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1、,2022/10/13,3,2.1 光纤的结构和类型,2.1.1 光纤的结构 1.光纤结构 n1=1.47 n2=1.2 光纤由纤芯、包层和涂覆层3部分组成，如图2-1所示。,图2-1 光纤的结构,（教材12页）,2022/10/13,4,2.1 光纤的结构和类型,（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4m50m，单模光纤的纤芯为4m10m，多模光纤的纤芯为50m。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。（2）包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125m，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂

2、剂（如B2O3）的作用则是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，它使得光信号封闭在纤芯中传输。,（教材12页）,2022/10/13,5,2.1 光纤的结构和类型,（3）涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。,（教材12页）,2022/10/13,6,2.

3、1 光纤的结构和类型,紧套光纤与松套光纤 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。,图2-3 套塑光纤结构,（教材14页）,2022/10/13,7,2.1 光纤的结构和类型,2光纤的折射率分布与光线的传播 图2-3所示为两种典型光纤的折射率分布情况。一种称为阶跃折射率光纤；另一种称为渐变折射率光纤，如图2-3（a）、（b）所示。,图2-3 光纤的折射率分布,2022/10/13,8,2.1 光纤的结构和类型,光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图2

4、-5和图2-6所示。,图2-4 光在阶跃折射率多模光纤中的传播,图2-4 光在渐变折射率多模光纤中的传播,（教材13页）,2022/10/13,9,2.1.2 光纤的分类,若按传输模的数量分类可分为多模光纤和单模光纤 若按传输波长分类可分为短波长光纤和长波长光纤 若按套塑结构分类可分为紧套光纤和松套光纤,（教材15页）,2022/10/13,10,2.1.2 光纤的分类,1按传输模数分类 按传输模的数量不同，光纤分为多模光纤和单模光纤。传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播。如图2-4所示。这些不同的光束称为模式

5、。,图2-4 光在阶跃折射率光纤中的传播,（教材14页）,2022/10/13,11,2.1.2 光纤的分类,（1）多模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）远大于光波波长时（约1m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，这样的光纤称为多模光纤。如图2-5和图2-6所示。（2）单模光纤 当光纤的几何尺寸（主要是芯径d1）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d1 在4m10m范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤称为单模光纤。如图2-7所示。,（教材14页）,2022/10/13,12,2.1.2 光纤的分类,图2-5 光在单模光纤中的传

6、播轨迹,（教材14页）,2022/10/13,13,2.1.2 光纤的分类,2按传输波长分类 光纤可分为短波长光纤和长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85m（0.8m0.9m）长波长光纤的波长为1.3m1.6m，主要有1.31m和1.55m两个窗口。3按套塑结构分类 按套塑结构不同，光纤可分为紧套光纤和松套光纤。,（教材16页）,2022/10/13,14,2.1.2 光纤的分类,4单模光纤的分类 ITU-T建议规范了G.652、G.653、G.654和G.655四种单模光纤。（1）G.652光纤 G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色散为零的波长）在1 310nm附近

7、的光纤。它的折射率分布如图2-8所示。图（a）表示的阶跃折射率设计称为匹配包层型，图（b）表示的阶跃折射率设计被称为凹陷包层型。（2）G.653光纤G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1 550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所以叫色散位移光纤。,（教材15页）,2022/10/13,15,2.1.2 光纤的分类,色散系数的单位 ps/（nm.km）物理概念：若脉冲光源中含有两个不同波长的光，二者之间的波长相差1nm，这两个光同时进入光纤，传输1km后，长波长的光先到，短波长的光后到，二者的时间差为 ps。导致光脉冲展宽。光脉冲展宽的时间=色散系

8、数 x 光纤长度 x 光源谱宽。光纤在色散系数为0的光波段，可传输的光脉冲速率最高。C波段：15301565nm L波段：15651625nm,（教材17页）,2022/10/13,16,2.1.2 光纤的分类,4单模光纤的分类（3）G.654光纤 G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口的色散较高。G.654光纤主要应用于海底光纤通信。（4）G.655光纤 由于G.653光纤的色散零点在1 550nm附近，DWDM系统在零色散波长处工作易引起四波混频效应。为了避免该效应，将色散零点的位置从1 55

9、0nm附近移开一定波长数，使色散零点不在1 550nm附近的DWDM工作波长范围内。这种光纤就是非零色散位移光纤（NDSF）。,（教材17页）,2022/10/13,17,2.1.2 光纤的分类,这四种单模光纤的主要性能指标是衰减、色散、偏振模色散（PMD）和模场直径。另：G.653光纤是为了优化1 550nm窗口的色散性能而设计的，但它也可以用于1 310nm窗口的传输。由于G.654光纤和G.655光纤的截止波长都大于1 310nm，所以G.654光纤和G.655光纤不能用于1 310nm窗口。,（教材17页）,2022/10/13,18,2.2 光纤的导光原理,1折射和折射率 光线在不同

