光纤通信原理课件--精品课课件-讲义(全套)ppt.ppt

《光纤通信原理课件--精品课课件-讲义(全套)ppt.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤通信原理课件--精品课课件-讲义(全套)ppt.ppt（258页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、光纤通信原理光纤通信原理第一章第一章 概概 述述1.1 光纤通信的发展与现状光纤通信的发展与现状1.2 光纤通信的主要特性光纤通信的主要特性1.3 光纤通信系统的组成和分类光纤通信系统的组成和分类 1.1 光纤通信的发展与现状光纤通信的发展与现状1.1.1 早期的光通信早期的光通信到到了了1880年年，贝贝尔尔发发明明了了第第一一个个光光电电话话，这这一一大大胆胆的的尝尝试试，可可以以说说是是现现代代光光通通信的开端。信的开端。在在这这里里，将将弧弧光光灯灯的的恒恒定定光光束束投投射射在在话话筒筒的的音音膜膜上上，随随声声音音的的振振动动而而得得到到强强弱弱变化的反射光束，这个过程就是调制。变

2、化的反射光束，这个过程就是调制。图图1.1 贝尔电话系统贝尔电话系统贝贝尔尔光光电电话话和和烽烽火火报报警警一一样样，都都是是利利用用大大气气作作为为光光通通道道，光光波波传传播播易易受受气气候候的的影影响响，在在大大雾雾天天气气，它它的的可可见见度度距距离离很很短短，遇到下雨下雪天也有影响。遇到下雨下雪天也有影响。1.1.2 光纤通信光纤通信在在大大气气光光通通信信受受阻阻之之后后，人人们们将将研研究究的的重重点点转转入入到到地地下下光光波波通通信信的的实实验验，先先后后出出现现过过反反射射波波导导和和透透镜镜波波导导等等地地下下通通信信的的实验，如图实验，如图1.2所示。所示。图图1.2

3、反射波导和透镜波导反射波导和透镜波导1966年年，英英籍籍华华人人高高锟锟(K.C.Kao，当当时时工工作作于于英英国国标标准准电电信信研研究究所所)博博士士深深入入研研究究了了光光在在石石英英玻玻璃璃纤纤维维中中的的严严重重损损耗耗问问题题，发发现现这这种种玻玻璃璃纤纤维维引引起起光光损损耗耗的的主主要要原原因因是是其其中中含含有有过过量量的的铬铬、铜铜、铁铁与与锰锰等等金金属属离离子子和和其其他他杂杂质质，其其次次是是拉拉制制光光纤纤时时工工艺艺技技术术造造成成了了芯芯、包包层层分分界界面面不不均均匀匀及及其其所所引引起起的的折折射射率率不不均均匀匀，他他还还发发现现一一些些玻玻璃璃纤维在

4、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，1970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20dB/km的的光纤。光纤。1977年年 美美 国国 在在 芝芝 加加 哥哥 进进 行行 了了44.736Mbit/s的的现现场场实实验验，1978年年，日日本本开开始始了了32.064Mbit/s和和97.728Mbit/s的的光光纤纤通通信信实实验验；1979年年，美美国国AT&T和和日日本本NTT均研制出了波长为均研制出了波长为1.35m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

5、损耗为为0.2dB/km，波长为波长为1.55m)，同时进行了同时进行了多模光纤多模光纤(同时允许多个方向的光线在其中同时允许多个方向的光线在其中传送的光纤传送的光纤)1.31m的长波长传输系统的的长波长传输系统的现场试验。现场试验。到到如如今今，光光纤纤通通信信已已经经发发展展到到以以采采用用光光放放大大器器(Optical Amplifier，OA)增增加加中中继继 距距 离离 和和 采采 用用 波波 分分 复复 用用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)增增加加传传输输容容量为特征的第四代系统。量为特征的第四代系统。1.2 光纤通信的主要特性光纤通信

6、的主要特性1.2.1 光纤通信的优点光纤通信的优点1.光纤的容量大光纤的容量大光光纤纤通通信信是是以以光光纤纤为为传传输输媒媒介介，光光波波为为载载波波的的通通信信系系统统，其其载载波波光光波波具具有有很很高高的的频频率率(约约1014Hz)，因因此此光光纤纤具具有有很很大大的的通通信容量。信容量。2.损耗低、中继距离长损耗低、中继距离长目目前前，实实用用的的光光纤纤通通信信系系统统使使用用的的光光纤纤多多为为石石英英光光纤纤，此此类类光光纤纤在在1.55m波波长长区区的的损损耗耗可可低低到到0.18dB/km，比比已已知知的的其其他他通通信信线线路路的的损损耗耗都都低低得得多多，因因此此，由

