利用matlab模拟光纤传光知识讲解.docx
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利用matlab模拟光纤传光知识讲解
利用matlab模拟光纤传光
利用matlab模拟光纤传光
摘要
本文主要以阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤、阶跃型单模光纤为研究对象，通过对光纤传光路径分析，加深对光纤的认识；深入理解光纤的传光原理；掌握光纤的传输条件，应用几何光学理论主要研究光波在光纤内的传输，分别对单模光纤中光的传输，多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率光纤中光的传输情况进行了研究，并对它们具体的传播路径用matlab软件进行了模拟。
关键词光纤matlab模拟传光
1对光纤的认识
1.1光纤传输原理
光纤是一种传输介质，是依照光的全反射的原理制造的。
光纤是一种将讯息从一端传送到另一端的媒介，是一条以玻璃或塑胶纤维作为让讯息通过的传输媒介。
光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。
一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。
光纤有两项主要特性：
即损耗和色散。
光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km），关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。
光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。
每单位长度的脉冲展宽（ns/km），影响到一定传输距离和信息传输容量。
1.2光纤材料
纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。
掺杂的作用是提高材料的光折射率。
纤芯直径约5~~75μm。
光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100~200μm上下。
包层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。
掺杂的作用是降低材料的光折射率。
这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。
两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。
包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。
涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。
光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。
1.3光纤分类
光纤光纤正处在新产品的不断涌现的发展时期，种类不断增多，而且千变万化。
近年来用于传感器的特殊光纤发展尤迅速。
目前一般分类方法如下：
1．按传输模分：
（1）单模光纤。
单模光纤纤芯直径仅几个厘米，加包层和涂敷层后也仅几十个微米到125微米。
纤芯直径接近波长。
单模光纤采用窄芯线，使用激光作为发光源，所以其地散极小；另外激光是发一个方向射入光纤，而且仅有一束，使用其信号比较强，可以应用于高速度、长距离的应用领域中，便也合得它的成本相对更高。
（2）多模光纤。
多模光纤纤芯直径有50微米，加包层和涂敷层有50微米。
纤芯直径远远大于波长。
多模光纤广泛地应用于短距离或相对速度更低一些的领域中，它采用LED作为光源，使用宽芯线，所以其散较大；在加上整个光纤内有以多个角度射入的光，所以其信号不如单模光纤好，但相对低的价格是它的优势。
2．按折射率分布分：
折射率分布类光纤可分为阶跃式光纤和渐变式光纤。
阶跃式光纤纤芯的折射率和保护层的折射率都是一个常数。
在纤芯和保护层的交界面,折射率呈阶梯型变化。
渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小,在纤芯与保护层交界处减小为保护层的折射率。
纤芯的折射率的变化近似于抛物线。
1.4光纤传输过程
由发光二极管LED或注入型激光二极管ILD发出光信号沿光媒体传播，在另一端则有PIN或APD光电二极管作为检波器接收信号。
对光载波的调制为移幅键控法，又称亮度调制（IntensityModulation）。
典型的做法是在给定的频率下，以光的出现和消失来表示两个二进制数字。
发光二极管LED和注入型激光二极管ILD的信号都可以用这种方法调制，PIN和ILD检波器直接响应亮度调制。
功率放大——将光放大器置于光发送端之前，以提高入纤的光功率。
使整个线路系统的光功率得到提高。
在线中继放大——建筑群较大或楼间距离较远时，可起中继放大作用，提高光功率。
