1、光纖作為光纖通信系統的物理傳輸媒光纖作為光纖通信系統的物理傳輸媒介，有著巨大的優越性。介，有著巨大的優越性。本章首先介紹光纖的結構與類型，然本章首先介紹光纖的結構與類型，然后用射線光學理論和波動光學理論重點分后用射線光學理論和波動光學理論重點分析光在階躍型光纖中的傳輸情況，最后簡析光在階躍型光纖中的傳輸情況，最后簡要介紹光纜的構造、典型結構與光纜的型要介紹光纜的構造、典型結構與光纜的型號。號。所示。所示。圖圖2.1 光纖結構示意圖光纖結構示意圖圖圖2.2 光纖的折射率分布光纖的折射率分布光纖的折射率變化可以用折射率光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數沿半徑的分布函數n(r)來表示。來表

2、示。 ）（ 1 . 2 21arnarnrn單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖，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單模光纖只能傳輸基模(最低階模最低階模)，不存，不存在模間時延差，具有比多模光纖大得多的在模間時延差，具有比多模光纖大得多的帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。帶寬，這對于高碼速傳輸是非常重要的。3. 按光纖的工作波長分類按光纖的工作波長分類按光纖的工作波長可以將光纖分為短按光纖的工作波長可以將光纖分為短波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。波長光纖、長波長光纖和超長波長光纖。模光纖和階躍型單模光纖。模光纖和階躍型單模光纖。率為率為1.45左右左右)。反射定律：反射

3、光線位于入射光線和反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內，反射光線和入射光法線所決定的平面內，反射光線和入射光線處于法線的兩側，并且反射角等于入射線處于法線的兩側，并且反射角等于入射角，即：角，即：11。折射定律折射定律 ：折射光線位于入射光線和：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內，折射光線和入射光法線所決定的平面內，折射光線和入射光線位于法線的兩側，且滿足：線位于法線的兩側，且滿足：n1sin1=n2sin2個固定的平面內，并且不與光纖個固定的平面內，并且不與光纖的軸線相交，這種光線稱為斜射的軸線相交，這種光線稱為斜射線。線。圖圖2.6 光線在階躍型光纖中的傳播光線在階躍型

4、光纖中的傳播圖圖2.9 光纖中光波相位的變化情況光纖中光波相位的變化情況相位一致條件就是說：如果圖中所示相位一致條件就是說：如果圖中所示的這個模式在的這個模式在A、B處相位相等，則經過一處相位相等，則經過一段傳播距離后，在段傳播距離后，在A、B處也應該相位相處也應該相位相等或相差等或相差2的整數倍。的整數倍。光纖的相位一致條件也可以從另外一光纖的相位一致條件也可以從另外一個角度出發得到。根據物理學的知識可知：個角度出發得到。根據物理學的知識可知：波在無限空間中傳播時，形成行波；而在波在無限空間中傳播時，形成行波；而在有限空間傳播時，形成駐波。有限空間傳播時，形成駐波。一旦確定了光波導和光波長，

5、那么一旦確定了光波導和光波長，那么n1、n2、纖芯直徑、纖芯直徑2a以及真空中光的傳播常數以及真空中光的傳播常數k0也就確定了，而且式也就確定了，而且式(2-17)中的最大中的最大N值值也就確定了。也就確定了。對于漸變型多模光纖，同樣，其導模對于漸變型多模光纖，同樣，其導模不僅要滿足全反射條件，還要滿足相位一不僅要滿足全反射條件，還要滿足相位一致條件。致條件。在漸變型多模光纖中，低階模由于靠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；高處的折射率大，該處光線傳播速度慢；高階模遠離軸線，它的傳播路程長，

6、但離軸階模遠離軸線，它的傳播路程長，但離軸線越遠折射率越小，該處光線的傳播速度線越遠折射率越小，該處光線的傳播速度越快。越快。為了描述光纖中傳輸的模式數目，在為了描述光纖中傳輸的模式數目，在此引入一個非常重要的結構參數，即光纖此引入一個非常重要的結構參數，即光纖的歸一化頻率，一般用的歸一化頻率，一般用V表示，其表達式表示，其表達式如下：如下：）（ 19. 2 222200anCanankVmmm平面波是非常重要的波型，一些復雜平面波是非常重要的波型，一些復雜的波可以由平面波疊加得到。在折射率為的波可以由平面波疊加得到。在折射率為n的無限大的介質中，一工作波長為的無限大的介質中，一工作波長為0的

7、平的平面波在其中傳播，其波數為：面波在其中傳播，其波數為：式中：式中：k0是真空中的波數，是真空中的波數，是光的是光的角頻率，角頻率，和和分別是介質的導磁率和介電分別是介質的導磁率和介電常數常數,設平面波傳播方向的單位矢量為設平面波傳播方向的單位矢量為as，則則k = ask稱為平面波在該介質中的波矢量。稱為平面波在該介質中的波矢量。）（ 25. 2 200nknk ）（a29. 2 120101jeREER式中：式中：R、T都是復數，包括大小及都是復數，包括大小及相位。其模值分別表示反射波、傳遞波與相位。其模值分別表示反射波、傳遞波與入射波幅度的大小之比；入射波幅度的大小之比；21、22是是

8、R和和T的相角，分別表示在介質分界面上反射的相角，分別表示在介質分界面上反射波、傳遞波比入射波超前的相位。波、傳遞波比入射波超前的相位。 ）（b29. 2 220102jeTEET）（ 33. 2 1sincos122212nnj）（ 40. 2 cos212122cossinsin2221112cjarctgjennneTT式中：式中：E為電場為電場強度矢量；強度矢量；D為電位為電位移矢量；移矢量；H為磁場強為磁場強度矢量；度矢量；B為磁感應為磁感應強度矢量。且強度矢量。且D與與E，B與與H有下列關系。有下列關系。）（）（）（）（d44. 2 0c44. 2 0b44. 2 a44. 2BD