7、由其其组组成成的的光光纤纤通通信信系系统统的的中中继继距距离离也也较较其其它它介介质构成的系统长得多。质构成的系统长得多。如如果果今今后后采采用用非非石石英英光光纤纤，并并工工作作在在超超长长波波长长(2m)，光光纤纤的的理理论论损损耗耗系系数数可可以以下下降降到到10-310-5dB/km，此此时时光光纤纤通通信的中继距离可达数千，甚至数万公里。信的中继距离可达数千，甚至数万公里。3.抗电磁干扰能力强抗电磁干扰能力强我我们们知知道道，电电话话线线和和电电缆缆一一般般是是不不能能跟跟高高压压电电线线平平行行架架设设的的，也也不不能能在在电电气气铁铁化路附近铺设。化路附近铺设。4.保密性能好保密

8、性能好对对通通信信系系统统的的重重要要要要求求之之一一是是保保密密性性好好。然然而而，随随着着科科学学技技术术的的发发展展，电电通通信信方方式式很很容容易易被被人人窃窃听听：只只要要在在明明线线或或电电缆缆附附近近(甚甚至至几几公公里里以以外外)设设置置一一个个特特别别的的接接收收装装置置，就就可可以以获获取取明明线线或或电电缆缆中中传传送送的的信信息息。更不用去说无线通信方式。更不用去说无线通信方式。5.体积小，重量轻体积小，重量轻6.节省有色金属和原材料节省有色金属和原材料 1.2.2 光纤通信的缺点光纤通信的缺点事事物物都都是是一一分分为为二二的的，光光纤纤通通信信有有许许多多优优点点，

9、因因而而发发展展很很快快，但但光光纤纤通通信信也也有有以下缺点。以下缺点。1.抗拉强度低抗拉强度低2.光纤连接困难光纤连接困难3.光纤怕水光纤怕水1.3 光纤通信系统的组成和分类光纤通信系统的组成和分类1.3.1 光纤通信系统的组成光纤通信系统的组成光光纤纤通通信信系系统统是是以以光光纤纤为为传传输输媒媒介介，光光波波为为载载波波的的通通信信系系统统。主主要要由由光光发发送送机机、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。系系统统中中光光发发送送机机的的作作用用是是将将电电信信号号转转换换为为光光信信号号，并并将将生生成成的的光光信信号号注注入入光光纤纤。光光发发送送机机

10、一一般般由由驱驱动动电电路路、光光源源和和调调制制器器构构成成，如如果果是是直直接接强强度度调调制制可可以以省省去去调调制制器，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。光光接接收收机机的的作作用用是是将将光光纤纤送送来来的的光光信信号号还还原原成成原原始始的的电电信信号号。它它一一般般由由光光电电检检测测器器和和解解调调器器组组成成，对对于于直直接接强强度度调调制制解解调器可以省略。调器可以省略。光光纤纤的的作作用用是是为为光光信信号号的的传传送送提提供供传传送送媒媒介介(信信道道)，将将光光信信号号由由一一处处送送到到另另一一处。处。中中继继器器分分为为电电中中继继器器和

11、和光光中中继继器器(光光放放大大器器)两两种种，其其主主要要作作用用就就是是延延长长光光信信号号的的传输距离。传输距离。1.3.2 光纤通信系统的分类光纤通信系统的分类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。根根据据光光源源的的调调制制方方式式，光光纤纤通通信信系系统统可可以以分分为为直直接接调调制制光光纤纤通通信信系系统统和和间间接接调调制光纤通信系统。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

12、光纤通信系统和单模光纤通信系统。通信系统。根根据据系系统统的的工工作作波波长长，光光纤纤通通信信系系统统可可分分为为短短波波长长光光纤纤通通信信系系统统、长长波波长长光光纤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。第二章第二章 光纤和光缆光纤和光缆光光纤纤作作为为光光纤纤通通信信系系统统的的物物理理传传输输媒媒介，有着巨大的优越性。介，有着巨大的优越性。本本章章首首先先介介绍绍光光纤纤的的结结构构与与类类型型，然然后后用用射射线线光光学学理理论论和和波波动动光光学学理理论论重重点点分分析析光光在在阶阶跃跃型型光光纤纤中中的的传传输输情情况况，最最后后简简要要介介绍绍光光

