第2章光纤 口光纤结构 口光纤传输原理 口单模光纤 口多模光纤 口光纤使用特性和产品介绍
第2章 光纤 光纤结构 光纤传输原理 单模光纤 多模光纤 光纤使用特性和产品介绍
光纤是光纤通信系统的传输介质,它具有传输损耗低、传输容量大 的特点。对于光纤而言,其衰减和色散特性是影响系统性能的主要因素。 当入射到光纤内的光功率较大时,光纤呈现的非线性效应对系统的传输 会产生较大的影响。 随着技术的发展,光纤的性能也不断地得到改善,新的光纤品种不 断出现,其价格也逐年下降,应用范围得到了进一步的扩展。为了对光 纤通信系统有一个全面的了解,必须认识光纤的工作原理及其性能,以 便根据实际使用环境选择光纤产品,保证光纤性能稳定、系统可靠地运 行 本章用几何光学和波动方程两种方法阐述了光纤中光的传输机理 在此基础上,对单模光纤和多模光纤传输特性进行了分析,并介绍了光 纤制作工艺、光纤产品及其光纤的使用特性
光纤是光纤通信系统的传输介质，它具有传输损耗低、传输容量大 的特点。对于光纤而言，其衰减和色散特性是影响系统性能的主要因素。 当入射到光纤内的光功率较大时，光纤呈现的非线性效应对系统的传输 会产生较大的影响。 随着技术的发展，光纤的性能也不断地得到改善，新的光纤品种不 断出现，其价格也逐年下降，应用范围得到了进一步的扩展。为了对光 纤通信系统有一个全面的了解，必须认识光纤的工作原理及其性能，以 便根据实际使用环境选择光纤产品，保证光纤性能稳定、系统可靠地运 行。 本章用几何光学和波动方程两种方法阐述了光纤中光的传输机理， 在此基础上，对单模光纤和多模光纤传输特性进行了分析，并介绍了光 纤制作工艺、光纤产品及其光纤的使用特性
2.1光纤结构 按照光纤横截面上径向折射率的分布特点,我们把光纤分为阶跃折射率 光纤和渐变折射率光纤两大类 2.1.1阶跃折射率光纤 阶跃折射率光纤的折射率分布如图21.1所示。图(a)、(b)分别为单 模和多模阶跃折射率光纤示意图。 光线 :)(a)单模阶跃折射率光纤 光线 n1 (b)多模阶跃折射率光纤 图2.1.1阶跃折射率光纤示意图 图中,2a为纤芯直径,2b为包层直径,纤芯和包层的折射率都是常数, 分别为n1和n2。为了满足光在纤芯内的全内反射条件,要求。在纤芯和 包层分界面处,折射率呈阶跃式变化,用数学形式表示为 r<a H2,a≤r≤b (2.1.1) 多树价跃光纤时在着大的间色胶,使用受到国回
2.1 光纤结构 按照光纤横截面上径向折射率的分布特点，我们把光纤分为阶跃折射率 光纤和渐变折射率光纤两大类。 2.1.1 阶跃折射率光纤 阶跃折射率光纤的折射率分布如图2.1.1所示。图（a）、（b）分别为单 模和多模阶跃折射率光纤示意图。 图2.1.1 阶跃折射率光纤示意图 图中，2a为纤芯直径，2b为包层直径，纤芯和包层的折射率都是常数， 分别为n1和n2。为了满足光在纤芯内的全内反射条件，要求。在纤芯和 包层分界面处，折射率呈阶跃式变化，用数学形式表示为 （2.1.1） 多模阶跃光纤由于存在着较大的模间色散，使用受到了很大限制。 光线 n2 n1 n r 2b 2a (a) 单模阶跃折射率光纤 (b) 多模阶跃折射率光纤 r 光线 2b 2a n n1 n2 = n a r b n r a n , , 2 1
2.1.2渐变折射率光纤 渐变折射率光纤纤芯中折射率不是常数,而是在纤芯中心最大,为n1,沿径向 (「方向)按一定的规律逐渐减小至n2,包层中折射率不变仍为n2。其折射率分 布是: m()={n1-2△( r<a n, <r<6 (2.1.2) 式中,「是光纤的径向半径,参数决定折射率形式。Δ为相对折射率差。Δ值越大, 把能量束缚在纤芯中传输的能力越强,对渐变多模光纤而言,其典型值为0.015。 图2.1.2示出了多模渐变折射率光纤中折射率分布和光线传输示意图,与阶跃型 光纤不同的是,光线传播的路径是连续的弯曲线。 表2.1列出了阶跃型单模光纤、阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤的典型参数。 光线 图212渐变折射率光纤
