光纤结构和类型.ppt

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1、第2章光纤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光纤标准和应用教学重点及难点重点:一、分析光纤的导光原理；二、理解光纤损耗和色散的概念；三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。难点：光纤传输的波动理论光纤（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

2、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、光纤分类（1）按照制造

3、光纤所用的材料分类有：石英系光纤；多组分玻璃光纤；塑料包层石英芯光纤；全塑料光纤。（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）单模光纤突变型多模光纤（StepIndexFiber,SIF）纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。突变型多模光纤(多模阶跃折射率光纤)渐变型多模光纤（GradedIndexFiber,GIF）在纤芯中

4、心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。渐变型多模光纤(多模渐变射率光纤)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

5、。渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125μm。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下图所示：(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯双包层光纤:色散平坦光纤（DFF）色散移位光纤（DSF）三角芯光纤:改进的色散移位光纤椭圆芯光纤: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:1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s容量的1

6、00km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。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

7、:•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

8、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仅决定于光纤的折射率