国脉信息学院光纤课件.

1第2章光导纤维2.1光纤、光缆的结构和分类2.2用射线理论分析光纤的导光原理2.3用波动理论法分析光纤的导光原理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22.1光纤光缆的结构和分类2.1.1光纤的结构2.1.2光纤的分类2.1.3光缆的结构2.1.4光缆的分类2.1.5光缆的型号和规格3目前，通信用的光纤绝大多数用石英材料做成的横截面积很小的双层同心圆柱体。光纤由涂覆层、纤芯、包层组成。2.1.1光纤的结构4–折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；–折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。涂层n2包层n2包层涂层纤芯n1d1d25纤芯：纤芯位于光纤的中心部位（直径d1=9～50μm）。多模光纤的纤芯为50μm，单模光纤的纤芯为9～10μm。成份：高纯度的二氧化硅。还掺有极少量的掺杂剂（如二氧化锗，五氧化二磷）。作用：适当提高纤芯对光的折射率(n1)，用于传输光信号。6包层：位于纤芯的周围（直径d2=125μm），含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。作用：适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1n2，这是光纤结构的关键，它是使光信号封闭在纤芯中传输。涂敷层：由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成的涂敷层。作用：增加光纤的机械强度与可弯曲性。7目前在通信中使用较为广泛的光纤有两种：紧套光纤与松套光纤。82.1.2光纤的分类1、按照光纤横截面折射率分布不同来划分——阶跃型光纤纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为：均匀光纤。——渐变型光纤如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为：非均匀光纤。9102、按照纤芯中传输模式的数量划分只有满足全反射条件的模式光波才能在纤芯中准确地传输11——多模光纤~在一定的工作波下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。~多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可采用渐变折射率分布~多模光纤的纤芯直径约为50μm。~模式色散，仅适用于低速率、短距离通信12——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4～10μm~适用于大容量、长距离的光纤通信。13单模光纤Vs多模光纤143、按照传输波长分类（1）短波长光纤：0.85μm（0.8～0.9μm）作用：用于短距离市话中继线路或专用通信网等线路。（2）长波长光纤：1.3～1.6μm（主要有1.3μm和1.55μm两个窗口）作用：用于干线传输。4、按套塑结构分类（1）紧套光纤（2）松套光纤15思考：试比较下列单模光纤的异同点（1）G.652光纤（2）G.653光纤（3）G.654光纤（4）G.655光纤162.1.3光缆的结构经过一次涂敷或二次涂敷（套塑）以后的光纤，虽然具有一定抗拉强度，但还是经不起工程应用中的弯折、扭曲、和侧压力的作用。为此欲使光纤达到工程应用的要求，必须通过绞合、套塑、金属恺装等措施，把若干根光纤组合在一起，这就构成了光缆。光缆能够承受实用条件下的抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能，能够保证光纤原有的传输特性，并且使光纤在各种环境条件下可靠工作光缆的结构：一般可分为缆芯、护层、加强芯三大部分。（1）缆芯：缆芯由光纤的芯数决定，可分为单芯型和多芯型两种。（2）护层：护层可分为内护层和外护层。