光纤的基础知识

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1、光纤传输特性2.3.1光纤色散2.3.2光纤损耗2.3.3光纤标准和应用光纤（OpticalFiber）的典型结构是多层同轴圆柱体，如图所示，自内向外由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。2.1光纤结构和类型2.1.1光纤结构光纤结构图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。涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。2.1.2光纤类型1、光纤的主要成分目前通信用的光纤主要是石英系光纤，其主要成分是高纯

2、度石英玻璃，即二氧化硅(SiO2)。如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作为包层材料。2.按折射率分布情况分类：光纤主要有三种基本类型：突变型多模光纤（多模阶跃折射率光纤）渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤）单模光纤单模光纤（SingleModeFiber,SMF）折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（只传输主模），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。单模光纤2.2光纤传输原理分析光纤传输原理的常用

3、方法：几何光学法麦克斯韦波动方程法2.2.1几何光学方法用几何光学方法分析光纤传输原理，我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布，并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。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•渐变型多模光纤一、突变型多模光纤为简便起见，以突变型多模光纤的交轴光线(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。二.突变型多模光纤导光原理突变型多

4、模光纤导光原理图与内光线入射角的临界角θc相对应，光纤入射光的入射角θi有一个最大值θmax。θmax称为光纤端面入射临界角（简称入射临界角）。光纤端面入射临界角当θi<θmax时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线3。半锥角由此可见，只有在半锥角为θi≤θmax的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。三、数值孔径根据这个传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。即光纤的数值孔径为：NA=n0sin(θmax)得光纤的数值孔径为：NA=n0sin(θmax)=光纤的数值孔径NA

5、仅决定于光纤的折射率n1和n2，与光纤的直径无关。光纤的数值孔径NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θmax)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θmax内的入射光都能在光纤中传输，如图。光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。四、相对折射率差Δn1和n2差值的大小直接影响着光纤的性能，为此引入相对折射率差这样一个物理量来表示它们相差的程度，用Δ表示，即弱导光纤，有n1≈n2，此

6、时光纤的数值孔径可表示为：五时间延迟（时延）突变型多模光纤最大时延差经历最短和最长路程的二束光线间时间差是输入脉冲展宽的一种度量。是输入脉冲展宽的一种度量4NA与ΔT的关系NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；但NA越大，模间色散越严重。常用于通信的光纤的NA取值范围为:0.1～0.32.2.2光在光纤中的模式传输一、模式的概念；二、传输模式；三、传条输件；四、单模传输条件。2.2.2光在光纤中的模式传输一、模式的概念所谓的光纤模式，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，电磁场的稳态分布。这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没

7、有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式。二、传输模式麦克斯韦方程组的求解表明，光纤中可能存在的模式有横电模TE、横磁模TM及混合模HE和EH等四套模式。1、横电模TE0m：如果纵轴方向只有磁场分量Hz，没有电场分量（Ez=0），而横截面上有电场分量的电磁波称为横电模，用TE0m表示。2、横磁模TM0m：如果纵轴方向只有电场分量Ez，没有磁场分量（Hz=0），而横截面上有电场分量的电磁波称为横电模，用TM0m表示。3、混合模HEvm和EHvm：如果纵轴方向既有电场分量EZ又有磁场分量HZ，这种电磁波就是横电模与横磁模的混合，称为混合

8、模。混合模用HEvm和EHvm表示。混合模HEvm和EHvm：当纵轴方向磁场分量