13、缆缆的的构构造造、典典型型结结构构与与光光缆缆的的型型号。号。2.1 光纤的结构与类型光纤的结构与类型2.2 光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析2.3 均匀光纤的波动理论分析均匀光纤的波动理论分析2.4 光光 缆缆2.1 光纤的结构与类型光纤的结构与类型2.1.1 光纤的结构光纤的结构光光纤纤(Optical Fiber，OF)就就是是用用来来导导光光的的透透明明介介质质纤纤维维，一一根根实实用用化化的的光光纤纤是是由由多多层层透透明明介介质质构构成成的的，一一般般可可以以分分为为三三部部分分：折折射射率率较较高高的的纤纤芯芯、折折射射率率较较低低的的包层和外面的涂覆层，如图包层和外面的涂覆

14、层，如图2.1所示。所示。图图2.1 光纤结构示意图光纤结构示意图2.1.2 光纤的类型光纤的类型光光纤纤的的分分类类方方法法很很多多，既既可可以以按按照照光光纤纤截截面面折折射射率率分分布布来来分分类类，又又可可以以按按照照光光纤纤中中传传输输模模式式数数的的多多少少、光光纤纤使使用用的的材材料料或或传传输的工作波长来分类。输的工作波长来分类。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按按照照截截面面上上折折射射率率分分布布的的不不同同可可以以将将光光纤纤分分为为阶阶跃跃型型光光纤纤(Step-Index Fiber，SIF)和和渐渐变变型型光光纤纤(Graded-Index

15、Fiber，GIF)，其折射率分布如图其折射率分布如图2.2所示。所示。图图2.2 光纤的折射率分布光纤的折射率分布 光光纤纤的的折折射射率率变变化化可可以以用用折折射射率率沿半径的分布函数沿半径的分布函数n(r)来表示。来表示。2.按传输模式的数量分类按传输模式的数量分类按按光光纤纤中中传传输输的的模模式式数数量量，可可以以将将光光纤纤 分分 为为 多多 模模 光光 纤纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和和单单模模光光纤纤(Single Mode Fiber，SMF)。在在一一定定的的工工作作波波上上，当当有有多多个个模模式式在在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。光纤中传输时

16、，则这种光纤称为多模光纤。单单模模光光纤纤是是只只能能传传输输一一种种模模式式的的光光纤纤，单单模模光光纤纤只只能能传传输输基基模模(最最低低阶阶模模)，不不存存在在模模间间时时延延差差，具具有有比比多多模模光光纤纤大大得得多多的的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。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分类按按光光纤纤的的工工作作波波长长可可以以将将光光纤纤分分为为短短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。4.按按ITU-T建议分类建议分类按按照照ITU-T关关于于光光纤纤类类型型的的建建议议，可可以以将将光光纤纤分分为

17、为G.651光光纤纤(渐渐变变型型多多模模光光纤纤)、G.652光光纤纤(常常规规单单模模光光纤纤)、G.653光光纤纤(色色散散位位移移光光纤纤)、G.654光光纤纤(截截止止波波长长光光纤纤)和和G.655(非零色散位移光纤非零色散位移光纤)光纤。光纤。按按套套塑塑(二二次次涂涂覆覆层层)可可以以将将光光纤纤分分为为松套光纤和紧套光纤。松套光纤和紧套光纤。现现在在实实用用的的石石英英光光纤纤通通常常有有以以下下三三种种：阶阶跃跃型型多多模模光光纤纤、渐渐变变型型多多模模光光纤纤和和阶阶跃跃型单模光纤。型单模光纤。2.2 光纤的射线理论分析光纤的射线理论分析2.2.1 基本光学定义和定律基本

18、光学定义和定律光光在在均均匀匀介介质质中中是是沿沿直直线线传传播播的的，其其传播速度为传播速度为v=c/n式式中中：c2.997105km/s，是是光光在在真真空空中中的的传传播播速速度度；n是是介介质质的的折折射射率率(空空气气的的折折射射率率为为1.00027，近近似似为为1；玻玻璃璃的的折折射率为射率为1.45左右左右)。反反射射定定律律：反反射射光光线线位位于于入入射射光光线线和和法法线线所所决决定定的的平平面面内内，反反射射光光线线和和入入射射光光线线处处于于法法线线的的两两侧侧，并并且且反反射射角角等等于于入入射射角，即：角，即：11。折折射射定定律律：折折射射光光线线位位于于入入

