2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法26谢谢欣赏2019-7-10 将 ，的表达式代入，得出 Z z ,cosjzrzAR rmeyE（2-8）将上式代入式（2-7），可以得出 2222222011sinsi
15、nsinsinsin0jzjzjzjzjzR rR rAmeAmeAR r mmerrrrAR rmek n AR rme 222222020R rR rrrrk nmR rrr即（2-9）2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法27谢谢欣赏2019-7-10 由于纤芯和包层的折射率不同，分别为n1和n2，而且n1n2，这样使得纤芯和包层中的场有一定差别。对于导波导模传播常数 的允许范围为：证明：由全反射条件可知，此时入射角的范围是0201k nk n190c1sinsinsin 90C0201101sink nk nk n01k n各项取正弦，得各项均乘以 ，2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法
16、28谢谢欣赏2019-7-10 入射波的波矢量在Z方向的分量为 即代表纤芯中沿Z方向传播时导波的相位常数 ，故0201k nk n22010k n111011sinsinzkkk n011sink n 这样就得出 的变化范围为 因此，在纤芯中（ra）：在包层中（ra）：22020k n证明2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法29谢谢欣赏2019-7-10 这是m阶贝塞尔方程。解这个方程可得出 的表达式为 那么径向波函数R(r)满足下面的微分方程(无偏导数)Rr2222201221()0d RdRmk nRdrr drrra2222202221()0d RdRmk nRdrr drrra 222
17、0122202mmJk nrR rKk n rrara（2-10）2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法30谢谢欣赏2019-7-10 将(2-10)代入(2-8)，即 得222101222202cosmjzmA Jk nremA Kk n ryErara（2-11）如果设 22201Uk na22202Wk na,sinj zrzAR rmeyE 包层中的径向波函数为2()mWR rA Krara 则纤芯中的径向波函数为1()mUR rA Jrraa2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法31谢谢欣赏2019-7-10利用芯包边界上电场切向分量连续条件，界面连续，即 12;yyraEE则有1212
18、()()()();yymmR rR rA JUA KWA那么1;()mAAJU2()mAAKW可得：cosexp()()mmuJraAmjtzJuy1Eracosexp()()mmwkraAmjtzKwy2Era2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法32谢谢欣赏2019-7-10 根据麦氏方程中E和H的关系，可得出横向磁场Hx的解答式。由麦克斯韦方程可知 为自由空间波阻抗。芯子和包层中的波阻抗，分别 和 ，rara000/Z自由空间波阻抗。0yxEZH011ZZn022ZZn则Hx的表示式为 12yxyEZHEZ2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法33谢谢欣赏2019-7-10110cosexp
19、()()mxmuJrnaHAmjtzZJu 220cosexp()()mxmwKrnaHAmjtzZKw rara（2-13）2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法34谢谢欣赏2019-7-10 由麦克斯韦方程得，准TEM波Ex，Hy分量近似等于零，即j HE0j EH这里k 000rn则有11jjxy yxEEHE11jjxyyxHHEH 根据电场和磁场的横向分量，可用麦克斯韦方程求出轴向场分量Ez、Hz的解答式 2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法35谢谢欣赏2019-7-10从麦克斯韦方程可得场的纵向分量E Ez z、H Hz z000jddjjxydykdy yxxxzHHHHE2000
20、000020000()rrrjjjdddkdykdydyk xxxHHH020jZdk ndyxH00jjxyxyyxzEEEH0000000ddjjkdxdxk yyEE020jZdk ndyxH（2.3.22）2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法36谢谢欣赏2019-7-10 由式（2-12）和式（2-13）可得纤芯中轴向电场分量Ez1的表达式为 1101sin1sin12mmmjAuuuJrmJrmk n aJuaaz1E（2.-14a）纤芯中轴向磁场分量Hz1的表达式为1100cos(1)cos(1)2()()mmmmuuJrJrjAaaumumk aZJuJuz1H（2-14b）2.