2.1.2 渐变折射率光纤 渐变折射率光纤纤芯中折射率不是常数，而是在纤芯中心最大，为n1，沿径向 （r方向）按一定的规律逐渐减小至n2，包层中折射率不变仍为 n2。其折射率分 布是： （2.1.2） 式中，r是光纤的径向半径，参数决定折射率形式。Δ为相对折射率差。Δ值越大， 把能量束缚在纤芯中传输的能力越强，对渐变多模光纤而言，其典型值为0.015。 图2.1.2示出了多模渐变折射率光纤中折射率分布和光线传输示意图，与阶跃型 光纤不同的是，光线传播的路径是连续的弯曲线。 表2.1列出了阶跃型单模光纤、阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤的典型参数。 − = n a r b r a a r n n r , 1 2 ( ) , ( ) 2 1/ 2 1 图2.1.2 渐变折射率光纤 r 光线 2b 2a n n1 n2
表2.1光纤的典型参数 多数 阶跃雄核光纤 阶跃多糗光纤 渐变多糗光纤 0.003 0.02 0.015 芯径24(m) 了~10 100 50~62.5 包瓜直2b(ma) 125 140 125 可用光源 LD LED LED, LD 工作波长 1310,1550 0,1310130 850 850,1310.15 应用场合 长距腐,高速 低速,短距腐 中距腐,高速
2.2光纤传输原理 由物理学可知,光具有粒子性和波动性,对其分析也有两种方法:一是几何光 学分析法,二是波动方程分析法。 22.1几何光学分析法 几何光学分析法是用射线光学理论分析光纤中光传输特性的方法。这种分析方 法的前提条件是光的波长要远小于光纤尺寸,用这种方法可以得到一些基本概 念:全内反射、数值孔径等,其特点是直观、简单 1.全内反射 光在不同介质中的传播速度不同,描述介质对光这种作用的参数就是折射率, 折射率与光之间的关系为 (2.2.1) 式中,c是光在真空中的传播速度,C=3×108ms,是光在介质中的传播速度, n是介质的折射率。空气的折射率近似为1。折射率越高,介质材料密度越大, 光在其中传播的速度越慢。 在均匀介质中,光是直线传播的,当光由一种折射率介质向另一种折射率介质 传播时,在介质分界面上会产生反射和折射现象,见图221
2.2 光纤传输原理 由物理学可知，光具有粒子性和波动性，对其分析也有两种方法：一是几何光 学分析法，二是波动方程分析法。 2.2.1 几何光学分析法 几何光学分析法是用射线光学理论分析光纤中光传输特性的方法。这种分析方 法的前提条件是光的波长要远小于光纤尺寸，用这种方法可以得到一些基本概 念：全内反射、数值孔径等，其特点是直观、简单。 1. 全内反射 光在不同介质中的传播速度不同，描述介质对光这种作用的参数就是折射率， 折射率与光之间的关系为 （2.2.1） 式中，c是光在真空中的传播速度，c＝3×108m/s，是光在介质中的传播速度， n是介质的折射率。空气的折射率近似为1。折射率越高，介质材料密度越大， 光在其中传播的速度越慢。 在均匀介质中，光是直线传播的，当光由一种折射率介质向另一种折射率介质 传播时，在介质分界面上会产生反射和折射现象，见图2.2.1。 c n =
入射光 反射光 入射光 反射光 n1(光密介质) 界面θ1增加 n1(光密介质 界面 n2(光疏介质) 折射光 折射光 入射光 反射光 入射光 反射光 n1(光密介 界面01>c(光密介质 界面 n(光疏 折射光 T个前 图221光由光密介质向光疏介质的入射