19、射射光光线线和和法法线线所所决决定定的的平平面面内内，折折射射光光线线和和入入射射光光线位于法线的两侧，且满足：线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin22.2.2 光纤中光的传播光纤中光的传播一一束束光光线线从从光光纤纤的的入入射射端端面面耦耦合合进进光光纤纤时时，光光纤纤中中光光线线的的传传播播分分两两种种情情形形：一一种种情情形形是是光光线线始始终终在在一一个个包包含含光光纤纤中中心心轴轴线线的的平平面面内内传传播播，并并且且一一个个传传播播周周期期与与光光纤纤轴轴线线相相交交两两次次，这这种种光光线线称称为为子子午午射射线线，那那个个包包含含光光纤纤轴轴线线的的固固定定平平面

20、面称称为为子子午午面面；另另一一种种情情形形是是光光线线在在传传播播过过程程中中不不在在一一个个固固定定的的平平面面内内，并并且且不不与与光光纤纤的的轴轴线线相相交交，这种光线称为斜射线。这种光线称为斜射线。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阶阶跃跃型型光光纤纤是是由由半半径径为为a、折折射射率率为为常常数数n1的纤芯和折射率为常数的纤芯和折射率为常数n2的包层组的包层组成，并且成，并且n1n2，如图如图2.6所示。所示。图图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渐渐变变型型光光纤纤与与阶阶

21、跃跃型型光光纤纤的的区区别别在在于于其其纤纤芯芯的的折折射射率率不不是是常常数数，而而是是随随半半径径的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。3.斜射线在光纤中的传播斜射线在光纤中的传播子子午午射射线线的的传传播播过过程程始始终终在在一一个个子子午午面面内内，因因此此可可以以在在二二维维的的平平面面内内来来分分析析，很直观。很直观。2.2.3 光纤中的模式传输光纤中的模式传输1.传导模的概念传导模的概念模模式式是是波波动动理理论论的的概概念念。在在波波动动理理论论中中，一一种种电电磁磁场场的的分分布布称称之之为为一一个个模模式式。在在射射线线理理论论中中，通通常常认

22、认为为一一个个传传播播方方向向的的光光线线对对应应一一种种模模式式，有有时时也也称称之之为为射射线线模模式。式。2.相位一致条件相位一致条件光光纤纤中中光光波波相相位位的的变变化化情情况况如如图图2.9所所示示，在在这这里里以以阶阶跃跃型型光光纤纤为为例例来来讨讨论论光光纤纤的的相相位位一一致致条条件件，不不作作复复杂杂的的数数学学推推导导，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 光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况 相相位位一一致致条条件件就就是是说说：如如果果图图中中所所示示的的这这个个模模式式在在A、B处处相相位位相相等等，则则经经过过

23、一一段段传传播播距距离离后后，在在A、B处处也也应应该该相相位位相相等或相差等或相差2的整数倍。的整数倍。光光纤纤的的相相位位一一致致条条件件也也可可以以从从另另外外一一个个角角度度出出发发得得到到。根根据据物物理理学学的的知知识识可可知知：波波在在无无限限空空间间中中传传播播时时，形形成成行行波波；而而在在有限空间传播时，形成驻波。有限空间传播时，形成驻波。一一旦旦确确定定了了光光波波导导和和光光波波长长，那那么么n1、n2、纤纤芯芯直直径径2a以以及及真真空空中中光光的的传传播播常常数数k0也也就就确确定定了了，而而且且式式(2-17)中中的的最最大大N值值也就确定了。也就确定了。对对于于

24、渐渐变变型型多多模模光光纤纤，同同样样，其其导导模模不不仅仅要要满满足足全全反反射射条条件件，还还要要满满足足相相位位一一致条件。致条件。在在渐渐变变型型多多模模光光纤纤中中，低低阶阶模模由由于于靠靠近近光光纤纤轴轴线线，其其传传播播路路程程短短，但但靠靠近近轴轴线线处处的的折折射射率率大大，该该处处光光线线传传播播速速度度慢慢；高高阶阶模模远远离离轴轴线线，它它的的传传播播路路程程长长，但但离离轴轴线线越越远远折折射射率率越越小小，该该处处光光线线的的传传播播速速度度越快。越快。2.2.4 多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤多多模模光光纤纤和和单单模模光光纤纤是是由由光光纤纤中中传传输输的

25、的模模式式数数决决定定的的，判判断断一一根根光光纤纤是是不不是是单单模模传传输输，除除了了光光纤纤自自身身的的结结构构参参数数外外，还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表示，其表达式表示，其表达式如下：如下：1.多模光纤多模光纤顾顾明明思思义义，多多模模光光纤纤就就是是允允许许多多个个模模式式在在其其中中传传输输的的光光纤纤，或或者者说说在在多多模模光光纤纤中允许存在多个分离的传导模。中允许存在多个