21、2.2 阶跃型光纤的标量近似解法37谢谢欣赏2019-7-10包层中轴向电场分量Ez2的表达式为11022()()sin(1)sin(1)2()()mmmmwwkrkrjAwwaammk anKwnkwz2E（2-14c）包层中轴向磁场分量Hz2的表达式为1100()()cos(1)cos(1)2()()mmmmwwkrkrjAaawmwmk aZKwkwz2H（2-14d）2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法38谢谢欣赏2019-7-10（3）场方程中参量符号的含义场方程中参量符号的含义 U为导波的径向归一化相位常数，表达式为 表明在纤芯中，导波沿径向场分布规律。W为导波的径向归一化衰减常数
22、，表达式为22201Uk nr a（2-15）22202Wk n r a（2-16）表明在光纤包层中，场的衰减规律2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法39谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法光纤的归一化频率V 令2222012()()Vk ann归一化频率222UWV012Vk n a（2-17）它是一个直接与光的频率成正比的无量纲的量 40谢谢欣赏2019-7-103标量解的特征方程 要确定光纤中导波的特性，就需要确定参数U,W和。式（2-15）和式（2-16）给出了三个参数的关系式，还需要再有一个关系式，这就是特征方程式。用波动理论去求特征方程，就是利用边界条件，
23、令场的表示式满足边界条件，即可得到特征方程。2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法41谢谢欣赏2019-7-10 特征方程的推导特征方程的推导：纤芯包界面的边界条件：r=a 界面上，电场和磁场的轴向分量连续，若Ez1=Ez2，得1111()()sin(1)sin(1)()()mmmmJUJUUUmnnJUnJU1122()()sin(1)sin(1)()()mmmmKWKWWWmmnKWnKW1112()()()()mmmmJUKWUWnJUnKW此式要在任意的值上成立，因此得1112()()()()mmmmJUKWUWnJUnKW 2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法42谢谢欣赏2019-7-
24、10 弱导波光纤标量解的特征方程。对于弱导波光纤，n1n2，可以忽略它们之间微小的差别，则上式可写为)()(1UJUJUmm)()(1WKWKWmm )()(1UJUJUmm)()(1WKWKWmm-2.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法（2-18）利用第一类贝塞尔函数与第二类修正的贝塞尔函数的递推公式，可证明这两个式子相等。43谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法4阶跃型光纤标量模的特性（1）标量模的定义 “极化”就是指随着时间的变化，电场或磁场的空间方位是如何变化的。一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向。如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线时，就
25、把这种极化称为直线极化，简称为线极化。弱导波光纤可认为它的横向场是线极化波，以LP表示。LP模（Linearly Polarized mode），即线性偏振模的意思。在这种特定条件下传播的模式，称为标量模，或LPmn模。44谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 下表m和n的值，表明了各模式的场型特性。m表示模式的场分量沿圆周方向最大值有几对。n表示模式的场分量沿光纤直径的最大值有几对。不同的m,n值，即对应着不同的模式。45谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法（2）用标量解法得出的模式是简并的 简并的概念：不同的模式，它们以相同的值沿轴向传输
