《光线与光缆》PPT课件.ppt

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1、第二章第二章 光纤与光缆光纤与光缆 1内内 容容p2.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型(1)光纤的结构光纤的结构 (2)光纤的类型光纤的类型p2.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析(1)基本光学定义和定律基本光学定义和定律 (2)光纤中光的传播光纤中光的传播(3)光纤中的模式传输光纤中的模式传输 (4)多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤p2.3均匀光纤的波动理论分析均匀光纤的波动理论分析(1)平面波在理想介质中的传播平面波在理想介质中的传播(2)阶跃光纤的波动理论阶跃光纤的波动理论p2.4光缆光缆(1)光缆的典型结构光缆的典型结构 (2)光缆的种类与型号光缆的种类与型号p2.5小结小结

2、22.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型32.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型2.1.12.1.1光纤的结构光纤的结构 光纤是用来导光的透明介质纤维。一般可以分为三部分：折射率较光纤是用来导光的透明介质纤维。一般可以分为三部分：折射率较高的高的纤芯纤芯、折射率较低的、折射率较低的包层包层和外面的和外面的涂覆层涂覆层。纤芯和包层一起造成一种光波导效应，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输；包层有的是单层，有的是多层；涂覆层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，可增加光纤的柔韧性，可被染成各种颜色，涂覆层又分为一次涂覆层和二次涂覆层；4注释：光纤的制造技术注释：光纤的制造技术2.1光纤的结构与

3、类型光纤的结构与类型5光纤实物光纤实物2.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型62.1.22.1.2光纤的类型光纤的类型2.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型（1）按光纤截面上折射率分布分类）按光纤截面上折射率分布分类分为阶跃型光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber)和渐变型光纤和渐变型光纤(Graded-Index Fiber)阶跃型光纤的表达式为：阶跃型光纤的表达式为：渐变型光纤的表达式为：渐变型光纤的表达式为：72.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型（2 2）按传输模式的数量分类）按传输模式的数量分类可分为：可分为：多模光纤多模光纤(Multi-Mode Fiber)单模光纤

4、单模光纤(Single Mode Fiber)在一定的工作波长上，有多个在一定的工作波长上，有多个模式在光纤中传输时，这种光纤为模式在光纤中传输时，这种光纤为多模光纤多模光纤。按截面折射率分布又可分为多按截面折射率分布又可分为多模均匀光纤模均匀光纤(阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤)和多和多模非均匀光纤模非均匀光纤(渐变型多模光纤渐变型多模光纤)单模光纤单模光纤折射率一般呈阶跃型折射率一般呈阶跃型分布。分布。82.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型（3）按光纤的工作波长分类）按光纤的工作波长分类分为分为短波长光纤短波长光纤、长波长光纤长波长光纤和超长波长光纤超长波长光纤。短波长光纤的工作波长在短波

5、长光纤的工作波长在0.70.9微米范围内，微米范围内，主要用于主要用于短距离短距离、小容量小容量的光纤通信系统中；的光纤通信系统中；长波长光纤的工作波长在长波长光纤的工作波长在1.11.6微米范围内，微米范围内，主要用于中主要用于中长距离长距离、大容量大容量的光纤通信系统中；的光纤通信系统中；超长波长光纤的工作波长大于超长波长光纤的工作波长大于2微米，这种光纤微米，这种光纤损耗特别低，是传输介质的发展方向。损耗特别低，是传输介质的发展方向。92.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型（4）按）按ITU-T建议分类建议分类可以将光纤分为可以将光纤分为G.651光纤光纤(渐变型多模光纤渐变型多模光纤)

6、、G.652光纤光纤(常规单模光纤常规单模光纤)、G.653光纤光纤(色散位移光纤色散位移光纤)、G.654光纤光纤(截止波长光纤截止波长光纤)和和G.655光纤光纤(非零色散位移光纤非零色散位移光纤)。G.651光纤具有较大的芯径和数值孔径，以利于更有效地与光源耦合，光纤具有较大的芯径和数值孔径，以利于更有效地与光源耦合，但传输带宽较小；但传输带宽较小；G.652光纤的零色散波长在光纤的零色散波长在1.31微米处，但是在微米处，但是在1.55微米波长处衰减最微米波长处衰减最小，因此它既可工作在小，因此它既可工作在1.31微米处，又可工作在微米处，又可工作在1.55微米处，是目前微米处，是目前