（3）加强芯：加强芯主要承受敷设安装时所加的外力，用来保护光纤。171．层绞式结构光缆182．骨架式结构光缆193．束管式结构光缆204．带状结构光缆可以容纳大量光纤5．单芯结构光缆采用松套光纤或者将一次光固化涂层光纤直接置于骨架或者束管来制造6．特殊结构光缆（1）海底光缆浅海光缆&深海光缆（2）无金属光缆21现阶段的光缆分类：（1）室外光缆（2）软光缆（3）室内光缆（4）设备内光缆（5）海底光缆（6）特种光缆2.1.5光缆的型号和规格•Ⅰ分类•Ⅱ加强构件•Ⅲ光缆结构特性•Ⅳ护套•Ⅴ外护层(1)铠装层(2)外被层或外套•Ⅵ光纤芯数直接由阿拉伯数字写出•Ⅶ光纤类别A多模光纤B单模光纤•Ⅰ分类GY通信用室(野)外光缆GM通信用移动式光缆GJ通信用室(局)内光缆GS通信用设备内光缆GH通信用海底光缆GT通信用特殊光缆•Ⅱ加强构件无金属加强构件F非金属加强构件G金属重型加强构件•Ⅲ光缆结构特性S光纤松套被覆结构J光纤紧套被覆结构D光纤带结构无层绞式结构G骨架槽结构X缆中心管(被覆)结构T填充式结构B扁平结构Z阻燃C自承式结构•Ⅳ护套Y聚乙烯V聚氯乙烯F氟塑料U聚氨酯E聚酯弹性体A铝带-聚乙烯粘结护层S钢带-聚乙烯粘结护层W夹带钢丝的钢带-聚乙烯粘结护层L铝G钢Q铅•Ⅴ外护层(1)铠装层0无铠装2双钢带3细圆钢丝4粗圆钢丝5皱纹钢带6双层圆钢丝(2)外被层或外套1纤维外护套2聚氯乙烯护套3聚乙烯护套4聚乙烯护套加敷尼龙护套5聚乙烯管•Ⅵ光纤芯数直接由阿拉伯数字写出•Ⅶ光纤类别A多模光纤B单模光纤•GYFTY0424B1代号构成说明：松套层绞填充式、非金属中心加强件、聚乙稀护套加覆防白蚁的尼龙层的通信用室外光缆，包含24根B1类G.652单模光纤•GY通信用室(野)外光缆•F非金属加强构件•T填充式结构•Y聚乙烯•0无铠装•4聚乙烯护套加敷尼龙护套•24芯•B1二氧化硅普通单模光纤G.65230光缆型号由型式代号和规格代号构成例如：解释GYTA53-12A1意义GY空TA53-12A11234567分析:1:GY：通信用室外光缆2:无F：金属加强件3:T:油膏填充式结构（松套层绞式结构）4：A：铝--聚乙烯粘接护套5：5：铠装层5：3：单钢带皱纹纵包6：12：内装12根光纤7：A1:渐变型多模光纤答:含义为：松套层绞结构，金属加强件，铝-塑粘接护层，皱纹钢带铠装，聚乙烯外护套，室外用通信光缆，内装12根渐变型多模光纤。312.2用射线理论分析光纤的导光原理分析光纤导光原理有两种基本的研究方法•射线理论法（简称为射线法，又称几何光学法）•波动理论法（又称波动光学法）2.2.1平面波在两介质交界面的反射与折射2.2.2阶跃型光纤的导光原理2.2.3渐变型光纤的导光原理322.2.1平面波在两介质交界面的反射与折射1、均匀平面波的概念均匀平面波是指在与传播方向垂直的无限大平面的每个点上：电场强度E的幅度相等、相位相同，磁场强度H的幅度相等、相位相同。33均匀平面波在均匀理想介质中的传播特性可通过以下3个参量来描述。（1）传播速度v（2）波阻抗Z（3）相位常数k34（1）传播速度v定义：平面波的传播速度是指在平面波的传播方向上等相位面的传播速度，故又称为相速。表达式：1kv35377000ZHEZ（2）波阻抗Z定义：电场Ex和磁场Hy比值具有阻抗的量纲，称为波阻抗表达式：真空中传播的波阻抗36（3）相位常数k定义：相位常数k代表在单位长度上相位变化的数量。表达式：当平面波在折射指数为n的无限大介质中传播时，2k0nkk372．平面波在两介质交界面上的折射与反射反射和折射的基本规律遵循：(1)斯奈耳定律(2)菲涅尔公式38（1）斯奈耳定律斯奈耳定律说明反射波、折射波与入射波方向之间的关系。反射定律：θ1=θ1′折射定律：n1sinθ1=n2sinθ2其中，n代表介质的折射指数，vcn39（2菲涅尔公式表明反射波、折射波与入射波的复数振幅之间的关系。反射系数R=折射系数T=1201'01jeREE入射波电场的复数振幅反射波电场的复数振幅220102jeTEE入射波电场的复数振幅折射波电场的复数振幅40平面波可分成水平极化波和垂直极化波：41θ1与θ2之间的关系：结论：–平面波在两介质分界面产生反射和折射的基本规律是由斯奈耳定律及菲涅尔公式决定的。