26、，即表明这些模式是简并的。一般情况，横向场除了有Ey分量，还有Ex分量，并且，并且，因此，在弱导波光纤中，一个标量解可得出四个简并模。即在弱导波光纤中，模式是简并的。cossinmm46谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法（3）截止时标量模的特性 截止的概念 当光纤中出现了辐射模时，即认为导波截止 导波传输常数的变化范围 导波截止的临界状态：当 时，对应于 ，这时电磁场能量不能有效地封闭在纤芯中，而向包层辐射，这种状态称为导波的临界状态。导波截止状态 ：当 时，辐射损耗将进一步增大，使光波能量不再有效地封闭在纤芯中，这时，即认为出现了辐射模，导波处于截止状态。0201
27、k nk n02k n1c02k n47谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 截止时的特征方程22222002()0(2 19)Wk na()mkW 11()()0()()mmmmJUKWUWJUKW1()0(220)mJU由于传输常数 是导波截止的临界状态，因此 02k n截止时的特征方程48谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 截止情况下LPmn模的归一化截止频率Vc 导波截止时，归一化径向相位常数、归一化径向衰减常数和归一化频率分别用UC、WC、VC表示。222VUW22(221)CCCCVUVU因为截止时W=0，则49谢谢欣赏2019
28、-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 前面已求出，当U0时，截止时的特征方程为 满足此关系的U值，就是m-1阶贝塞尔函数的根值，这个根值一般用mn表示，是m阶贝塞尔函数的第n个根值。m是贝塞尔函数的阶数，n是 根的序号，即是指第几个根。联系到前面分析弱导波光纤各分量的解答式，即式（2-12）（2-14）中不同的m,n值将对应于场的不同分布状况，故可以说，对应于不同的LPmn模式。1()0mJU1()0mJU50谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法例如 当m=0时为LP0n模式，其特征方程为1()0cJU00,3.8317,7.01559,cnU则由贝塞尔函数
29、知识，知道0()0cJ U12.40483,5.52008,8.65373,cnU当m=1时为LP1n模式，其特征方程为 则 51谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 表2-1 截止情况下LPmn模的Uc值 n m012102.404833.8317123.831715.520037.0155937.015598.6537310.1734752谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 由于截止时Uc=Vc，则此表也代表了各LPmn模的归一化截止频率Vc值。而模式的传输条件：VVc时可传;VVc时截止。因此当模式的归一化频率值V=Vc时，则该模式截
30、止 53谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 基模（主模）：在导波系统中，截止波长最长的模是最低模，称为基模或主模。其余所有模式均为高次模。在阶跃型光纤中，LP01模是基膜，LP11模是第一个高次模。导波系统的传输条件：VVC时可传;VVC时截止。阶跃型光纤的单模传输条件：0V2.40483 54谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法（4）远离截止时标量模的特性 远离截止 当V时，即为远离截止。此时光能完全集中在芯子中，包层中没有能量。远离截止时标量模的特征方程 ()0(222)mJU 55谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量
31、近似解法 远离截止时LPmn模的U值 表2-2 远离截止时LPmn模的U值 n m01212.404833.831715.1356225.520087.015598.4172438.6537310.1734711.6198456谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 5阶跃光纤中的功率分布 实际上，在纤芯和包层的界面处，电磁场并不为零，而是由纤芯中的振荡形式转变为包层中的指数衰减。因此，要传输的导波能量大部分是在纤芯中传输，而有一部分则在包层中传输。功率在纤芯和包层里所占比例的大小和该模式的截止频率有关。57谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法