前置放大——在接收端的光电检测器之后将微信号进行放大，以提高接收能力。
1.5光纤传输特性
光纤不是用电子信号来传输数据，而是使用光脉部来传输传输信号。
正是这种特殊的材质，使它拥有电缆无法比拟的优点：
（1）频带极宽：
拥有极宽的频带范围，以GB位作为度量；
（2）抗干扰性强：
由于光纤中传输的是光束，光束是不会受外界电磁干扰影响；
（3）保密性强：
由于传输的是光束，所以本身不会向外幅射信号，有效地防止了窃听；
（4）传输速度快：
光纤是至今为止传输速度最快的传输介质。
（5）传输距离长：
它的主减极小，在较大的范围内是一个常数，在许多情况下几乎可以忽略不计的，在这方面比电缆优越很多。
1.6光纤发展历史
1880年，贝尔发明了一种利用光波作载波传递话音信息的"光电话"，它证明了利用光波作载波传递信息的可能性，是光通信历史上的第一步。
1960年，美国科学家梅曼（Meiman）发明了第一个红宝石激光器。
激光（LASER:
LightAmplificationbyStimulatedEmissiionofRadiation）与普通光相比，谱线很窄，方向性极好，是一种频率和相位都一致的相干光，特性与无线电波相似，是一种理想的光载波。
因此，激光器的出现使光波通信进入了一个崭新的阶段。
1966年，英籍华人高锟（K.C.Kao）博士首次利用无线电波导通信的原理，提出了低损耗的光导纤维（简称光纤）的概念。
1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20db/km（光波沿光纤传输１km后，光的损耗为原有的１％）的石英光纤，它是一种理想的传输介质。
同年，贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光器（LD）。
从此，开始了光纤通信迅速发展的时代，因此人们把1970年称为光纤通信的元年。
1974年，贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，称作"改进的汽相沉积法（MCVD）"，光纤损耗下降到1db/km。
1976年，日本电报电话公司研制出更低损耗光纤，损耗下降到0.5db/km。
1976年，美国在亚特兰大成功地进行了44.7Mbit/s的光纤通信系统试验。
日本电报电话公司开始了64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验，并研制成功1.3微米波长的半导体激光器。
1979年，日本电报电话公司研制出0.2db/km的极低损耗石英光纤（1.5微米）。
1984年，实现了中继距离50km、速率为1.7Gbit/s的实用化光纤传输系统。
1990年，使用了1.55微米长波长单模光纤传输系统，实现了中继距离超过100km、速率为2.4Gb/s的光纤传输。
90年代以来，第四代光纤通信系统以频分复用增加速率和使用光放大器增加中继距离为标志，可以使用（也可以不使用）相干接收方式，使系统的通信容量以成数量级地增加，已经实现了在2.5Gb/s速率上传输4500km和10Gb/s的速率上传输1500km的试验。
目前，正在研究开发光弧子通信系统。
光弧子，即由于光纤的非线性效应与光纤色散相互抵消，使光脉冲在无损耗的光纤中保持其形状不变地传输的现象。
光弧子通信系统将使超长距离的光纤传输成为可能，试验证明，在2.5Gb/s的码率下光弧子沿环路可传输14000km的距离。
1.7光纤应用
光纤液面探测器工作原理光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。
因此光纤技术在很多方面都有很大的应用，现简单介绍如下：
一、光纤液位传感器：
在我国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。
长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。
光纤液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采用光纤光缆采集和传输信号，做到现场无电检侧，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。
即将投产的光纤液位传感器价调查和分析表明，目前全国年需求量应在1万台以上，而1日市场需求仍在快鹏长如。
二、接入网技术：
所谓光接入网（OAN）就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。
通常，OAN指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。
光纤的应用还有：
光纤高温测量仪、光纤阀位回讯器等。
2光纤传光理论分析
光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。
本章中我们仅从几何光学的角度讨论光纤中光的传光路径问题，使我们能够更直观、形象的理解光纤传光理论。
