第2章光纤和光缆ppt课件.ppt

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1、第二章光纤和光缆§2-1光纤的结构*光纤是横截面积很小的可挠透明长丝，它在长距离内具有束缚和传输光的作用。*光纤是由纤芯、包层、涂敷层构成，如图2.1。*纤芯是由高透明度的材料制成的。*包层的折射率略小于纤芯，从而造成一种光波导效应，使大部分的电磁场被束缚在纤芯中传输。*涂敷层的作用是保护光纤不受水汽的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性。*为加强机械强度，可进行二次被覆。1、紧包式：2、松套式：以减小外界应力及温度影响。*涂敷层外，往往加有塑料外套。4光纤几何尺寸★芯径单模光纤：<10um;多

2、模光纤：50um/62.5um★包层直径普通光纤：125um★涂覆层直径普通光纤内层－170～200um外层－245um125um245um播放Flash:2-02§2-2光纤的种类虽然光纤的基本结构都一样，但按照纤芯截面折射率分布，纤芯中传输模式的多少，以及材料成分的不同等，光纤可分为很多种，下面介绍几种常用的光纤。一、按照折射率分布来分1、阶跃型光纤。如果纤芯折射率沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且、在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃折射率型光纤。又称均匀光纤（如图2.2

3、b）。2、渐变型光纤如果纤芯折射率随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率是均匀的，称为渐变型光纤，又称非均匀光纤（如图2.2c）。二、按照传输模式的多少来分所谓模式，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可分为单模光纤和多模光纤（如图2.3）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4~10um，纤芯的折射率分布认为是均匀的，由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，光纤轨迹如图（a）所示。。2、多模光纤光纤中

4、传输多种模式时，叫做多模光纤。多模光纤的纤芯直径较大，约50um，在一定的工作波长下，多模光纤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，需采用渐变折射率分布，光波传输轨迹如图（b）和（c）。由于模色散的存在，使多模光纤带宽变窄，但制造、耦合、连接比单模光纤容易。三、按光纤的材料来分1、石英系光纤这种光纤的纤芯是由高纯度的SiO2掺有适当的杂质(锗、磷、硼)制成的，如用GeO2·SiO2和P2O5·SiO2作芯子,用B2O3·SiO2作包层。目前这种光纤损耗最低，强度和

5、可靠性最高，应用最广泛，但价格最高。2、多组分玻璃纤维用钠玻璃（SiO2、Na2O、CaO）掺有适当杂质制成。损耗低，尚存在一些可靠性问题。3、石英芯、塑料包层光纤纤芯用石英制成，包层是用硅树脂。4、全塑光纤这种光纤的纤芯和包层都由塑料制成。特点：低价、损耗大，不稳定。§2-3光纤的传播原理下面以石英系的阶跃型光纤和渐变型光纤为例，主要分析它们的导波模式及特性，并着重于几何光学的射线理论进行分析（也用波动理论给出一些必要的概念）。一、阶跃型光纤光射线的理论分析本节主要讨论阶跃光纤中的射线种类，子午线

6、的数值孔径，以及影响光纤性能的主要参数量——相对折射指数差。由阶跃型光纤的剖面折射指数分布，图2.2b)可以看出：纤芯的折射指数沿半径r是不变的，包层中也是均匀的。1、相对折射指数差△光纤的纤芯和包层是采用相同的基础材料，然后各掺入不同的杂质，使得纤芯中的折射指数略高于包层中的折射指数，它们的差极小。和差的大小直接影响着光纤的性能，在光纤的分析中，常用相对折射指数“△”这个物理量来表示它们相差的程度。当和差别极小时，这种光纤称为弱导波光纤。其2、阶跃光纤中的光射线种类按几何学射线理论，阶跃光纤中的光

7、射线，主要有：子午射线和斜射线。（1）子午射线如图2.4所示，过纤芯的轴线OO’可作许多平面，这些平面称子午面，子午面上的光射线，在一个周期内和该中心轴相交两次，并以锯齿形波前进。这种射线称为子午线。可以看出，这种子午线是平面曲线，它在端面上的投影是一条直线。子午面（2）斜射线（偏射线）除子午线外，多模光纤中还存在斜射线(如图2.5)，这种斜射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的射线。从投影图可见。这种射线限制在一定范围内传输，这个范围称焦散面。故斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。n：相对折射率；在

8、阶跃光纤中，无论子午线还是斜射线，都是根据全反射原理（），使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的（如图2.6）。［全反射定理］相对折射率：：临界角全反射条件：入射角θ>3、子午线的分析携带信息的光波，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中形成导波。显然，必须是能在纤芯界面上产生全反射的子午线。光纤剖面上的子午射线如图2.7所示，一条光线射到光纤端面的中心，