–极化波的反射和折射系数不同，但它们都是由介质参数n1、n2及入射角θ1决定的。12221222sin)(1sin1nnCOS423．平面波的全反射光由光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质内的现象称为全反射。θc：折射角刚好达到90°时的入射角称为临界角全反射条件：阶跃光纤就是使入射光在光纤中反复地通过上述全反射形式，闭锁在其中向前传播。12sinnnc90121cnn432.2.2阶跃型光纤的导光原理1．相对折射指数差2．阶跃型光纤中的光射线种类（1）子午射线（2）斜射线3．子午线的分析4．数值孔径的概念441．相对折射指数差相对折射指数差：弱导波光纤：2122212nnn121nnn452．阶跃型光纤中的光射线种类（1）子午射线46（2473．子午线的分析导波：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。48子午射线只有满足:才能在纤芯中形成导波（即满足全反射条件）。2221sinnn494．数值孔径的概念NA：表示光纤捕捉入射光线的能力。50练习题弱导波阶跃光纤纤芯和包层的折射指数分别为n1=1.5，n2=1.45，试计算：（1）纤芯和包层的相对折射指数差（2）光纤的数值孔径NA512.2.3渐变型光纤的导光原理1．渐变型光纤中的子午线2．子午线的轨迹方程3．渐变型光纤的最佳折射指数分布4．渐变型光纤的本地数值孔径521、渐变型光纤中的子午线532．子午线的轨迹方程crNnrnNnZd)(2020200543．渐变型光纤的最佳折射指数分布在渐变型光纤中，射线的起始条件不同，相应的轴向速度也不同，以致出现不同的传播轨迹。如果n(r)分布合适，不同射线有可能以相同的轴向速度前进，从而可减小光纤中的模式色散。55模式色散：（1）光功率以脉冲形式注入光纤后，将分布在光纤内所有模式之中，而不同模式沿着不同轨迹传输。（2）每个模式的轴向传输速度不同，于是它们在相同的光纤长度上，到达某一点所需要的时间不同，从而使得沿光纤行进的脉冲在时间上展宽，这种色散称为模式色散。最佳折射指数分布：这种在最大程度上减少模式色散的n(r)分布，称为渐变型光纤的最佳折射指数分布。56在下列三个条件下：（1）均匀的激励；（2）恒定的光中心波长；（3）相同传输损耗的模式；渐变型（平方律）光纤的最佳折射指数分布表达为：212])(21)[0()(arnrn5721nNA4．渐变型光纤的本地数值孔径NA渐变型光纤纤芯折射指数n1随半径r变化。因此，数值孔径NA是纤芯端面上位置的函数。故，渐变型光纤纤芯在某一点的数值孔径可表示为：比较：阶跃型光纤的数值孔径)()()(22anrnrNA58渐变型光纤的数值孔径NA表征的意义：•当折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。•轴线处的折射指数最大，捕捉射线的能力最强。)()()(22anrnrNA)(rn59练习题已知：渐变型光纤的折射指数分布为试求：该光纤的本地数值孔径。21)(21)0()(aarnrn602.3用波动理论法分析光纤的导光原理22VM2.3.2阶跃型光纤的标量近似解法归一化频率：导波的数量：单模传输条件：0V2.404836142maxVM2.3.3渐变型光纤的标量近似解法归一化频率：最大导波数量：6201.00练习题已知：阶跃光纤纤芯的折射指数为n1=1.5，相对折射指数差、纤芯半径a=25μm。若=1μm，求：该光纤的归一化频率值及其中传播的模数量。6301.0已知：阶跃型光纤，若n1=1.5，λ0=1.31μm，（1）若，当保证单模传输时，纤芯半径a应取多大？（2）若纤芯半径a=5μm，应怎样选择才能保证单模传输？642.4单模光纤2.4.1单模光纤的折射率分布2.4.2单模传输的理论分析2.4.3单模光纤的双折射2.4.4新型单模光纤652.4.1单模光纤的折射率分布(1)阶跃型单模光纤折射率分布形式66严格说来，阶跃光纤的折射率主要由于以下两方面的原因使得折射指数呈渐变趋势：——纤芯材料和包