9、EjHHjE）（）（b45. 2 a45. 2HBED ）（a47. 2 2AAA ）（b47. 2 AAA對于同一類型的波，其場強在圓周方對于同一類型的波，其場強在圓周方向向(即即方向方向)或徑向方向或徑向方向(即即r方向方向)的分布情的分布情況又會有所區別，即電磁場的分布會不盡況又會有所區別，即電磁場的分布會不盡相同。相同。目前通信用光纖的相對折射率差目前通信用光纖的相對折射率差 1，稱為弱導光纖。這種光纖可以近似，稱為弱導光纖。這種光纖可以近似地用平面波束分析光的傳播。地用平面波束分析光的傳播。所示。所示。圖圖2.16幾個低階模的場型幾個低階模的場型(實線為電力線，實線為電力線，虛線為磁

10、力線，虛線為磁力線，g=2/)）（ 85. 2 01122WUmB式 中 導 模 的 傳 播 常 數 不 能 為 零 ，2211WU也不能為零，B 也不能為零（如果 A、B同時為零，此時光纖中不存在電磁場） ；因此，只有 m0。 TE0n和 TM0n模歸一化截止頻率根據貝塞爾函數的性質，當 W? 0 時，有如下的近似式5：當 m0 時： ）（a91. 2 2ln0WWK當 m0 時： ）（b91. 2 2!121mmWmWK因此： ）（c91. 2 11WWK EHmn模的歸一化截止頻率根據 EH模的特征方程（2.89）式和（2.91b）式，在臨界狀態下有：201012lim2!1212!21

11、limWmWmWWmUJUUJWmmWcmccm 從而得到：）（ 93. 2 0cmUJ HEmn模的歸一化截止頻率由于當 W? 0 時，K0（W）和 Km（W） （m0）的近似公式不同，在這里要分 m1 和 m2 兩種情況討論。a. 當 m1 時。根據 HE 模的特征方程（2.90）式和（2.91a） 、 （2.91c）式，在臨界狀態下有： WWWWWWKWKUJUUJWWWccc2lnlim12lnlimlim0010010從而得到：）（ 94. 2 001ccUJU式（2.94）就是 HE1n在臨界狀態下的特征方程。 b.當 m2 時根據 HE 模的特征方程（2.90）式和（2.91b）

12、式，在臨界狀態下有： 1212!1212!221limlim120101mWmWWmWWKWKUJUUJmmWmmWcmccm 從而得到： ）（95. 2 121cmcmcUJmUJU 根據貝塞爾函數的遞推公式5 ）（ 96. 2 211cmccmccmUJUUJUUmJ將式（2.96）代入式（2.95） ，得： ）（97. 2 022cmccmccmccmcUJUUJUUJUUJU式中：如果 Uc0，則 0000011mmcmccmJJUJUUJ，成為不定型，所以 Uc0，只有： ）（ 98. 2 02cmUJ 式（2.98）就是 HEmn （m2）模在臨界狀態下的特征方程。 TE0n模和

13、TM0n模遠離截止時的 U 值將式 （2.101） 代入 TE 模和 TM 模的特征方程 （2.88）式中，可得到： 01limlim0101WWWKWKUUJUJWW從而得到： ）（ 101. 2 01UJ EHmn模遠離截止時的 U值將式（2.101）代入 EH模的特征方程（2.90）式中，可得到： 01limlim11WWWKWKUUJUJWmmWmm從而得到： ）（ 102. 2 01UJm式（2.103）就是 EHmn模遠離截止時特征方程。 圖圖2.21光纜的典型結構示意圖光纜的典型結構示意圖根據光纖的種類，光纜可以分為多模根據光纖的種類，光纜可以分為多模光纜、單模光纜；光纜、單模光

14、纜；根據光纖套塑的種類，光纜可以分為根據光纖套塑的種類，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；帶狀式多芯單元光纜；根據光纖芯數的多少，光纜可以分為根據光纖芯數的多少，光纜可以分為單芯光纜和多芯光纜等等；單芯光纜和多芯光纜等等；根據加強構件的配置方式，光纜可以根據加強構件的配置方式，光纜可以分為中心加強構件光纜分為中心加強構件光纜(如層絞式光纜、骨如層絞式光纜、骨架式光纜等架式光纜等)、分散加強構件光纜、分散加強構件光纜(如束管如束管式光纜式光纜)和護層加強構件光纜和護層加強構件光纜(如帶狀式光如帶狀式光纜纜)；根據敷設方式，光纜

15、可以分為管道光根據敷設方式，光纜可以分為管道光纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；纜、直埋光纜、架空光纜和水底光纜；根據護層材料性質，光纜可以分為普根據護層材料性質，光纜可以分為普通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。通光纜、阻燃光纜和防蟻、防鼠光纜等。圖圖2.22 光纜的型式代號光纜的型式代號表 2.4外護層的代號及意義代號鎧裝層代號外被層0無0無11纖維層2雙鋼帶2聚氯乙烯套3細圓鋼絲3聚乙烯套4粗圓鋼絲5單鋼帶皺紋縱包其中其中a表示使用波長的代號，其數字表示使用波長的代號，其數字代號規定如下：代號規定如下：1：使用波長在：使用波長在0.85m區域；區域；2：使用波長在：使用波長在1.31m區域；區域；3：使用波長在：使用波長在1.55m區域。區域。bb表示損耗系數的代號，其數字依次表示損耗系數的代號，其數字依次為光纜