光纤通信技术-第02章.ppt

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1、第二章光导纤维2.1光纤的结构和分类2.2光纤的射线理论分析2.3光纤的波动理论分析2.4单模光纤2.5光纤的传输特性2.6光纤的非线性效应2.7光缆第二章光导纤维2.1光纤的结构与分类2.1.1光纤的结构光纤（OpticalFiber，OF）就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质（绝大部分是用石英材料）构成的。一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。2bn1>n22.1.2光纤的分类光纤的分类方法：按照光纤截面折射率分布分类按照光纤中传输模式多少分类按照光纤

2、使用的材料分类按照传输的工作波长分类2.1光纤的结构与分类2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的分类按光纤横截面折射率分布分类阶跃型光纤（Step-IndexFiber，SIF）渐变型光纤（Graded-IndexFiber，GIF）2.1.2光纤的分类按传输模式的数量分类多模光纤（Multi-ModeFiber，MMF）：可有多个模式在其中传输的光纤称为多模光纤，适合近距离、小容量通信。单模光纤（SingleModeFiber，SMF）：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。单模光纤只能传输基模（最低阶模），不

3、存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，适合远距离、大容量通信。2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的分类按光纤的工作波长分类短波长光纤长波长光纤超长波长光纤2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的分类按ITU-T建议分类G.651光纤(渐变型多模光纤)G.652光纤(常规单模光纤)G.653光纤(色散位移光纤)G.654光纤(截止波长光纤)G.655光纤(非零色散位移光纤)2.1光纤的结构与分类2.1.2光纤的分类现在使用的主要光纤现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤渐变型多模光纤阶跃型单模光纤

4、三种光纤的光路2.1光纤的结构与分类2.1光纤的结构与分类nr4~10μm包层纤芯包层nr50μm包层纤芯包层nr50μm包层纤芯包层单模光纤多模阶跃型光纤多模渐变型光纤2.2光纤的射线理论分析当光的波长远小于光纤的横向尺寸时，光可以用一条代表光波传播方向的光射线来表示。用光射线法研究光的传播规律的方法称为射线法或几何法，其基本理论基础是几何光学。用电磁场理论研究光波传播规律的方法称为波动光学法，其基础是波动光学，它比射线法更严格、全面、精确。2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本的光学概念和定律均匀平面波在与

5、传播方向垂直的无限大平面的每个点上，电场强度E、磁场强度H的幅度、相位都相同的波称为均匀平面波，简称平面波。平面波任何一点上电场强度和磁场强度与坐标x、y无关。光的传播方向OHEzyx2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本的光学概念和定律均匀平面波平面波的传播速度：是指平面波等相位面在传播方向上的传播速度，即相速：其中：f是光的频率；ω=2πf为圆频率；λ是光波长；k是电磁波传播的相位常数：ε为传输介质的介电常数、μ为传输介质的磁导率，是不随时间和空间变化的标量。因此相速又可表示为：2.2光纤的射线理论分析2.

6、2.1基本的光学概念和定律折射率光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：v=c/n式中：c＝2.997×105km/s≈3×105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率（空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右）。上式表明：光在介质中的传播速度与介质的折射率成反比。2.2.1基本的光学概念和定律均匀平面波在两介质交界面的折射和反射2.2光纤的射线理论分析n1介质Ⅰn2介质Ⅱxzok1k2n1>n2入射角：入射光线与法线间的夹角。反射角：反射光线与法线间的夹角。折射角：折

7、射光线与法线间的夹角。反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，即：θ1′＝θ1。折射定律：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sinθ1=n2sinθ2斯耐耳定律：折射定律、反射定律的总称。2.2光纤的射线理论分析平面波的全反射：当入射角增大到一定程度时，入射光将不进入第二种介质，而是全部反射回第一种介质，这种现象称为全反射，这种波称为导波。2.2光纤的射线理论分析n1介质Ⅰn2介质Ⅱxzok

8、1k2n1>n2θ2>θ1使折射角θ2刚好到达90°时的入射角称为临界角，用θc表示，由折射定律可知：最后可得到全反射条件是：n1>n2，θc≤θ1<90°θc2.2光纤的射线理论分析2.2.1基本的光学概念和定律相对折射指数差：影响光纤性能的参数。当n1与n2的差别极小时，上式可近似为:这种光纤称为弱导波光纤。工程上使用的都是弱导波光纤。2.2.2阶跃型光纤的导光原理一束光线从光纤的