7、使用最为广泛的单模光纤；使用最为广泛的单模光纤；G.653光纤通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状等，从而将零色光纤通过改变光纤的结构参数、折射率分布形状等，从而将零色散点从散点从1.31微米处搬移到微米处搬移到1.55微米处，实现微米处，实现1.55微米处最低衰减和零色微米处最低衰减和零色散波长一致；散波长一致；G.654光纤在光纤在1.55微米波长工作窗口具有极小的衰减微米波长工作窗口具有极小的衰减(0.18dB/km)，主，主要用于远距离无需插入有源器件的无中继海底通信系统中；要用于远距离无需插入有源器件的无中继海底通信系统中；G.655光纤是专门为新一代密集波分复用系统设计和制造的新

8、型光纤。光纤是专门为新一代密集波分复用系统设计和制造的新型光纤。10注释：注释：ITU-TITU-T关于单模光纤的主要技术规范关于单模光纤的主要技术规范2.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型（5）按）按套塑套塑(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松套光纤和和紧套光紧套光纤。纤。光纤能在套管中活动的叫松套光纤，否则叫紧套光纤。光纤能在套管中活动的叫松套光纤，否则叫紧套光纤。（6）按照）按照制造材料的不同制造材料的不同，可将光纤分为，可将光纤分为石英光纤石英光纤、塑料光纤塑料光纤和和氧化物光纤氧化物光纤等。等。112.1光纤的结构与类型光纤的结构与类型光纤类型光纤类型纤芯直

9、径纤芯直径 (微米微米)包层直径包层直径 (微米微米)相对折射率差相对折射率差(%)传输带宽传输带宽(Mhzkm)接续和成本接续和成本阶跃型阶跃型多模光纤多模光纤5012513较大较大(200)接续较易接续较易成本费最小成本费最小渐变型渐变型多模光纤多模光纤5012513大大(2003000)接续较易接续较易成本费最大成本费最大阶跃型阶跃型单模光纤单模光纤3000)接续较难接续较难成本费较小成本费较小12目前通信上使用的是石英光纤目前通信上使用的是石英光纤实用的三种石英光纤的主要特点如下表所示。实用的三种石英光纤的主要特点如下表所示。2.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析132.2光纤的射

10、线理论分析光纤的射线理论分析目的：目的：用于解决用于解决光源光源与光纤的与光纤的耦合耦合，以及一根，以及一根光纤光纤与另一根光纤与另一根光纤之间的之间的耦合耦合。定义：定义：如果认为光波能量集中在一条如果认为光波能量集中在一条极细的通道中传播极细的通道中传播，则可以，则可以对大量的光现象对大量的光现象(尤其是那些与透镜有关的现象尤其是那些与透镜有关的现象)做出令人信服的解做出令人信服的解释。这种极细的释。这种极细的传播通道称为射线或者光线传播通道称为射线或者光线。由于射线用于描述光。由于射线用于描述光的几何效应，所以光的的几何效应，所以光的射线理论射线理论又称为又称为几何光学几何光学。光纤的射

11、线光纤的射线理论就从几何光学出发，用射线光学理论分析光纤中光理论就从几何光学出发，用射线光学理论分析光纤中光的传播特性。的传播特性。适用范围：适用范围：适用于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤适用于光波长远远小于光波导尺寸的多模光纤。不适不适用于单模光纤的传输原理分析用于单模光纤的传输原理分析，对于复杂的问题，射线光学只能给，对于复杂的问题，射线光学只能给出较粗糙的概念。出较粗糙的概念。14注释：从麦克斯韦方程导出几何光学的相关理论注释：从麦克斯韦方程导出几何光学的相关理论2.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析2.2.12.2.1基本光学定义和定律基本光学定义和定律射线遵循以下几条简单的规

