第2章光纤和光缆 21光纤结构和类型 21.1光纤结构 212光纤类型 2.2光纤传输原理 2,2,1几何光学方法 222光纤传输的波动理论 23光纤传输特性 23.1光纤色散 232光纤损耗 233光纤标准和应用 24光缆 241光缆基本要求 2,4,2光缆结构和类型 243光缆特性 25光纤特性测量方法 25,1损耗测量 252带宽测量 253色散测量 返回主目录 2,54截止波长测量
2.1 光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤类型 2.2 光纤传输原理 2.2.1 几何光学方法 2.2.2 光纤传输的波动理论 2.3 光纤传输特性 2.3.1 光纤色散 2.3.2 光纤损耗 2.3.3 光纤标准和应用 2.4 光缆 2.4.1 光缆基本要求 2.4.2 光缆结构和类型 2.4.3 光缆特性 2.5 光纤特性测量方法 2.5.1 损耗测量 2.5.2 带宽测量 2.5.3 色散测量 2.5.4 截止波长测量 第 2 章 光纤和光缆 返回主目录
21光纤结构和类型 211光纤结构 光纤( Optical Fiber)是由中心的纤芯和外围的包层同轴 组成的圆柱形细丝。 纤芯的折射率比包层稍高,损耗比包层更低,光能量主 要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离,并起一定的机械 保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2,光能量在光纤中 传输的必要条件是n1>n2°
2.1 2.1.1 光纤结构 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴 组成的圆柱形细丝。 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主 要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械 保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中 传输的必要条件是n1>n2
包层 纤 图21光纤的外形
图2.1 光纤的外形 包层 n2 纤芯 n 1
212光纤类型 光纤种类很多,这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯 度石英(SO2)制成的光纤 实用光纤主要有三种基本类型, 突变型多模光纤( Step-Index Fiber,SIF) 渐变型多模光纤( Graded- ndex fiber,GIF) 单模光纤( Single- Mode fiber,SMF) 相对于单模光纤而言,突变型光纤和渐变型光纤的纤芯 直径都很大,可以容纳数百个模式,所以称为多模光纤
2.1.2 光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯 度石英（SiO2）制成的光纤。 实用光纤主要有三种基本类型， 突变型多模光纤（Step-Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber, GIF） 单模光纤（Single-Mode Fiber, SMF） 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯 直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤
横截面 折射率分布输入脉冲 光线传播路径 输出脉冲 包层 12 (c)|125m 图22三种基本类型的光纤 (a)突变型多模光纤;(b)渐变型多模光纤;(c)单模光纤
图 2.2 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 横截面 2a 2b r n 折射率分布 Ai 纤 芯 包 层 t Ao t (a) 输入脉冲 光线传播路径 输出脉冲 125m 50 m r n Ai t Ao t (b) 125m ～ 10 m r n Ai t Ao t (c)
特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构 和折射率分布示于图23,这些光纤的特征如下 双包层光纤 色散平坦光纤( Dispersion Flattened Fiber,DFF) 色散移位光纤( Dispersion Shifted Fiber,DSF) 三角芯光纤 椭圆芯光纤双折射光纤或偏振保持光纤 2 图2.3典型特种单模光纤 a)双包层;(b)三角芯;(c)椭圆芯
图 2.3 (a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯 2a 2a n1 n 2 n3 (a) (b) (b) ′ 特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构 和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。 双包层光纤 色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF） 色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF） 三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤
主要用途: 突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统 单模光纤用在大容量长距离的系统 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55m色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km的超大容 量超长距离系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统,这种系统可以把传输 容量提高几倍到几十倍。 三角芯光纤有效面积较大,有利于提高输入光纤的光功率, 增加传输距离 偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统,这种系统 最大优点是提高接收灵敏度,增加传输距离
主要用途： 突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤用在大容量长距离的系统。 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55μm色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容 量超长距离系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输 容量提高几倍到几十倍。 三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率， 增加传输距离。 偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统 最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离
22光纤传输原理 分析光纤传输原理的常用方法: 几何光学法 麦克斯韦波动方程法
2.2 光纤传输原理 分析光纤传输原理的常用方法： 几何光学法 麦克斯韦波动方程法
221几何光学方法 几何光学法分析问题的两个出发点 °数值孔径 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 几何光学法分析问题的两个角度 °突变型多模光纤 渐变型多模光纤
2.2.1 几何光学法分析问题的两个出发点 • 数值孔径 • 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 几何光学法分析问题的两个角度 • 突变型多模光纤 • 渐变型多模光纤
1.突变型多模光纤 数值孔径 为简便起见,以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例,进 步讨论光纤的传输条件。 设纤芯和包层折射率分别为m1和n2,空气的折射率n0=1,纤 芯中心轴线与z轴一致,如图24。 光线在光纤端面以小角度0从空气入射到纤芯(m0n2) 2 纤芯 包层n2 图24突变型多模光纤的光线传播原理
图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理 3 2 1 y 1 l o L x c 2 3 纤 芯n1 包 层n2 z c 1 1. 数值孔径 为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进 一步讨论光纤的传输条件。 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0 =1， 纤 芯中心轴线与z轴一致， 如图2.4。 光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0n2 )