32、 当V时，它的能量将聚集在纤芯中；当VVc时，能量的大部分是在包层里，这时的导波将成为辐射模。通过计算各模式在纤芯和包层里的功率可以看出能量在纤芯中集中的程度.计算公式的具体推导步骤省略，这里只给出最后的结果：58谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似解法 纤芯中的功率Pi为 包层中的功率P0为 光纤中的总功率Pt为 22111201(223)4mmimJU JUna APZJU221120201(224)4mmmKW KWna APZKW222110220(225)4mmtimKW KWna AVPPPZUKW59谢谢欣赏2019-7-102.2.2 阶跃型光纤的标量近似
33、解法6阶跃光纤中导模数量的估算 在光纤中，当不能满足单模传输条件（0Vn2。但实际上是渐变的。图2-12 阶跃型单模光纤折射率分布 77谢谢欣赏2019-7-102.4.1阶跃型单模光纤折射率分布形式 主要由两方面的原因造成。（1）由于纤芯材料和包层材料不同，在制造过程中，它们相互向对方扩散，渗透，使得在纤芯和包层的交界r=a处，折射率由n1逐渐变化到n2，呈“圆形”变化。（2）由于在预制棒制作过程中，形成纤芯r=0处，折射指数下陷，这就是通常所说的MCVD制造工艺所引起的一种典型缺陷。78谢谢欣赏2019-7-102.4.1阶跃型单模光纤折射率分布形式2下凹型单模光纤折射率分布形式 如图所示
34、，在纤芯和包层之间设立折射率比包层折射率还低的中间层，或称为内包层。采用这种结构形式是为了减小单模光纤的色散，可以使材料色散和波导色散相互抵消。图2-13下凹型单模光纤折射率分布 79谢谢欣赏2019-7-102.4.2 单模传输的理论分析1单模传输的条件 单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单一基膜的光纤，在阶跃单模光纤中，只传输LP01模。阶跃单模光纤的单模传输条件0V2.40483 （2-31）80谢谢欣赏2019-7-102.4.2 单模传输的理论分析2单模光纤的特征参数（1）衰减系数 在设计光纤通信系统时，一个重要的考虑是沿光纤传输的光信号的衰减，它是线路上决定中继距离长短的主要因素
35、。衰减量的大小通常用衰减系数来表示，单位是dB/km。定义：L光纤长度；Pi光纤输入的光功率；P0光纤输出的光功率。010log(232)iPLP81谢谢欣赏2019-7-102.4.2 单模传输的理论分析（2）截止波长c 对应着归一化截止频率的波长为截止波长，用c表示，它是保证单模传输的必要条件。截止波长c 表示式：LP11模的c：当2.40483以后，单模传输条件被破坏，将有多个导波模式传输，V值越大，模式越多，这样，多模光纤的色散除了材料色散和波导色散以外，还有模式色散。在多模光纤中，一般模式色散占主要地位。102谢谢欣赏2019-7-102.6光纤的温度特性和机械特性 为了保障光纤通信
36、线路的可靠性和使用寿命，光纤的温度特性和机械特性也是非常重要的两个物理性能参数。2.6.1光纤的温度特性 2.6.2光纤的机械特性103谢谢欣赏2019-7-10光纤的温度特性是指在高、低温条件下对光纤损耗的影响。在低温条件下光纤损耗增大，这是由于光纤涂覆层、套塑层和石英的膨胀系数不同，因而在低温下受到轴向压缩力而产生微弯，导致损耗增大。光纤的低温性能十分重要。对于架空光缆及北方地区的线路，如低温性能不良，将会严重影响通信质量。2.6.1光纤的温度特性图2-21 光纤的低温特性曲线104谢谢欣赏2019-7-102.6.2光纤的机械特性 光纤的机械特性主要指光纤的强度和寿命 光纤的强度是指抗张
37、强度。当光纤受到的张力超过它的承受能力时，光纤就会断裂。光纤的抗断强度和涂覆层的厚度有关。为了保证光纤能具有20年以上的使用寿命，光纤应进行强度筛选试验，只有强度符合要求的光纤才能用来成缆。105谢谢欣赏2019-7-102.6.2光纤的机械特性 国外通常对光纤强度的要求如表2-5所示。106谢谢欣赏2019-7-102.7光缆的结构与种类 光缆线路在长期使用中，必须经受敷设安装和长期维护运用的考验。因此，对光缆最基本的要求是：不能因成缆而使光纤的传输性能恶化；在成缆过程中光纤不断裂；缆径细、重量轻；便于施工和维护。在这一节，仅就通信用光缆的结构形式作一简单介绍。107谢谢欣赏2019-7-1