12、则：射线遵循以下几条简单的规则：射线在各种媒质中的传播速度 真空中c=3 x 108 m/s,各种媒质中v=c/n，其中n为媒质的折射率。空气和二氧化碳的折射率为1，水的折射率为1.33，硅玻璃为1.5；射线在均匀媒质中沿直线路径传播，除非媒质的折射率发生变化，射线才会偏斜；反射定律：反射角等于入射角折射定律（斯涅耳定律）：15注释：高斯注释：高斯-汉欣相移汉欣相移2.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析2.2.22.2.2光纤中光的传播光纤中光的传播（1）子午射线在阶跃型光纤中的传播）子午射线在阶跃型光纤中的传播（2）子午射线在渐变型光纤中的传播）子午射线在渐变型光纤中的传播162.2光纤

13、的射线理论分析光纤的射线理论分析p数值孔径数值孔径定义：数值孔径表示光纤的定义：数值孔径表示光纤的集光能力集光能力，即凡是入射到圆锥角，即凡是入射到圆锥角 以内的以内的所有光线都可以满足全反射条件，即在纤芯和包层界面上发生全反射所有光线都可以满足全反射条件，即在纤芯和包层界面上发生全反射从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。从而将光线束缚在纤芯中沿轴向传播。光纤的数值孔径(NA)(阶跃光纤)：阶跃光纤的相对折射率：渐变光纤的数值孔径：渐变光纤的相对折射率：172.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析p透镜聚光透镜聚光物体的位置、成像的位置和透镜焦距之间的关系由薄透镜方程给出：放大倍数M定义为像的

14、尺寸和物体尺寸的比值，由下式给出：像点和源点的光束张角之比为：由于半导体激光器和LED都以较大的角度辐射，而光纤只能收集小角度的射线，所以采用透镜能提高光源和光纤之间的耦合效率。18nD光纤光纤fP(焦点焦点)焦距焦距折射率折射率 o ix光纤光纤 ido o=光源的光束张角光源的光束张角di i=像点的光束张角像点的光束张角点源点源2.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析p数值孔径的扩展数值孔径的扩展(扩展到各种接收机具有更一般的扩展到各种接收机具有更一般的物物理意义理意义)192.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析2.2.32.2.3光纤中的模式传输光纤中的模式传输 模式传输方面的概

15、念都是从模式传输方面的概念都是从波动理论波动理论方面引申出来的，方面引申出来的，引入的目的是为了让没有深入研究过波动理论的人对光纤中引入的目的是为了让没有深入研究过波动理论的人对光纤中光波的传播有一个光波的传播有一个更深入的理解。更深入的理解。传导模的概念传导模的概念 光源在光纤中激励出所有模式中的一部分模式能由光纤光源在光纤中激励出所有模式中的一部分模式能由光纤的一端传到另一端，这种能在光纤中长距离传播的模式称之的一端传到另一端，这种能在光纤中长距离传播的模式称之为传导模为传导模(简称导模简称导模)。根据波动理论，光纤中不存在根据波动理论，光纤中不存在无数个连续变化无数个连续变化的导模，而只

16、的导模，而只存在存在有限个、离散的有限个、离散的传导模。这个特征导致了光纤中的传导传导模。这个特征导致了光纤中的传导模还必须满足模还必须满足相位一致条件相位一致条件。202.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析21相位一致条件相位一致条件 如下图所示，相位一致条件表示为：若如下图所示，相位一致条件表示为：若 ，则，则 ，即：，即：根据平面几何知识，上式化为：根据平面几何知识，上式化为：2.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析相位一致条件的另一种解释方法：另外一种解释下图所示，模式存在必须在横截面上形另外一种解释下图所示，模式存在必须在横截面上形成驻波，因此模式必须满足公式：成驻波，因此模式

