光纤结构和类型_精品文档.ppt

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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n1n2。

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=5080m，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50m，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810m，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。

渐变型多模光纤和单模光纤，包层外径2b都选用125m。

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:

1.55m色散移位光纤实现了10Gb/s容量的100km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:

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c相对应，光纤入射光的入射角i有一个最大值max。

max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imax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imax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（max）,得光纤的数值孔径为：

NA=n0sin（max）=,光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率n1和n2，与光纤的直径无关。

光纤的数值孔径NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或max）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。

对于无损耗光纤，在max内的入射光都能在光纤中传输，如图。

光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。

所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。

四、相对折射率差,n1和n2差值的大小直接影响着光纤的性能，为此引入相对折射率差这样一个物理量来表示它们相差的程度，用表示，即,弱导光纤，有n1n2，此时,对于渐变型多模光纤，若轴心处r=0时的折射率为n（0），则其相对折射率差的定义为：

光纤的数值孔径可表示为：

例题：

设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射率n2=1.485。

求:

（1）相对折射率差；

（2）数值孔径NA；（3）入射临界角max。

解：

（1）相对折射率差：

（2）数值孔径NA：

（3）入射临界角max,0.01,0.21,12.12o,五时间延迟（时延）,突变型多模光纤最大时延差,经历最短和最长路程的二束光线间时间差是输入脉冲展宽的一种度量。

是输入脉冲展宽的一种度量,4NA与T的关系,NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高；但NA越大，模间色散越严重。

常用于通信的光纤的NA取值范围为:

0.10.3,例：

设光纤长度L=1km，数值孔径NA=0.20，纤芯折射率n1=1.5，求脉冲展宽T。

六突变型多模光纤的最大比特率距离积BL,光纤的最大比特率距离积BL定义为光纤信息传输容量。

突变型多模光纤的最大比特率距离积BL为:

上式是突变型多模光纤传输容量的基本限制。

例：

多模阶跃光纤，纤芯折射率n1=1.5，包层折射率n2=1.497，求其传输容量BL。

2.渐变型多模光纤渐变折射率光纤的折射率在纤芯中连续变化。

适当选择折射率的分布形式，可以使不同入射角的光线有大致相同的光程，从而大大减小群时延差。

渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。

（1）渐变型光纤折射率分布的普遍公式,n1和n2分别为纤芯中心和包层的折射率；r和a分别为径向坐标和纤芯半径；为相对折射率差；,g为折射率分布指数g，（r/a）0的极限条件下，表示突变型多模光纤的折射率分布；g=2，n（r）按平方律（抛物线）变化，表示常规渐变型多模光纤的折射率分布。

具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小,渐变型光纤折射率按平方律（抛物线）分布:

由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA（r）和最大数值孔径NAmax,

（2）射线方程的解用几何光学方法分析渐变型多模光纤要求解射线方程，射线方程一般形式为,式中：

是轨迹上某一点的位置矢量；s为射线的传输轨迹；ds是沿轨迹的距离单元，表示折射率的梯度。

将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中，对于近轴子午光线，射线方程可简化为：

渐变型多模光纤射线方程为：

这是二阶微分方程。

得到光线的轨迹为,式中，C1和C2是待定常数，由边界条件确定。

得到光线的轨迹为,当0=0时，光线平行光纤轴入射,当ri=0时，光线在r=0，z=0处以不同的入射角射入光纤得,自聚焦效应不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为自聚焦效应，如图。

渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。

（4）渐变光纤最大时延差,折射率按抛物线分布的渐变光纤最大时延差为,式中：

n（0）为轴线上的折射率；L为渐变光纤的长度；C为真空中的光速。

（5）渐变多模光纤的最大比特率距离积BL为:

例1一根多模渐变光纤的长度L=1km，纤芯的折射率n（0）=1.5，相对折射率差=0.01，求其传输容量BL。

2.2.2光在光纤中的模式传输教学内容：

一、模式的概念；二、传输模式；三、传条输件；四、单模传输条件。

2.2.2光在光纤中的模式传输一、模式的概念所谓的光纤模式，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，电磁场的稳态分布。

这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式。

二、传输模式麦克斯韦方程组的求解表明，光纤中可能存在的模式有横电模TE、横磁模TM及混合模HE和EH等四套模式。

1、横电模TE0m：

如果纵轴方向只有磁场分量Hz，没有电场分量（Ez=0），而横截面上有电场分量的电磁波称为横电模，用TE0m表示。

2、横磁模TM0m：

如果纵轴方向只有电场分量Ez，没有磁场分量（Hz=0），而横截面上有电场分量的电磁波称为横电模，用TM0m表示。

3、混合模HEvm和EHvm：

如果纵轴方向既有电场分量EZ又有磁场分量HZ，这种电磁波就是横电模与横磁模的混合，称为混合模。

混合模用HEvm和EHvm表示。

混合模HEvm和EHvm：

当纵轴方向磁场分量占优势，电场分量较弱时，混合模用HEvm表示。

反之，当纵轴方向电场分量占优势，磁场分量较弱时，混合模用EHvm表示。

主模在所有的导模中，只有模式HE11的归一化截止频率Vc=0。

HE11模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。

高次模除了主模外，其它的模式称为高次模。

波型简并归一化截止频率相同的模式，将同时导行或同时截止，这种现象称为波型简并。

如：

TE01、TM01、HE21归一化截止频率相同Vc=2.40483，所以TE01、TM01、HE21是波型简并。

可得光纤中导波模的传输条件为,V-光纤的归一化频率；,Vc-光纤的归一化截止频率。

三、传条输件,光纤的归一化频率V,光纤的归一化频率由纤芯和包层的相对折射率差、纤芯的半径以及传输光波长所决定；归一化截止频率VC由模式所决定,四、单模光纤的模式特性传输模式数目随V值的增加而增多。

当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。

特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11一个模式存在，其余模式全部截止。

HE11称为基模或主模。

由此得到单模传输条件为,V-光纤的归一化频率;n1-纤芯折射率;-相对折射率差；-传输光波长。

例：

已知突变型多模光纤的纤芯折射率n1=1.5，纤芯和包层的相对折射率差=0.002。

若光纤工作波长=1.30m和=1.55m，求光纤单模传输时，其最大的纤芯直径为多少？

对于给定的光纤（n1、n2和a确定），存在一个临界波长c，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为截止波长。

截止波长,截止波长计算公式,2.3光纤传输特性产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散。

光波在光纤中传输，随着距离的增加光功率逐渐下降，这就是光纤的传输损耗。

损耗和色散是光纤最重要的传输特性。

2.3.1光纤色散,一、光纤的色散概念1、色散,在物理光学中，色散是指由