26、分离的传导模。2.单模光纤单模光纤只只能能传传输输一一种种模模式式的的光光纤纤称称为为单单模模光光纤纤。单单模模光光纤纤只只能能传传输输基基模模(最最低低阶阶模模)，它它不不存存在在模模间间时时延延差差，因因此此它它具具有有比比多多模模光光纤纤大大得得多多的的带带宽宽，这这对对于于高高码码速速传传输输是是非非常常重重要要的的。单单模模光光纤纤的的带带宽宽一一般般都都在在几几十十GHzkm以上。以上。2.3 均匀光纤的波动理论分均匀光纤的波动理论分析析2.3.1 平面波在理想介质中的传播平面波在理想介质中的传播1.均匀平面波的一般概念均匀平面波的一般概念所所谓谓均均匀匀平平面面波波是是指指在在与

27、与传传播播方方向向垂垂直直的的无无限限大大的的平平面面上上，电电场场强强度度E和和磁磁场场强强度度H的的幅幅度度和和相相位位都都相相等等的的波波型型，简简称称为为平面波。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：式式中中：k0是是真真空空中中的的波波数数，是是光光的的角角频频率率，和和分分别别是是介介质质的的导导磁磁率率和和介介电电常常数数,设设平平面面波波传传播播方方向

28、向的的单单位位矢矢量量为为as，则则k=ask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。2.平面波在介质分界面上的反射平面波在介质分界面上的反射和折射和折射反反射射波波与与入入射射波波在在原原点点处处的的复复振振幅幅之之比比称称为为反反射射系系数数；传传递递波波与与入入射射波波在在原原点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：式式中中：R、T都都是是复复数数，包包括括大大小小及及相相位位。其其模模值值分分别别表表示示反反射射波波、传传递递波波与与入入射射波波幅幅度度的的大大小小之之比比；21、22是是R和和T的的相相角角，分分别别表表示示在在

29、介介质质分分界界面面上上反反射射波波、传递波比入射波超前的相位。传递波比入射波超前的相位。3.平面波的全反射平面波的全反射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：n1n2，c190。(1)全反射情况时介质全反射情况时介质1中波的特点中波的特点在全反射时，式在全反射时，式(2-32)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。(2)全全反反射射情情况况时时介介质质2中中波波的的特

30、特点点全全反反射射时时，将将式式(2-34)代代入入式式(2-30b)，即即可可得得到到垂垂直直极极化化波波全全反反射射时时的的传传递递系系数。数。(3)导行波和辐射波的概念导行波和辐射波的概念综综上上所所述述，当当平平面面波波由由光光密密介介质质射射向向两两介介质质分分界界面面上上时时，根根据据入入射射角角1的的大大小小，可可以以产产生生两两种种类类型型的的波波：当当入入射射角角大大于于临临界界角角时时产产生生导导行行波波，能能量量集集中中在在光光密密介介质质及及其其界界面面附附近近；当当入入射射角角小小于于临临界界角角时时产产生生辐辐射射波波，一一部部分分能能量量辐辐射射到到光光疏疏介介质

31、质中中并并在在其其中中传传播播。对对于于光光波波导导来来说说，导导波波是是一种重要的波型。一种重要的波型。2.3.2 阶跃光纤的波动理论阶跃光纤的波动理论1.基本概念基本概念(1)麦克斯韦方程组和边界条件麦克斯韦方程组和边界条件1在在均均匀匀光光纤纤中中，介介质质材材料料一一般般是是线线性性和和各各向向同同性性的的，并并且且不不存存在在电电流流和和自自由由电电荷荷，因因此此在在无无源源区区域域，均均匀匀、无无损损、简简谐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：E为电场为电场强度矢量；强度矢量；D为电位为电位移矢量；移矢量；H为磁场强为磁场强度矢量；度矢量；B为磁感应为磁感

32、应强度矢量。且强度矢量。且D与与E，B与与H有下列关系。有下列关系。(2)亥姆霍兹方程亥姆霍兹方程从从麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组出出发发，可可以以导导出出光光波波所所满满足足的的亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程。根根据据矢矢量量关关系系，有如下两个等式。有如下两个等式。式中：式中：A代表任何一个矢量，当然代表任何一个矢量，当然E、H也也满足式满足式(2-47)。(3)波的类型和模式波的类型和模式在在单单一一均均匀匀介介质质中中传传播播的的波波为为平平面面波波，称称为为横横电电磁磁波波，用用TEM表表示示，TEM波波的的电电场场和和磁磁场场方方向向与与波波的的传传播播方方向向垂垂直直，即即在在波波导导