17、必须满足公式：222.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析23阶跃型多模光纤中各模式的光线轨迹阶跃型多模光纤中各模式的光线轨迹渐变型多模光纤中各模式的光线轨迹渐变型多模光纤中各模式的光线轨迹2.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析2.2.4 2.2.4 多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤光纤的归一化频率光纤的归一化频率 光纤的归一化频率：是表示光纤的重要参数，与光纤参数及光源的工光纤的归一化频率：是表示光纤的重要参数，与光纤参数及光源的工作波长有关，表达式为：作波长有关，表达式为：式中式中 ，是光在真空中的传播常数；是光在真空中的传播常数；是真空中的光波长；是真空中的光波长；是是光波的角

18、频率，光波的角频率，a是光纤纤芯半径；是光纤纤芯半径；nm 是光纤纤芯中最大折射率；是光纤纤芯中最大折射率；则是则是光纤的相对折射率差，正是由于光纤的相对折射率差，正是由于V值是一个无量纲参数，又与光波的频率值是一个无量纲参数，又与光波的频率成正比，因此，被称为成正比，因此，被称为光纤的归一化频率。光纤的归一化频率。V值的大小不仅决定多模光纤值的大小不仅决定多模光纤中传导模的数目，而且判断一根光纤是否是单模传输也取决于中传导模的数目，而且判断一根光纤是否是单模传输也取决于V值的大小。值的大小。242.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析（1）多模光纤）多模光纤 允许多个模式在其中传输的光纤，

19、或者说多模光纤中允许多个模式在其中传输的光纤，或者说多模光纤中允许存允许存在多个分离的传导模在多个分离的传导模。对于折射率为幂律分布的光纤，。对于折射率为幂律分布的光纤，传导模传导模个数个数的近似公式为：的近似公式为：对于抛物线型光纤，即对于抛物线型光纤，即 ，所以，所以 对于阶跃型光纤，即对于阶跃型光纤，即 ，所以，所以252.2光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析（2）单模光纤）单模光纤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(最低阶模)。判断一根光纤是不是单模传输，主要依据归一化频率的大小。光纤单模工作的充分必要条件是：光纤的归一化频率要小于次低阶模的归一光纤的归一化频率

20、要小于次低阶模的归一化截止频率化截止频率Vc，所谓光纤的次低阶模的归一化截止频率是指光纤中第二，所谓光纤的次低阶模的归一化截止频率是指光纤中第二个低阶模截止时的归一化频率个低阶模截止时的归一化频率Vc 的近似公式为：的近似公式为：对于阶跃型光纤，对于阶跃型光纤，则，则 Vc=2.405；对于抛物线型光纤对于抛物线型光纤 ，则，则 Vc=3.401。3.单模光纤和多模光纤的特点单模光纤和多模光纤的特点多模光纤传输带宽小，连接容易，使用起来比较方便，用于低速系统；多模光纤传输带宽小，连接容易，使用起来比较方便，用于低速系统；单模光纤传输带宽大，连接不容易，主要用于高速系统。单模光纤传输带宽大，连接

21、不容易，主要用于高速系统。262.3均匀光纤的波动理论分析均匀光纤的波动理论分析272.3均匀光纤的波动理论分析由于光学射线理论对光的传输特性描述的不够精确，因此要严密、精确地分析光纤的传输特性还必须采用光学波动理论。光学波动理论是把光纤中的光作为经典电磁场来处理从麦克斯韦方程组出发，根据光纤的边界条件严格求解，得到光纤中电磁场的各种分布状态，给出波导中容许的场结构形式(即模式)从而给出光纤中完善的场描述，其结论很精确。282.3均匀光纤的波动理论分析2.3.1 导行波与介质波导导行波与介质波导（1）导行波的一般特性）导行波的一般特性能够导引电磁波沿单一确定方向传播的装置，称为导波系统或导波系

22、统或传输线传输线。能被导波系统引导传播的电磁波称为导行电磁波导行电磁波，简称导行波简称导行波。按照传输线上传播的导行波的特点可将传输线分为三类：1.TEM波传输线，如平行双线、同轴线、微带线等；2.波导传输线，如矩形波导、圆形波导等；3.表面波传输线，如介质波导,光光纤属于介质波导；纤属于介质波导；292.3均匀光纤的波动理论分析（2）导行波的波动方程导行波问题是研究无源区均匀无耗媒质中的正弦电磁波沿均匀导波系统的轴向定向传输的问题。所有的导波结构中的导行波必须满足式(1)和(2)中的齐次亥姆霍兹方程。取均匀导波系统的轴向为z轴方向，导行波沿z轴方向无损耗传输由于导波系统的横截面是均匀的，因此

