第02章_光纤和光缆《习题》

《第02章_光纤和光缆《习题》》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第2章　光纤和光缆2.1光纤的结构和类型2.2光纤的导光原理2.3光纤的波动理论2.4单模光纤2.5光纤的传输特性2.6光纤制造工艺2.7单模光纤的进展2.8光缆习题2.1光纤的结构和类型光纤是用于约束并传导光的一种介质光波导。由于其具有损耗低、带宽大、重量轻、容易敷设以及便于大批量制造等优良性能而成为通信中最重要的传输介质。2.1.1光纤的结构光纤的典型结构是多层同轴圆柱体(如图2-1-1所示)，由内而外分别是纤芯、包层和涂覆层。其中纤芯通常由高纯度的SiO2加少量掺杂制成，是光波的主要传输通道。包层的折射率略小于纤芯，为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作

2、用，使光纤的传输性能相对稳定。纤芯的粗细及材料、包层材料的折射率，对光纤的特性起着决定性的作用。涂覆层包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层，可以起到保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加了光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。图2-1-1光纤的结构2.1.2光纤的类型光纤的基本结构形式如图2-1-1所示，但是按照纤芯剖面折射率分布、纤芯中传输模式的多少以及材料成份等的不同，光纤可分为很多种，下面将常用的几种结构形式作一简单介绍。1.按照折射率分布分类按照折射率分布的不同，光纤一般可分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。(1)阶跃型光纤。如果纤芯折射率n1沿半径方向保持—定

3、，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。阶跃光纤中的折射率分布为(2.1.1)(2)渐变型光纤。如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。如梯度光纤中的折射率分布为(2.1.2)其中，a为纤芯半径；α为常数，一般取1～∞。梯度光纤通常取α≈2，即按平方律分布。当折射率分布指数α>>10或→∞时，折射率分布为阶跃型。2.按照传输模式分类所谓模式，实质上是电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式数量

4、，可分为单模光纤和多模光纤。(1)单模光纤。光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm，通常，纤芯的折射率分布认为是均匀分布的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输带宽大大加宽，因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。(2)多模光纤。在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。早期的多模光纤采用阶跃折射率分布，为了减小色散，须采用渐变折射率分布，由于模色散的存在使多模光纤的带宽变窄，但制造、耦合、连接都比单模光纤容易。3.按光纤材料分类光纤按材料的不同可分为石英系光纤、石英纤芯塑料包层光纤、多成分玻璃光纤、塑料

5、光纤。(1)石英系光纤。这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的SiO2中掺杂适当的杂质制成的。其损耗低、强度和可靠性较高，目前应用最为广泛。(2)石英纤芯塑料包层光纤。这种光纤的纤芯是用石英制成，包层是硅树脂。(3)多成分玻璃纤维。这种光纤一般用钠玻璃掺有适当杂质制成。(4)塑料光纤。这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。2.2光纤的导光原理光是一种电磁波，严格描述光在光纤中传输规律需从麦克斯韦方程出发，求解波动方程，得到光纤中传输波形(模式)、色散特性、截止条件、传输功率等。但在极限(波数k=2π/λ非常大，波长λ→0)条件下，可以用几何光学的射线方程作近似分析。几何光学的方法

6、比较直观，容易理解，但并不十分严格。不管是射线方程还是波动方程，由于数学推理都比较复杂，因此本节只介绍其中主要部分和有用的结果。2.2.1阶跃光纤中的导光原理光纤导光特性基于光射线在芯包界面上的全反射，使光线限定在纤芯中传输。光纤中有两种光线，即子午光线和斜射光线。首先介绍影响光纤性能的主要参量——相对折射率差。光纤的纤芯和包层都是采用SiO2为基础材料，然后掺入不同的杂质，使纤芯中的折射率n1略高于包层中的折射率n2，它们的差极小。n1和n2差的大小直接影响着光纤的性能。在光纤的分析中，常常使用相对折射率差来表示它们的相差程度，用Δ表示。(2.2.1)这里，当n1和n2差别

7、极小时，这种光纤称为弱导光纤，其相对折射率差可得出以上近似。1.子午线的分析如图2-2-1所示，过纤芯的轴线OO′可做许多平面，这些平面称为子午面。子午面上的光射线在一个周期内并和该中心轴相交两次，成为锯齿形波前进。这种射线称为子午射线，简称为子午线。可以看出，这种子午线是平面折线，它在端面上的投影是一条直线。图2-2-1阶跃光纤中的子午线携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。因此，分析纤芯中的子午线，实际上就是要讨论什么样的子午线才能在纤芯