微波技术与天线 刘学观 第3.3节

3.3光纤光纤(opticalfiber)又名光导纤维，它是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。折射率为n1的光学玻璃拉成的纤维表面覆盖一层折射率为n2=n1(1–)的玻璃包层的作用：除使传输的光波免受外界干扰之外，还起着控制纤芯内传输模式的作用。光缆光纤的分类

按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层玻璃芯光纤和全塑料光纤。其中，石英玻璃光纤损耗最小，最适合长距离、大容量通信。按折射率分布形状可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按传输模式可分为多模光纤和单模光纤。1.单模光纤和多模光纤

只传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤所传输的模式实际上就是圆形介质波导内主模HE11，它没有截止频率，根据前面分析，圆形介质波导中第一个高次模为型TM01模，其截止波长式中，01是零阶贝塞尔函数的第1个根，n1和n2分别为光纤内芯与包层的折射率，D为光纤的直径。（1）单模光纤(unimodularopticalfiber)为避免高次模的出现(cTM01)，单模光纤的直径D必须满足以下条件：当n1和n2相差较大时，单模光纤尺寸的上限和工作波长在同一量级。由于光纤工作波长在1µm量级，这给工艺制造带来了困难。将n2=n1(1–)代入上式得为了降低工艺制造的困难，可以减少的值。

比如令n1=1.5、=0.001，则D<11.5可见，当n1、n2相差不大时，光纤的直径可以比波长大一个量级。也就是说，适当选择包层折射率，一方面降低了光纤制造工艺，另方面还能保证单模传输，这也正说明了光纤包层起到了抑制高次模的作用。

（1）单模传输避免了模式分散，因而传输频带很宽，容量很大。传输信号质量高；（2）要求制造工艺高，光源必须是LD光源。单模光纤的特点：（2）多模光纤(multimodefiber)多模光纤的内芯直径可达几十微米，它的制造工艺相对简单一些，同时对光源的要求也比较简单，只需要发光二极管就可以了。但是在这样粗的光纤中有大量的模式以不同的幅度、相位与偏振方向传播，会引起较大的模式离散性，从而使传播性能变差，容量变小。好在现阶段光纤的接收只考虑光功率和群速，而与相位及偏振关系不大，故相对传输性能比较好。因此容量较大的渐变型多模光纤也可使用。2.光纤的基本参数

描述光纤的基本参数除了光纤的直径外，还有光导波长g、光纤芯与包层的相对折射率差、折射率分布因子g以及数值孔径NA。（1）光导波长(opticalwavelength)

同描述电磁波传播一样，光纤传播因子为ej(t-z)，其中是传导模的工作角频率，为光纤的相移常数。对于传导模，应满足其中，k为自由空间波数对应的光波波长为

（2）相对折射率差

(relativerefractiveindexerror)光纤芯与包层相对折射率差定义为：

它反映了包层与光纤芯折射率的接近程度。当<<1时，称此光纤为弱传导光纤，此时

n2k，光纤近似工作在线极化状态。（3）折射率分布因子g(refractiveindex

distributionfactor)光纤折射率随径向变化如下式所示：

对阶跃型光纤g,对于渐变型光纤g为某一常数。当g=2时为抛物型光纤。

三种常用光纤波导（4）数值孔径NA(numericalaperture)

光纤的数值孔径NA是描述光纤收集光能力的一个参数。只有角度小于某一个角的光线，才能在光纤内部传播这一角度的正弦值定义为光纤数值孔径，即：

光纤的数值孔径NA还可以用相对折射率差来描述：显然为了取得较大的数值孔径，相对折射率差应取大一些。

3.光纤的传输特性

(1)光纤的损耗

(opticalfiberloss)

引起光纤的损耗主要原因大致有光纤材料不纯、光纤几何结构不完善及光纤材料的本征损耗等。不管是哪种损耗都归纳为光在光纤传播过程中引起的功率衰减。

单模光纤波长与损耗的关系曲线

0.91.11.3波长(m)1.51.7在1.3µm和1.55µm波长附近损耗较低，且带宽较宽。(2)光纤的色散特性(dispersivecharacteristic)

所谓光纤的色散是指光纤传播的信号波形发生畸变的一种物理现象，表现为使光脉冲宽度展宽。光脉冲变宽后有可能使到达接收端的前后两个脉冲无法分辨开，因此脉冲加宽就会限制传送数据的速率，从而限制了通信容量。光纤色散主要有材料色散、波导色散和模间色散三种色散效应。

材料色散与波导色散随波长的变化呈相反的变化趋势，所以总会存在着两种色散大小相等负号相反的波长区，也就是总色散为零或很小的区域，1.55m零色散单模光纤就是用此原理制成的。常用光纤的损耗与用途

光纤损耗用途短波0.8µm3.0短距离低速长波1.3µm0.5中距离高速1.55µm0.2长距离高速结论：光纤通信是以光纤为传输媒质来传递信息的，光纤的传输原理与圆形介质波导十分相似。描述光纤传输特性的主要有损耗和色散，光纤的损耗影响了传输距离，而光纤的色散影响了传输带宽和通信容量。

第三章基本要求了解微波集成传输线的特点及分类。掌握带状线、微带线中传输的模式及其场分布，了解它们的主要传输特性，包括特性阻抗、相速、波导波长等的分析与计算，了解微带线的色散特性及其衰减。掌握耦合微带线中传输的模式及其场分布，了解耦合微带线的分析方法：奇偶模分析法，了解特性阻抗