23、，E和H的幅值与z无关。E和H可表示为式(3)和(4)。302.3均匀光纤的波动理论分析将式(3)和式(4)分别代入式(1)和式(2)，并考虑到横向拉普拉斯算符 ，可得式(5)和(6)。式5和式6两个矢量方程包含了6个标量方程，但电磁场的这6个标量并不是完全独立的。在无源区，场的横向分量可用纵向分量来表示。下下面由麦克斯韦方程组推导出它们之间的关系：面由麦克斯韦方程组推导出它们之间的关系：312.3均匀光纤的波动理论分析在无源区，E、H的旋度方程为右式将式(3)和式(4)代入以上两式并考虑到算式两边对应坐标分量相等，可得下面面六个表达式。解以上6个方程可得式(7)式(10)；322.3均匀光纤

24、的波动理论分析而纵向场分量Ez和Hz满足的波动方程为式(12)和式(13)；由此可见，对场量存在纵向分量的导行波，只要利用边界条件求得式12和13的解，就可通过式8式11求出其余4个横向分量。这种方这种方法称为纵向场法法称为纵向场法。33上述分析表明，传输线中的导行波可能出现Ez和Hz分量，因此通常将导行波分为四种类型。(1)横电磁波(TEM波)，即电场和磁场均位于垂直于传播方向的平面内，不存在沿传播方向的纵向分量。(2)横电波(TE波或H波)，这种波的纵向磁场分量不为零，而纵向电场分量为零。(3)横磁波(TM波或E波)，这种波的纵向电场分量不为零，而纵向磁场分量为零。(4)混合波(EH波)，

25、这种波的纵向电场分量和纵向磁场分量均不为零。2.3均匀光纤的波动理论分析（3）介质波导的导波原理和特）介质波导的导波原理和特点点导波原理，如右图所示，利用全反射原理，介质1中传递导行波，介质2中传递表面波。导行波在介质波导中传播特点：导行波在介质波导中传播特点：1.只能传播TE、TM、EH、HE波；2.介质中导行波的相移常数小于均匀平面波在无限大的介质1中的相移常数，沿+z方向的相速度大于均匀平表面波在无限大介质1中的相速度，沿x方向，仅有驻波振荡而无能量传输；3.在分界面外侧的表面波，相速度同导行波相速度相同；344.和金属波导不同，金属波导中金属分界面上的边界条件为电场的切向连续，法向不连

26、续；而在介质波导分界面上要求电场的切向、法向分量均连续；5.在给定的工作频率下，介质波导存在有限个离散的场分布(模式)。2.3均匀光纤的波动理论分析2.3.2 阶跃型光纤的波动理论阶跃型光纤的波动理论阶跃型光纤波动理论分析的步骤为：求解 和 分量所满足的标量亥姆霍兹方程；将 和 分量代入麦克斯韦方程求出 、和 分量；利用边界条件确定常数并推导出特征方程；由特征方程进行模式分类，推导出光纤中各模式的特征方程，并研究各模式(包括TE0n、TM0n、EHmn、HEmn)的截止条件、远离截止条件、传输常数等。352.3均匀光纤的波动理论分析(1)亥姆霍兹方程的解亥姆霍兹方程的解 求解包括下面几个过程：

27、圆柱坐标系下只能得到圆柱坐标系下只能得到z分量的标量亥姆霍兹方程分量的标量亥姆霍兹方程用分离变量法对上述方程求解，得到用分离变量法对上述方程求解，得到：其中，为导模的径向归一化相位常数；为导模的径向归一化衰减常数；为光纤的归一化频率；362.3均匀光纤的波动理论分析利用麦克斯韦方程中两个旋度等式在柱坐标系下的展开，利用麦克斯韦方程中两个旋度等式在柱坐标系下的展开，可求得其他分量：可求得其他分量：372.3均匀光纤的波动理论分析382.3均匀光纤的波动理论分析上述公式中的下标1表示纤芯内，下标2表示包层内。形成导模时，要求U，W为正实数，根据公式：可以得出导模的传播常数 必须满足以下的取值范围：