10、的介质中以不同的速度传播，描述介质的这一特征的参数就是折射率，或称折射指数。折射率可由下式确定：n=c/v 其中是光在某种介质中的速度，是光在真空中的速度 3x108米/秒。在折射率为n的介质中，光传播速度变为c/n，光波长变为0/n（0表示光在真空中的波长）。表2-1中给出了一些介质的折射率。,表2-1不同介质的折射率,（教材18页）,2022/10/13,19,2.2 光纤的导光原理,当一条光线照射到两种介质相接的边界时，入射光线分成两束：反射光线和折射光线（如图2-9所示）。,图2-7 光的折射,图2-8 光的全反射,斯涅耳定律给出这些光线方向的规则：1=3 入射角等于反射角 n1sin

11、 1=n2sin 2 折射角与入射角的关系使折射角等于900的入射角称临界角，入射角大于临界角的光线将产生全反射，全反射是光信号在光纤中传播的必要条件。,（教材19页）,2022/10/13,20,实验作业1：全反射现象的观察,产生全反射的条件：1、均匀折射率分布的两种光媒质，n1n2 2、光线从n1高密度的媒质入射到n2低密度媒质的分界面上 3、入射角大于临界角。用一个透明的玻璃杯装上水，从水下观看水与上面空气分界面的全反射现象。,实验作业2：极化光现象的观察 从普通光源获得极化偏振光的方法：1、用光栅过滤出极化偏振光，2、用反射面（如空气与水的界面）当入射角大于起偏角后，反射光中主要含水平

12、极化光，折射光中主要含垂直极化光。判断极化光的偏振方向的方法：采用偏光镜过滤光栅（购买一个偏光太阳镜）1.水面反射光，2.水中的折射光，3.玻璃和陶瓷地砖上的反射光，4.LCD液晶显示器的极化方向,5.戴上垂直极化的偏光镜，滤除水平极化的反射光，可更清晰地观看到水下的鱼。,2022/10/13,21,2.2 光纤的导光原理,2光的偏振 光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变，这样的光称为线偏振光，如图2-9（c）和图2-9（d）所示。从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如图2-9（a）所示。自然光在传播的过程中，由于外界的影

13、响在各个振动方向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光，如图2-9（b）所示。,图2.9 光的偏振方向（教材19页）,2022/10/13,22,2.2 光纤的导光原理,3光的色散 如图2-所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。,玻璃对自然光中不同波长光的折射率不同，因此产生色散。2.正常色散：长波光的折射率n小，速度快。短波光的折射率n大，传输速度慢。3.反常色散：折射率与波长

14、的光纤与上述相反。,（教材19页）,2022/10/13,23,2.3 光纤特性,2.3.1 光纤的几何特性 光纤的几何特性包括芯直径、包层直径、纤芯/包层同心度、不圆度和光纤翘曲度等。1芯直径 芯直径主要是对多模光纤的要求。ITU-T规定，多模光纤的芯直径为503m。2包层直径 包层直径指光纤的外径，ITU-T规定，多模及单模光纤的包层直径均要求为1253m。目前，光纤生产制造商已将光纤外径规格从125.03m提高到125.01m。,（教材24页）,2022/10/13,24,2.3 光纤特性,3纤芯/包层同心度和不圆度 纤芯/包层同心度是指纤芯在光纤内所处的中心程度。目前光纤制造商已将纤芯

15、/包层同心度从0.8m的规格提高到0.5m的规格。不圆度包括芯径的不圆度和包层的不圆度。ITU-T规定，纤芯/包层同心度误差6%（单模为1.0m），芯径不圆度6%，包层不圆度（包括单模）2%。4光纤翘曲度 光纤翘曲度指在特定长度光纤上测量到的弯曲度，可用曲率半径来表示弯曲度。翘曲度（即曲率半径）数值越大，意味着光纤越直。注：纤芯/包层同心度对接续损耗的影响最大，其次是翘曲度。,（教材25页）,2022/10/13,25,2.3.2 光纤的光学特性,光纤的光学特性有折射率分布、最大理论数值孔径、模场直径及截至波长等。1折射率分布 光纤折射率分布，可用下式表示：,其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开纤芯中心的径向距离，为相对折射率差，=（n1 n2）/n1。多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择。,（教材25页）,2022/10/13,26,2.3.2 光纤的光学特性,2最大理论数值孔径（NAmax）最大理论数值孔径的定义为：,其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。光纤的数值孔径（NA）对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大，容易耦合，微弯敏感小，带宽较窄。,（教材21页）,2022/10/13,27,2.3.2 光纤的