第5光纤波导1.

第五章光纤波导15.1阶跃折射率光纤5.2渐变折射率光纤5.3损耗5.4阶跃折射率光纤中的模式和场5.5渐变折射率光纤中的模式和场5.6光纤中的脉冲畸变和信息速率5.7光纤的制造5.8光缆内容光纤如何制作光纤的结构及其特性常用光纤的结构及其中光波的传播特性重点关注是传输损耗,模式理论和信息容量同时涉及光纤,光缆的制造和设计2光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心玻璃体，外层玻璃的折射率比内层稍低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为，直径为2b。它的基本结构形式如图所示31n2nn2n1nr()r2am=2a8.32b1252bm=特点：n1n2⇒光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。4纤芯的作用——约束光的传输。包层的作用——形成光波导效应。涂敷层的作用——保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性虽然光纤的基本结构形式如上图所示，但是按照折射率分布、传输模式多少、材料成分等的不同，光纤可分为很多种类，下面将简单介绍一下51.按照折射率分布来分一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种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，而且纤芯和包层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。它的结构如图所示。阶跃折射率光纤6图5.1阶跃折射率光纤(a)折射率剖面(b)端视图(c)纵剖面图纤芯包层阶跃折射率光纤的临界角sinθc=n2/n1引入纤芯和包层相对折射率差：Δ=(n1-n2)/n1这是一个恒定的参数,因为全反射角存在的条件是n1大于n2,其典型值为0.017常见的阶跃折射率的光纤通常有三种结构纤芯和包层都是使用玻璃纤芯使用石英玻璃而包层使用塑料塑料纤芯而包层使用另一种塑料全玻璃的纤芯和包层折射率差最小塑料包层石英光纤(PCS)稍大一些全塑料光纤最大(POF聚合物光纤)8数值孔径（NumericalAperture,NA）NA---(P84)阶跃光纤数值孔径NA的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角θc之正弦值。9需要注意的是，光纤的NA并非越大越好。NA越大，虽然光纤接收光的能力越强，但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大，则其相对折射率差Δ也就越大，Δ值较大的光纤的模式色散也越大，从而使光纤的传输容量变小。因此NA取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。CCITT建议光纤的NA=0.18～0.23。10和平板波导一样,模式失真和数值孔径随着折射率差的增加而变大.模式脉冲展宽和数值孔径由大到小全塑料光纤塑料包层石英光纤全玻璃光纤11脉冲展宽小可以使光纤实现长距离大容量传输,NA小会导致光源到光纤的耦合效率低下12全玻璃光纤具有最低的衰耗和最小的模式脉冲展宽,所以比较适合高信息速率和长距离传输系统13石英光纤由于PCS光纤的传输损耗和脉冲展宽比全玻璃纤维光纤要大，所以比较适合应用于短距离的传输系统。其数值孔径比较大，使得光源到光纤的耦合效率比较高。14由于传输损耗很大，使全塑料光纤传输距离受到很大限制。传输距离通常只有数十米。其数值孔径很大，使得光源到光纤的耦合效率很高，全塑料光纤也因此得到应用。15塑料光纤光纤的尺寸大小通常用纤芯直径和包层直径表示，都是以微米为单位，例如50/125光纤代表纤芯直径为50微米包层直径为125微米的光纤。SI光纤的直径的典型值为50/125，100/140和200/2301617图5.2可被SI光纤捕获的光线形成的圆锥纤芯进入光纤的光在芯包交界面上的入射角大于临界角时，就在光纤内产生全反射；而入射角小于临界角的光就有一部分进入包层，当包层外围介质的折射率比包层的折射率还有小时，光纤通过包层外边界面的内全反射也能够被光纤捕获。18前者的传输损耗小，能作远距离传输，称为传导模后者的传输损耗大，称为包层模1920图5.3包层模的射线路经。在纤芯和包层界面上的部分反射造成了多条传输路经纤芯包层