28、即导模的传播常数 介于纤芯材料和包层材料中平面波的波数之间。当径向归一化衰减常数为0时，导模截止，此时径向归一化相位常数等于光纤的归一化频率光纤的归一化频率。392.3均匀光纤的波动理论分析 （2）特征方程）特征方程要确定光纤中导模的特性，就需要确定参数 、和 ，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光纤的边界条件，所以还要利用光纤的边界条件来确定场表达式中的上述三个参数。光纤中纤芯和包层分界面上的边界条件：将 、四个量的表达式代入到边界条件中得到：这是阶跃型光纤中导模必须满足的条件，称之为导波的特征方程。这是阶跃型光纤中导模必须满足的条件，称之为导波的特征方程。目前通信用光

29、纤一般是弱导光纤，即 在此条件下 特征方程可近似为：40 2.3均匀光纤的波动理论分析（3）光纤中的导模类型及特征方程）光纤中的导模类型及特征方程从特征方程出发，确定光纤中导波模式及其特性。从特征方程出发，确定光纤中导波模式及其特性。1.TEM波根据TEM波的定义(都为0)，可得出A,B两个常数为0，从而导出其余4个电磁场分量均为0，因此光纤中不存在因此光纤中不存在TEM波波。2.TE波和TM波根据TE波和TM波的定义，可推出 ,从而特征方程简化为：3.EH波和HE波当 时，光纤中无TE波和TM波，只能是 同时存在的EH波和HE波。EH波：HE波：412.3均匀光纤的波动理论分析光纤中存在光纤

30、中存在4种典型模式：种典型模式：TE、TM、EH、HE模模。TE模和TM模要求 ，EH模和HE模要求 在给定工作波长的情况下，每对应一个 值，就可以解出一系列的 值，每个 值对应电磁场的一个解，即对应一个模式。因此TEmn、TMmn、EHmn、HEmn4种模式中的m表示贝塞尔函数的阶数，n表示贝塞尔函数的第几个根。422.3均匀光纤的波动理论分析（4）导模的特性）导模的特性导模的特性用3个特征参数U,W,来描述。U表示导模场在纤芯内部的横向分布规律；W表示导模场在纤芯外部的横向分布规律。两者结合起来就可以完整地描述导模的横向分布规律。是轴向的相位传播常数，表明导模的纵向传输特性。根据特征方程确

31、定其中一个参数，然后根据两个参量与光纤根据特征方程确定其中一个参数，然后根据两个参量与光纤归一化频率的关系式，可求出另外两个参数归一化频率的关系式，可求出另外两个参数，但是特征方程是个超越方程，很难求解，因此只分析导模截止和导模远离截止两种情况下特征方程的解，并得到各模式要在光纤中传输所必须满足的条件432.3均匀光纤的波动理论分析441.导模的截止条件导模的截止条件W=0对应的归一化频率为归一化截止频率Vc。此时Uc=Vc,下面求解弱导光纤中各模式的归一化截止频率。a)TE0n和和TM0n模归一化截止频率模归一化截止频率化简这两种模式的特征方程，得到临界状态下特征方程为：J0(U0)=0。零

32、阶贝塞尔函数的每个根Uc对应一定的场分布及相位传播常数 ，从而确定了一个TE模和TM模。实际光纤中模式存在的条件是实际光纤中模式存在的条件是VVc(模式模式)b)EHmn模的归一化截止频率模的归一化截止频率化简该模式特征方程得到：Jm(Uc)=0 EH11模的归一化截止频率=3.83171；EH21模的归一化截止频率=5.13562；其余模式的归一化截止频率依次类推。2.3均匀光纤的波动理论分析c)HEmn模的归一化截止频率模的归一化截止频率化简该模式特征方程得到：HE11模中 ，HE12模中 ；HE21模中 ，HE22模中 ，m为其他值的情况以此类推。注意归一化截止频率相同的模式是互相简并的