33、的的传传播播方方向向上上既既没没有有磁磁场场分分量量也也没没有有电场分量，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方向方向)的分布的分布情况又会有所区别，即电磁场的分布会不情况又会有所区别，即电磁场的分布会不尽相同。尽相同。目目前前通通信信用用光光纤纤的的相相对对折折射射率率差差 1，称称为为弱弱导导光光纤纤。这这种种光光纤纤可可以以近近似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。2.阶跃型光纤的波动理论阶跃型光纤的波动理论阶阶跃跃型型光光纤纤的的波波动动理理论

34、论分分析析就就是是以以麦麦克克斯斯韦韦方方程程组组为为基基础础，根根据据光光纤纤的的边边界界条条件件，从从亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程解解出出阶阶跃跃型型光光纤纤中中导导波波的的场场方方程程，在在此此基基础础上上推推导导出出其其特特征征方方程，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。(1)亥姆霍兹方程的解亥姆霍兹方程的解阶阶跃跃型型光光纤纤的的纤纤芯芯半半径径为为a，包包层层半半径径为为b，纤纤芯芯和和包包层层的的折折射射率率分分别别为为n1和和n2，其截面形状如图其截面形状如图2.17(a)所示。所示。图图2.16几几个个低低阶阶模模的的场场型型(实实线线为为电电力力

35、线线，虚虚线线为为磁磁力力线线，g=2/)(2)特征方程特征方程要要确确定定光光纤纤中中导导模模的的特特性性，就就需需要要确确定定参参数数U、W和和，只只有有亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程的的解解是是不不够够的的。由由于于光光纤纤中中的的导导模模还还必必须须满满足足光光纤纤的的边边界界条条件件，所所以以还还要要利利用用光光纤纤的的边边界界条条件件来来确确定定场场表表达达式式中中的的参参数数U、W和和。(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

36、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。TEMTEM波波波波光光纤纤中中是是否否存存在在TEM波波呢呢?根根据据定定义义，TEM波波在在波波导导的的传传播播方方向向(Z方方向向)上上既既没没有有电电场场分分量量，又又没没有有磁磁场场分分量量。即即Ez0、Hz0。如如果果光光纤纤中中存存在在TEM波波，则则根根据据Ez、Hz的的表表达达式式(2-75)和和式式(2-76)可可以以得得到到AB0，再再将将AB0代代入入式式(2-77)、式式(2-78)得得到到Er、E、Hr、E都都为为零零，即即光光纤纤中中不不存存在在电电磁磁场场，所所以以光光纤纤中中根

37、根本本不不存存在在TEM波。波。TETE波和波和波和波和TMTM波波波波光光纤纤中中是是否否存存在在TE波波和和TM波波，实实际际上上是是看看单单独独的的TE波波和和TM波波是是否否满满足足边边界界条条件件。如如果果光光纤纤中中存存在在TE波波，根根据据TE波波的的定定义义，TE波波在在波波导导的的传传播播方方向向(Z方方向向)上上没没有有电电场场分分量量，只只有有磁磁场场分分量量，即即Ez0，根根据据Ez表表达达式式(2-75)可可以以得得到到A0，然然后后将将A0代入式代入式(2-83b)中得到中得到 EHEH波和波和波和波和HEHE波波波波从从上上面面的的阐阐述述中中可可以以看看到到，当

38、当m0时时，光光纤纤中中不不能能存存在在TE波波和和TM波波，而而只只能能是是Ez、Hz同时存在的同时存在的EH波和波和HE波。波。(4)导模的特性导模的特性模模的的特特性性可可以以用用3个个特特征征参参数数U、W和和来来描描述述。U表表示示导导模模场场在在纤纤芯芯内内部部的的横横向向分分布布规规律律；W表表示示导导模模场场在在纤纤芯芯外外部部的的横横向分布规律。向分布规律。导模的截止条件导模的截止条件导模的截止条件导模的截止条件 远离截止时的远离截止时的远离截止时的远离截止时的U U值值值值光光纤纤中中导导模模的的U值值是是随随频频率率而而变变化化的的。上上面面所所讨讨论论的的Uc值值只只适