38、02.7光缆的结构与种类 2.7.1光缆的基本结构 2.7.2光缆的种类 2.7.3光缆型号的标志108谢谢欣赏2019-7-10 光缆是多根光纤或光纤束制成的符合光学、机械和环境特性的结构体。光缆的结构直接影响通信系统的传输质量。不同结构和性能的光缆在工程施工、维护中的操作方式也不相同，因此必须了解光缆的结构、性能，才能确保光缆的正常使用寿命。光缆的结构可分为缆芯、加强元件和护层三大部分2.7.1光缆的结构109谢谢欣赏2019-7-102.7.1光缆的结构1.缆芯 是光缆结构中的主体，其作用主要是妥善地安置纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能。缆芯由光纤的芯数决定，可分为
39、单芯型和多芯型。多芯光缆还要对光纤进行着色以便于识别。单芯型是由单根经二次涂覆处理后的光纤组成；多芯型是由多根经二次涂覆处理后的光纤组成，它又可分为带状结构和单位式结构。对于二次涂覆有紧套和松套两种结构。a）紧套结构 （b）松套结构110谢谢欣赏2019-7-102.加强元件 由于光纤材料比较脆，容易断裂，为了使光缆便于承受敷设安时所加的外力等，因此在光缆中要加一根或多根加强件位于中心或分散在四周。加强元件的材料可用钢丝或非金属的纤维增强塑料（FRP）等。3.护层 光缆的护层主要是对已经成缆的光纤起保护作用，避免由于外部机械力和环境影响造成对光纤的损坏。因此要求护层具有耐压力、防潮、湿度特性好
40、、重量轻、耐化学侵蚀、阻燃等特点。光缆的护层可分为内护层和外护层。内护层一般用聚乙烯或聚氯乙烯等；外护层可根据敷设条件而定，可采用由铝带和聚乙烯组成的LAP外护套加钢丝铠装等。2.7.1光缆的结构111谢谢欣赏2019-7-102.7.2 光缆的种类 在公用通信网中用的光缆结构，如表2-7所示。112谢谢欣赏2019-7-102.7.2 光缆的种类下面仅介绍有代表性的几种光缆结构形式。113谢谢欣赏2019-7-102.7.3 光缆型号的标志光缆型号由一条短横线隔开的两组代号组成。下面，说明光缆型号的两组代号的规定。首先，如果将每个代号的位置用一个小方格来代替（如图2-24所示），则光缆的型号
41、可一般化写为：横线左侧5个小格为光缆型式的代号；横线右侧5个小格为光缆规格的代号。下面逐格加以说明。114谢谢欣赏2019-7-102.7.3 光缆型号的标志 1、横线左侧5个小格的含义 格：表示光缆分类的代号，在这一格的位置上由两个英文字母构成，它们的含义分别为：GY通信用室（野）外光缆；GR通信用软光缆；GJ通信用室（局）内光缆；GS通信用设备内光缆；GH通信用海底光缆；GT通信用特殊光缆。格：表示加强构件的代号，在这一格中或者无符号或者用一个英文字母构成，它们的含义分别为：无符号金属加强构件；F非金属加强构件；G金属重型加强构件；H非金属重型加强构件115谢谢欣赏2019-7-102.7
42、.3 光缆型号的标志 格：表示派生（形状、特性）的代号，在这一格的位置上由一个英文字母构成，它们的含义分别为：D光纤带状结构；G骨架槽结构；B扁平式结构；Z自承式结构。T填充式结构 格：表示护层的代号，在这一格的位置上由一个英文字母构成，它们的含义分别为：Y聚乙烯护层；V聚氯乙烯护层；U聚氨酯护层；A铝-聚乙烯粘结护层；L铝护套；G钢护套；Q铅护套；S钢-铝-聚乙烯综合护套116谢谢欣赏2019-7-102.7.3 光缆型号的标志 格：表示外护套代号，由两位数字构成。其第一位数字表示铠装层材料；第二位数字表示外护层材料，它们的含义如表2-8所示。表2-8 外护层代号及其意义单钢带皱纹纵包5聚乙
43、烯套3粗圆钢丝4 细圆钢丝3聚氯乙烯套2双钢带2纤维层11无0无0外护层（材料）代号铠装层（方式）代 号117谢谢欣赏2019-7-102.7.3 光缆型号的标志 2.横线右侧5个小格的含义 横线右侧5个小格为光缆规格的代号。格1：表示这种光缆中，同类型光纤的根数，它用阿拉伯数字表示。格2：表示光纤类别的代号，在这一格的位置上由一个英文字母构成，它们的含义分别为：J二氧化硅系多模渐变型光纤；T二氧化硅系多模突变型 光纤；Z二氧化硅系多模准突变型光纤；D二氧化硅系单模纤；X二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S塑料光纤。118谢谢欣赏2019-7-102.7.3 光缆型号的标志 格3：表示光缆中光纤主要尺
44、寸的参数。用阿拉伯数字，以m为单位表示 多模光纤的芯径/包层直径，例如50/125；单模光纤的模场直径/包层直径。格4：表示这种光缆中传输特性的代号。这一大格中分三个小格，用a、bb及cc分别描述光纤的使用波长、衰减系数和模式带宽。下面分别具体说明：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。a表示使用波长的代号，用一位阿拉伯数字表示，它们的含义分别为：1使用波长在0.85m区域；2使用波长在1.31m区域；3使用波长在1.55m区域；119谢谢欣赏2019-7-102.7.3 光缆型号的标志 bb表示衰减系数的代号。用两位阿拉伯数字表示，其数字依次为光缆中光纤衰减