对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可以把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。
2.1光在均匀介质中的反射与折射特性
光波在空间是沿着直线传播的，当光波遇到两种不同介质的交界面时会发生反射和折射现象并遵循斯奈尔定律。
（1）斯奈尔反射定律：
入射光在两种介质的界面发生反射时，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分居法线的两侧,反射角θ3等于入射角θ1,即θ1=θ3。
（2）斯奈尔折射定律：
入射光在两种介质的界面发生折射时，折射光线位于入射光线和法线NN’所决定的平面内,折射光线和入射光线分居法线的两侧,入射角θ1和折射角Φ2有这样的关系:
n1sinθ1=n2sinθ2。
2.2光的全反射
当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，根据折射理论，折射角将大于入射角，当入射角θi增大时，折射角也随之增大。
当入射角增大到某一角度θC时，折射角θt=90°，折射角为90°时，对应的入射角θi称为临界角θC。
这时折射定律变为：
sinθC/sin90°=n1/n2，sinθC=n2/n1。
当入射角θi大于临界角θC时，即θi>θC时，光由两种介质的界面按θr=θi的角度全部反射回第一种介质中，这种现象称为光的全反射。
并且只有当光从折射率大的介质入射到折射率小的介质时，才能产生全反射。
2.3光纤中光波的传播原理及导光条件
光纤中光波的传播光线分为两类：
子午光线和斜射光线。
光在光纤中传播路径始终在同一平面内时，这种光线在纤维光学中称为子午光线。
另一种光线不在一个平面内，不经过光纤的轴心线。
当入射光纤后碰到边界时，作内部全反射。
这种光线在断面上的投影为折线，称为斜光线。
本文以子午射线为例对光纤中光的传输情况进行分析。
根据光纤中传输模式的数量可将光纤分为单模光纤和多模光纤。
在单模光纤中只有基模传输。
多模光纤既可以传播基模也可以同时传输其他模式。
目前，在通信领域最常用的多模光纤有两种类型：
阶跃型多模光纤和梯度型多模光纤。
阶跃光纤和梯度光纤中纤芯和包层的折射率分布如图所示。
从图可以看出阶跃折射率光纤纤芯的折射率是均匀的，包层的折射率稍低一些。
光纤中纤芯到玻璃包层的折射率是突变的，只有一个台阶，这也是阶跃型折射率多模光纤名称的由来。
梯度折射率光纤中纤芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小的。
这种相对于阶跃折射率光纤的改变可以克服很多阶跃折射率光纤的缺点，所以现在市场上的多模光纤多为梯度型光纤。
2.3.1单模光纤中光的传播
单模光纤：
中心玻璃芯很细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。
故称为单模光纤。
由于单模光纤的特点，其模间色散很小，适用于远程通讯，但单模光纤存在着材料色散和波导色散。
在1.31μm波长处，单模光纤的总色散为零。
从光纤的损耗特性来看，它的低损耗窗口在1.31μm处。
光在单模光纤中的传播轨迹，简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播。
单模光纤之所以会有这样的传光轨迹，是因为在单模光纤中仅有一种模式的光波能够传播，而其它模式的光波全部被截止。
图中平行于光纤轴线传播的光线即代表基模光波的传播。
2.3.2多模阶跃折射率光纤中光的传输
本文只研究子午光线在光纤中的传输，当光线传播到纤芯/包层界面上时，将发生反射和折射现象，为使光线传播距离能够很远，必须使光线在纤芯/包层界面上不发生折射，也就是说光在纤芯/包层界面上必须满足全反射的条件，才能保证光的传输。
若使子午光线在多模阶跃型光纤中以全反射形式向前传播，必须保证三点：
（1）纤芯折射率n1必须大于包层折射率n2，即：
n1>n2。
（2）光线在纤芯/包层界面上必须发生全反射，包层内折射光线的折射角大于或等于90°，则对应的纤芯的入射光线的入射角Φ1必须大于或等于临界角Φc，即：
Φ1≥Φc。
（3）对应光纤入射端面上的入射光线的入射角θ（又称孔径角）必须小于或等于临界孔径角θc，即：
θ≤θc。
因此，入射子午光线在多模阶跃型光纤中传播的条件是：
n1>n2，Φ1≥Φc，θ≤θc。
2.3.3多模梯度折射率光纤中光的传输
阶跃型多模光纤模间色散很大，脉冲展宽严重，传输带宽很窄。
为了尽量减小模式色散，人们设计了梯度折射率分布的光纤。
为分析梯度型多模光纤中光线的传播，采用级限逼近法，按照阶跃型多模光纤的分析思路作近似处理：
将沿光纤半径γ方向连续变化的折射率分割成不连续的若干薄层且假设每一薄层的折射率是近似均匀的。
3matlab模拟传光
在本文中采用阶跃型单模光纤、阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤作为研究对象，应用几何光学理论分析光纤的传光路径并利用MATLAB软件对其传光路径进行了模拟。