39、适用用于于导导模模截截止止时时的的情况。情况。2.4 光光 缆缆2.4.1 光缆的典型结构光缆的典型结构1.光缆的构造光缆的构造光光缆缆的的构构造造一一般般分分为为缆缆芯芯和和护护层层两两大大部分。部分。(1)缆芯缆芯在在光光缆缆的的构构造造中中，缆缆芯芯是是主主体体，其其结结构构是是否否合合理理，与与光光纤纤的的安安全全运运行行关关系系很很大大。一一般般来来说说，缆缆芯芯结结构构应应满满足足以以下下基基本本要要求求：光光纤纤在在缆缆芯芯内内处处于于最最佳佳位位置置和和状状态态，保保证证光光纤纤传传输输性性能能稳稳定定，在在光光缆缆受受到到一一定定的的拉拉力力、侧侧压压力力等等外外力力时时，光

40、光纤纤不不应应承承受受外外力力影影响响；其其次次缆缆芯芯内内的的金金属属线线对对也也应应得得到到妥妥善善安安排排，并并保保证证其其电电气气性性能能；另另外外缆缆芯芯截截面应尽可能小，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。(2)护层护层光光缆缆护护层层同同电电缆缆护护层层的的情情况况一一样样，是是由由护护套套和和外外护护层层构构成成的的多多层层组组合合体体。其其作作用用是是进进一一步步保保护护光光纤纤，使使光光纤纤能能适适应应在在各各种种场场地地敷敷设设，如如架架空空、管管道道、直直埋埋、室室内内、过过河河、跨跨海海等等。对对于于采采用用外外周周加加强强元元件件的的光光缆缆结

41、结构构，护护层层还还需需提提供供足足够够的的抗抗拉拉、抗抗压、抗弯曲等机械特性方面的能力。压、抗弯曲等机械特性方面的能力。2.光缆的典型结构光缆的典型结构光光缆缆的的基基本本结结构构按按缆缆芯芯组组件件的的不不同同一一般般可可以以分分为为层层绞绞式式、骨骨架架式式、束束管管式式和和带带状状式式四四种种，如如图图2.21所所示示。我我国国及及欧欧亚亚各各国国用用的的较较多多的的是是传传统统结结构构的的层层绞绞式式和和骨骨架架式两种。式两种。图图2.21光缆的典型结构示意图光缆的典型结构示意图(1)层绞式结构层绞式结构层层绞绞式式光光缆缆的的结结构构类类似似于于传传统统的的电电缆缆结构方式，故又称

42、为古典式光缆。结构方式，故又称为古典式光缆。(2)骨架式结构骨架式结构骨骨架架式式光光缆缆中中的的光光纤纤置置放放于于塑塑料料骨骨架架的的槽槽中中，槽槽的的横横截截面面可可以以是是V形形、U形形或或其其他他合合理理的的形形状状，槽槽的的纵纵向向呈呈螺螺旋旋形形或或正正弦弦形，一个空槽可放置形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。根一次涂覆光纤。(3)束管式结构束管式结构束束管管式式结结构构的的光光缆缆近近年年来来得得到到了了较较快快的的发发展展。它它相相当当于于把把松松套套管管扩扩大大为为整整个个纤纤芯芯，成成为为一一个个管管腔腔，将将光光纤纤集集中中松松放放在在其其中。中。(4)带状式结构带

43、状式结构带带状状式式结结构构的的光光缆缆首首先先将将一一次次涂涂覆覆的的光光纤纤放放入入塑塑料料带带内内做做成成光光纤纤带带，然然后后将将几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光缆芯。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光缆缆的的种种类类很很多多，其其分分类类方方法法也也很很多多，习惯的分类有：习惯的分类有：根根据据光光缆缆的的传传输输性性能能、距距离离和和用用途途，光光缆缆可可以以分分为为市市话话光光缆缆、长长途途光光缆缆、海海底底光缆和用户光缆；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

44、；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；根根据据加加强强构构件件的的配配置置方方式式，光光缆缆可可以以分分为为中中心心加加强强构构件件光光缆缆(如如层层绞绞式式光光缆缆、骨骨架架式式光光缆缆等等)、分分散散加加强强构构件件光光缆缆(如如束束管管式式光光缆缆)和和护护层层加加强强构构件件光光缆缆(如如带带状状式式光光缆缆)；根根据据敷