45、系数（dB/km）的个位值和十分位值（第一位小数）。例如=4（dB/km），则在bb这个位置上用40来表示。如=0.2（dB/km），则在bb这个位置上用02来表示。cc光纤模式带宽BL（带宽距离积）的代号。用两位阿拉伯表示，其数字依次表示BL（MHzkm）的千位值和百位值。例如BL=400（MHzkm），由于千位是0，百位是4，故cc这个位置上应标04。说明：如果这条光纤有两个低损耗窗口，则应同时列出每个窗口波长的a及BL值，并用斜短线“/”分开。120谢谢欣赏2019-7-102.7.3 光缆型号的标志 格5：表示这种光缆中光纤允许适用温度，用代号来表示。在这一格的位置上由一个英文字母构成
46、，它们的含义分别为：A适用于40+40 B适用于30+50 C适用于20+60 D适用于5+60121谢谢欣赏2019-7-102.7.3 光缆型号的标志 光缆型号例题例如：某种光缆的型号为GYTS33-12D10/125(205)C,则所表示的含义为：通信用野外光缆、金属加强构件、填充式结构、钢-铝-聚乙烯综合护套、细圆钢丝、铠装、聚乙烯外护套，其中光纤规格为：12芯、二氧化硅系单模光纤，模场直径为10m，包层直径为125m，工作波长为1.31m，光纤衰减系数不大于0.5 dB/km，（由于是单模光纤，故无模式带宽cc这部分内容），光缆的适用温度范围为20+60。122谢谢欣赏2019-7-
47、102.8简单介绍几种特殊光纤在前面提到，影响传输距离的因素主要是光纤损耗及光纤色散。光纤损耗对最大中继距离的限制，可通过光纤放大器得以解决（关于光纤放大器的问题将在本书第七章中介绍）；而光纤色散问题，则根据现代光纤通信技术的要求，采用一些特殊光纤得以改善，本节将从物理概念上介绍几种新型光纤的结构及工作原理。2.8.1色散位移单模光纤 2.8.2.非零色散光纤 2.8.3 色散平坦光纤 2.8.4 色散补偿光纤 123谢谢欣赏2019-7-102.8.1色散位移单模光纤 常规的石英单模光纤在1.55m处损耗最小；在1.31m时色散系数趋于零，称为单模光纤材料零色散波长。色散位移光纤（DSF）就
48、是将零色散点移到1.55m处的光纤。对于单模光纤，只存在材料色散和波导色散。如果能够使单模光纤的材料色散和波导色散互相补偿，即可使在这个波长上单模光纤的总色散为零。目前采用的主要方法是通过改变光纤的结构参数，加大波导色散值，实现1.55m处的低损耗与零色散。124谢谢欣赏2019-7-102.8.1色散位移单模光纤 图2-25 色散位移光纤的色散 125谢谢欣赏2019-7-102.8.2非零色散光纤（NZDF)引出非零色散光纤（NZDF)的意义：在研究过程中发现，色散位移光纤在1.55m单一波长处，进行长距离传输具有很大的优越性，但是当在一根光纤上同时传输多波长光信号并采用光放大器时，DSF
49、就会在零色散波长区出现严重的非线性效应，这样就限制了波分复用技术的应用。为了提高多波长WDM系统的传输质量，考虑将零色散点移动，移到一个低色散区，保证WDM系统的应用。引出了另一种新型的光纤，即非零色散光纤（NZDF)。126谢谢欣赏2019-7-102.8.2非零色散光纤（NZDF)非零色散光纤是指光纤的工作波长不是在1.55m的零色散点，而是移到1.541.565m范围内，在此区域内的色散值较小，约为1.04.0PS/kmnm。虽然色散系数不为零，但和一般单模光纤相比，在此范围内色散和损耗都比较小，而且可采用波分复用技术，通过光纤放大器（EDFA）实现大容量超长距离的传输。127谢谢欣赏2
50、019-7-102.8.3色散平坦光纤 为了挖掘光纤的潜力，充分利用光纤的有效带宽，最好使光纤在整个光纤通信的长波段（1.31.6m）都保持低损耗和低色散，即研制了一种新型光纤色散平坦光纤（DFF）。为了实现在一个比较宽的波段内得到平坦的低色散特性，采用的方法是利用光纤的不同折射率分布来达到目的。128谢谢欣赏2019-7-102.8.3色散平坦光纤 图2-26 色散平坦光纤的折射率分布 129谢谢欣赏2019-7-102.8.3色散平坦光纤 图2-27 色散平坦光纤的色散 130谢谢欣赏2019-7-102.8.4色散补偿光纤 色散补偿又称为光均衡，它主要是利用一段光纤来消除光纤中由于色散的