33、。单模光纤(只包含HE11模)要求光纤的归一化截止频率满足：解释单模光纤做成弱导光纤的原因之一。452.3均匀光纤的波动理论分析2.远离截止时的远离截止时的U值值随着光纤的归一化频率 的增加，导模的径向归一化衰减常数 越来越大，这就意味着导模在包层中的径向衰减越来越快，其能量越来越往纤芯集中。当 和 足够大时，导模能量(除靠近截止的几个高阶模外)基本上集中在光纤的纤芯之中，称这种状态为远离截止状态。现讨论 时的极限情况。a)TE0n模和模和TM0n模远离截止时的模远离截止时的U值值化简特征方程得到：，其各根对应这两种模式远离截止时的U值b)EHmn模远离截止时的模远离截止时的 U值值化简特征方

34、程得到：，其各根对应这种模式远离截止时的U值c)HEmn模远离截止时的模远离截止时的U值值化简特征方程得到：，其各根对应这种模式远离截止时的U值462.3均匀光纤的波动理论分析综上所述，各模式 值变化范围如下表所示：472.4光缆482.4光缆p成缆的目的成缆的目的 一次涂塑和二次涂塑光纤虽有一定抗拉强度，但还较脆弱，经不起弯折扭曲和侧压力的作用，因此只能用于实验室。为了能使光纤用于多种环境条件下，并顺利地完成敷设施工，必须把光纤和其他元件组合起来构成一体，这种组合体就是光缆。2.4.1 光缆的典型结构光缆的典型结构为了使光缆适应各种恶劣的外界条件，就必须要求光缆的机械性能非常高，并且要有抗化

35、学性等。此外，还要考虑安装、维护方便以及接续迅速等因素。(1)光缆的构造光缆的构造光缆的构造一般分为缆芯和护层两大部分。a)缆芯 要求、组成、选用b)护层 要求、组成492.4光缆(2)光缆的典型结构光缆的典型结构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、束管式和带状式4种，我国及欧亚各国使用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。50光缆的的典型结构示意图2.4光缆2.4.2光缆的种类与型号光缆的种类与型号(1)光缆的种类光缆的种类光缆的种类很多，其分类方法也很多，习惯的分类有：a)光缆的输出性能、距离和用途：分市话光缆、长途光缆、海底光缆和用户光缆；b)光纤的种类：多模光缆

36、、单模光缆；c)光纤套塑种类：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；d)光纤芯数的多少：单芯光缆和多芯光缆；e)加强构件的配置方式：中心加强构件光缆(如层绞式光缆、骨架式光缆等)、分散加强构件光缆(如束管式光缆)和护层加强构件光缆(如带状式光缆)；f)根据敷设方式：管道光缆、直埋光缆、架空光缆和水底光缆；g)护层材料性质：普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆。512.4光缆(2)光缆的型号光缆的型号根据ITU-T的有关建议，目前光缆的型号是由光缆的型式代号和光纤的规格两部分构成，中间用一短线(即“-”)分开。a)光缆的型式代号光缆的型式代号是由分类、加强构件、派生(形状、特性等

37、)、护套和外护层五部分组成，如下图所示：b)光纤的规格代号光纤的规格代号是由光纤数目、光纤类别、光纤主要尺寸参数、传输性能和适用温度五部分组成，各部分均用代号或数字表示。如下图所示：522.5小结532.5小结p光的射线理论光的射线理论结论直观、简单，但不能精确分析光纤的传输特性；p光的波动理论光的波动理论采用了求解波导问题的传统方法，包括四个步骤，理解出现的各种概念，对于阶跃型弱导光纤，HE11模是最低阶模(基模)满足单模传输的条件是：光纤的归一化频率小于2.405。深刻理解光的波动理论是深入研究光纤通信中其他理论的基础。p单模光纤、多模光纤、阶跃光纤、渐变光纤、数值孔径、相对折射率差、模式数的计算公式、光纤的分类。p光缆光缆清楚光缆型号、组成及命名方法，在实际工作中现用现查。54