入射光 反射光 折射光 θ1 θ2 θ3 n1 n2 界面 (光疏介质) (光密介质) 入射光 反射光 折射光 θ1 θ2 θ3 n1 n2 (光密介质) 界面 (光疏介质) θ1增加 入射光 反射光 折射光 θ1 θ2＝900 θ3 n1 n2 (光密介质) 界面 (光疏介质) θ1＝θC 入射光 反射光 θ1 θ3 n1 n2 (光密介质) 界面 (光疏介质) θ1>θC 图2.2.1 光由光密介质向光疏介质的入射
由斯涅尔定理可知,入射光、反射光以及折射光与界面垂线间的角度满 足下列关系 In, sin 0, =n, sin 0, (2.2.2) 式中,日1、θ2和63分别称为入射角、折射角和反射角。我们将折射率较 大的介质称为光密介质,折射率较小的称为光疏介质,由(2.2.2)式可 知,当光由光疏介质进入光密介质时,折射角小于入射角;反之,光由 光密介质进入光疏介质时,折射角大于入射角。在这种情况下 将沿着分界面传播,此时对应的入射角称为临界入射角,记为O’折射光 (n1>n2),随着入射角的增大,折射角也增大 =90时 图22.1光由光密介质向光疏介质的入射 由(2.2.2)式可求得临界入射角:n1snbc=n2sn90°,即 8c= arcsin( n2 (2.2.3)
由斯涅尔定理可知，入射光、反射光以及折射光与界面垂线间的角度满 足下列关系 （2.2.2） 式中，θ1、θ2和θ3分别称为入射角、折射角和反射角。我们将折射率较 大的介质称为光密介质，折射率较小的称为光疏介质，由（2.2.2）式可 知，当光由光疏介质进入光密介质时，折射角小于入射角；反之，光由 光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角。在这种情况下 （n1>n2），随着入射角的增大，折射角也增大，当 时，折射光 将沿着分界面传播，此时对应的入射角称为临界入射角，记为 。 图2.2.1 光由光密介质向光疏介质的入射 由（2.2.2）式可求得临界入射角： ，即 （2.2.3） 0 2 = 90 c 0 n1 sin C = n2 sin 90 arcsin( ) 1 2 n n C = = = 1 1 2 2 1 3 sin sin n n
如果入射光的入射角,所有的光将被反射回入射介质,这种现象称之为 全反射,光纤就是利用这种折射率安排来传导光的:光纤纤芯的折射率 高于包层折射率,在纤芯与包层的分界面上,光发生全内反射,沿着光 纤轴线曲折前进,如图2.2.2所示。我们将光纤内的光线分成两类:一类 是子午光线,见图2.2.2(a)。另一类是斜光线,见图222(b)。子午 光线是在与光纤轴线构成的平面(子午面)内传输,斜光线则在传播的 过程中不固定在一个平面内。 (a)子午光线 b)斜光线 图222子午光线和斜光线
如果入射光的入射角，所有的光将被反射回入射介质，这种现象称之为 全反射，光纤就是利用这种折射率安排来传导光的：光纤纤芯的折射率 高于包层折射率，在纤芯与包层的分界面上，光发生全内反射，沿着光 纤轴线曲折前进，如图2.2.2所示。我们将光纤内的光线分成两类：一类 是子午光线，见图2.2.2（a）。另一类是斜光线，见图2.2.2（b）。子午 光线是在与光纤轴线构成的平面（子午面）内传输，斜光线则在传播的 过程中不固定在一个平面内。 （a) 子午光线 (b) 斜光线 n1 n2 图2.2.2 子午光线和斜光线
2.数值孔径 数值孔径是光纤一个非常重要的参数,它体现了光纤与光源之间的耦合 效率。图2.23示出了光源发出的光进入光纤的情况。 包层n T 光 源 纤芯 包层 光纤端面 图22.3光源出射光与光纤的耦合
2. 数值孔径 数值孔径是光纤一个非常重要的参数，它体现了光纤与光源之间的耦合 效率。图2.2.3示出了光源发出的光进入光纤的情况。 图2.2.3 光源出射光与光纤的耦合 θc 包层n2 纤芯n1 包层n2 θ0 αc 光 源 空气n0＝1 光纤端面