3.1模拟光在单模光纤中的传播
首先启动运行MATLAB，在它的命令窗口输入程序，将得到如图所示的图形，这就是要得到的在单模光纤中光的传播路径。
从图中可以发现，光纤中的光只在纤芯轴线上进行传播。
这是因为在单模光纤中只有基模光波能够传播，其他模式的光波都被截止。
3.2模拟光在多模阶跃折射率光纤中传播
阶跃折射率光纤中光的实际传播轨迹为在纤芯中心与纤芯/包层界面之间来回反射并向前传播。
三种情况如下：
（a）中光波射入光纤的入射角为θi=θmax，θmax为第三章第一节中光线在纤芯/包层界面上发生全反射时的临界角。
由图可知此时，光线进入光纤后，在纤芯中传播，当光线到达纤芯/包层界面时光线将不再向包层中传播，而只在纤芯/包层边界处向前传播。
（b）中光波射入光纤的入射角为θi>θmax，由图可知此时，光线进入光纤后，从纤芯传播到纤芯/包层界面时光线折射进包层，在包层中继续传播。
这些折射光在包层中损耗比较大，每折射一次能量就会损耗一些。
不言而喻，这种情况下光不可能被传播很远，能量很快就会全部被消耗殆近。
显然，这不是要获得的光纤中光传输的理想情况。
（c）中光波射入光纤的入射角为θi<θmax，由图可知此时，光线进入光纤后，从纤芯传播到纤芯/包层界面时光线将不再折射进包层，而是全部返回了纤芯中。
这种情况下光在纤芯/包层界面上满足了全反射定律，这也使得光在光纤中能够远距离传输而能量没有被消耗殆尽。
（a）光波射入多模阶跃光纤的入射角为θi=θmax时光纤中光波的传播路径
（b）光波射入多模阶跃光纤的入射角为θi>θmax时光纤中光波的传播路径
（c）光波射入多模阶跃光纤的入射角为θi<θmax时光纤中光波的传播路径
3.3模拟光在梯度折射率光纤中传播
梯度折射率光纤中光的实际传播轨迹为在纤芯内沿着曲线向前传播。
由于梯度折射率光纤的纤芯的折射率是从纤芯中心到纤芯/包层界面之间由大到小逐渐递变的。
使得进入光纤的光线在纤芯内传播的过程中不再像在阶跃折射率光纤中那样沿着直线在纤芯/包层界面之间来回反射向前传播，而是以正弦曲线的方式在纤芯内向前传播。
由于在纤芯内折射率是从纤芯中心向两边递减的，使得靠近纤芯中心的光线的传播速度快，远离纤芯中心的光线的传播速度慢。
4结论分析
单模光纤的中心玻璃芯很细（芯径一般为9或10μm），只能传一种模式的光。
因此，其模间色散很小，适用于远程通讯。
在使用计算机对光纤传光路径进行模拟的过程中，可以发现，在单模光纤中，只有一种模式（基模）的光波被传输，而高阶模，则全被截止。
表现出了只有一条直线沿着光纤纤芯的中心向前传播。
可以看出单模光纤中的光线不进入包层和涂覆层，而使其完全避免了色散和光能量的浪费。
所以单模光纤传输光的距比多模光纤要远得多。
一般情况下单模光纤的传输距离也能达到50Km—100Km，所以它非常适宜于长距离传输。
对于阶跃型折射率光纤，纤芯的折射率是均匀的，光纤的纤芯中心到玻璃包层的折射率是突变的，光纤的纤芯折射率高于包层折射率。
在对阶跃折射率光纤的传光路径进行模拟的过程中，也可以发现，正是由于阶跃折射率光纤的上述结构性质，所以当光以入射角小于临界角入射进阶跃折射率光纤中之后，光在纤芯/包层交界面上不断产生全反射而向前传输。
这种光纤的传输模式很多，而且各种模式的传输路径不一样，经传输后到达终点的时间也不相同，因而产生了时延差，使光脉冲受到展宽。
所以这种光纤的模间色散高，传输频带不宽，传输速率不能太高，用于通信不够理想，只适用于短途低速通讯中。
对于梯度型折射率光纤，它的包层折射率分布与阶跃光纤一样，为均匀的。
但光纤的纤芯中心到玻璃包层的折射率是逐渐变小的，可使高次模的光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，这解决了阶跃光纤存在的弊端，但成本较高，现在使用的多模光纤多为梯度型光纤。
5设计总结
课程设计是培养学我们综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对我们实际工作能力的具体训练和考察过程。
我设计的是利用matlab模拟光纤传光，因为是第一次接触这个软件，所以此次设计花费精力很大。
起初不知该如何下手，后来通过老师的帮助，上网查询和查阅相关书籍资料，有点头绪了。
后面经过自己努力和请教同学，总算完成了设计。
这次实践使我认识到了我现在所学的知识还远远不够，在实际操作应用过程中还有些问题不能独立解决，所以我会在今后的学习中更加努力学习，学好自己的专业知识，来适应发展迅速的现代社会。
参考文献
[1]蔡旭辉主编.matlab基础与应用教程，北京人民邮电出版社，2009年8月
[2]郁道银主编.工程光学，机械工业出版社,2006年1月第2版
[3]王辉，王平，于虹.光纤通信.北京：
电子工业出版社，2009，1
[4]郭玉斌.光纤通信技术.西安：
西安电子科技大学出版社，2008，9
[5]胡先志.光纤与光缆技术.北京：
电子工业出版社，2007，1
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