45、敷设设方方式式，光光缆缆可可以以分分为为管管道道光光缆、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；根根据据护护层层材材料料性性质质，光光缆缆可可以以分分为为普普通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。通光缆、阻燃光缆和防蚁、防鼠光缆等。2.光缆的型号光缆的型号6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。(1)光缆的型式代号光缆的型式代号光光缆缆的的型型式式代代号号是是由由分分类类、加加强强构构件件、派派生生(形形状状、特特性性等等)、护护套套和和外外护护层层五五部部分组成，如图分组成，如图2.22所示。所示。图

46、图2.22 光缆的型式代号光缆的型式代号 光缆分类代号及其意义光缆分类代号及其意义光缆分类代号及其意义光缆分类代号及其意义GY：通信用室通信用室(野野)外光缆；外光缆；GR：通信用软光缆；通信用软光缆；GJ：通信用室通信用室(局局)内光缆；内光缆；GS：通信用设备内光缆；通信用设备内光缆；GH：通信用海底光缆；通信用海底光缆；GT：通信用特殊光缆；通信用特殊光缆；GW：通信用无金属光缆。通信用无金属光缆。加强构件的代号及其意义加强构件的代号及其意义加强构件的代号及其意义加强构件的代号及其意义无符号：金属加强构件；无符号：金属加强构件；F：非金属加强构件；非金属加强构件；G：金属重型加强构件；金

47、属重型加强构件；H：非金属重型加强构件。非金属重型加强构件。派生特征的代号及其意义派生特征的代号及其意义派生特征的代号及其意义派生特征的代号及其意义B：扁平式结构；扁平式结构；Z：自承式结构；自承式结构；T：填充式结构；填充式结构；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。护套的代号及其意义护套的代号及其意义护套的代号及其意义护套的代号及其意义Y：聚乙烯护套；聚乙烯护套；V：聚氯乙烯护套；聚氯乙烯护套；U：聚氨酯护套；聚氨酯护套；A：铝、聚乙烯护套；铝、聚乙烯护套；L：铝护套；铝护套；Q：铅护套；铅护套；

48、G：钢护套；钢护套；S：钢、铝、聚乙烯综合护套。钢、铝、聚乙烯综合护套。外护层的代号及其意义外护层的代号及其意义外护层的代号及其意义外护层的代号及其意义外外护护层层是是指指铠铠装装层层及及铠铠装装层层外外面面的的外外被被层层，参参照照国国标标GB2952-82的的规规定定，外外护护层层采采用用两两位位数数字字表表示示，各各代代号号的的意意义义如如表表2.4所示。所示。(2)光纤的规格代号光纤的规格代号光光纤纤的的规规格格代代号号是是由由光光纤纤数数目目、光光纤纤类类别别、光光纤纤主主要要尺尺寸寸参参数数、传传输输性性能能和和适适用用温温度度五五部部分分组组成成，各各部部分分均均用用代代号号或或

49、数数字表示。字表示。光纤数目光纤数目光纤数目光纤数目用用光光缆缆中中同同类类别别光光纤纤的的实实际际有有效效数数目目的阿拉伯数字表示。的阿拉伯数字表示。光纤类别的代号及其意义光纤类别的代号及其意义光纤类别的代号及其意义光纤类别的代号及其意义 J：二氧化硅系多模渐变型光纤；二氧化硅系多模渐变型光纤；T：二二氧氧化化硅硅系系多多模模阶阶跃跃型型(突突变变型型)光光纤纤；Z：二氧化硅系多模准突变型光纤；二氧化硅系多模准突变型光纤；D：二氧化硅系单模光纤；二氧化硅系单模光纤；X：二氧化硅纤芯塑料包层光纤；二氧化硅纤芯塑料包层光纤；S：塑料光纤。塑料光纤。光纤的主要尺寸参数代号及其意义光纤的主要尺寸参数

50、代号及其意义光纤的主要尺寸参数代号及其意义光纤的主要尺寸参数代号及其意义用用阿阿拉拉伯伯数数字字(含含小小数数点点)以以m为为单单位位表表示示多多模模光光纤纤的的芯芯径径/包包层层直直径径或或单单模模光光纤纤的模场直径的模场直径/包层直径。包层直径。传输性能代号及其意义传输性能代号及其意义传输性能代号及其意义传输性能代号及其意义光光纤纤的的传传输输特特性性代代号号是是由由使使用用波波长长、损损耗耗系系数数、模模式式带带宽宽的的代代号号(分分别别为为a、bb、cc)构成。构成。其中其中a表示使用波长的代号，其数字表示使用波长的代号，其数字代号规定如下：代号规定如下：1：使用波长在：使用波长在0.