《光纤通信原理》第02章

光纤 通信 原理

第二章

光纤和光缆

光纤作为光纤通信系统的物理传输媒 介，有着巨大的优越性。 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 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 号。

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2.1 光纤的结构与类型 2.2 光纤的射线理论分析

2.3 均匀光纤的波动理论分析2.4 光 缆

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2.1 光纤的结构与类型 2.1.1 光纤的结构光纤(Optical Fiber,OF)就是用来导 光的透明介质纤维，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2.1所示。

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图2.1 光纤结构示意图

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2.1.2 光纤的类型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。

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1. 按光纤截面上折射率分布分类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(Step-Index Fiber, SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber, GIF),其折射率分布如图2.2所示。

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图2.2 光纤的折射率分布

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光纤的折射率变化可以用折射率

沿半径的分布函数n(r)来表示。

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2. 按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber,MMF)

和单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)。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。

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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(最低阶模),不存 在模间时延差，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。

3. 按光纤的工作波长分类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。

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4. 按ITU-T建议分类按照ITU-T关于光纤类型的建议，可 以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、 G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色 散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和 G.655(非零色散位移光纤)光纤。 按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为 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： 阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃 型单模光纤。

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2.2 光纤的射线理论分析 2.2.1 基本光学定义和定律光在均匀介质中是沿直线传播的，其 传播速度为

v=c/n式中：c=2.997×105km/s,是光在真 空中的传播速度；n是介质的折射率(空气 的折射率为1.00027,近似为1;玻璃的折 射率为1.45左右)。

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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 线处于法线的两侧，并且反射角等于入射 角，

即：θ1′=θ1。 折射定律 ：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 线位于法线的两侧，且满足：

n1sinθ1=n2sinθ2

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2.2.2 光纤中光的传播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 种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴 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， 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 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。

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1. 子午射线在阶跃型光纤中的传播阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组 成，并且n1>n2,如图2.6所示。

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图2.6 光线在阶跃型光纤中的传播