《光纤通信》第2讲光纤1

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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 和折射率分布示于下图，这些光纤的特征如下。
双包层光纤 色散平坦光纤（Dispersion Flattened Fiber, DFF） 色散移位光纤（Dispersion Shifted Fiber, DSF）
三角芯光纤 椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤。
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。
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阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟
n0 n1
l
y
θ1
θo
L
x
现在我们来观察光线在光纤中的传播时间。 图中，入射角为θ的光线在长度为L(ox)的光纤 中传输，所经历的路程为l(oy)，在θ不大的条 件下，其传播时间即时间延迟为:
第二讲(1)
光纤
Fiber
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主要内容
1、本讲对光纤的结构和分类，光纤的导光原 理，光纤的传输特性作一介绍。
2、对于导光原理，将采用射线法进行分析。☆ 3、分析影响光纤传输性能的两大因素：
损耗及色散。☆ 4、单模光纤和多模光纤。 5、光缆及其制造。
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回忆一下——光基础知识
渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，
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纤芯
包层
n 2
n1
n 2
n2 n1 n2
n 2
n1
n 2
(a)
(b )
(c)
(a) 阶跃分布； (b) 三角分布； (c) 高斯分布
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2.2 按照光纤传输光波电磁场模式 (1) 单模光纤SM:在给定光波长下只能传播一个模的 光纤。纤芯直径应为工作波长的34倍。 (2) 多模光纤MM:在一定光波长下能传播一个以上模的 光纤。模的数量将取决于纤芯直径、数值孔径和波长。
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横截面
折射率分布 r
输入脉冲 Ai
光线传播路径
纤芯
包层
(a) 2b
2a
Baidu Nhomakorabea
n
t
r
Ai
(b) 125 m
50 m n t
r
Ai
(c) 125 m
¡«10 m
n
t
输出脉冲 Ao
t Ao
t Ao
t
(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤
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3.阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析
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
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
n1 n2
n3
2b 2a
(a)
(b)
(b)
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(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯
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飞利浦GOLD SERIES光纤，型号M62794
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24K镀金接头
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配两个3.5的方转圆适配器
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续)

n0 n2
θ2

n1
θ1

θ

θ0
第二种情况:
光线以大于θ 0的角度入射光纤端面,它产生的界面入 射角将小于θ c ，光线在包层中的折射角小于900 ，该 光线将射入包层（散失掉）。
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续)
混合模 hybrid mode :电磁波传播方向上既有电 场分量又有磁场分量的传播模。一般用HE模或EH 模表示。光纤中一般传输这种类型的模式。
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第一节 光纤结构和分类
概述： 光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽
层。中心是光传播的玻璃芯。在多模光纤中，芯 的直径是15um-50um，大致与人的头发的粗细相 当。而单模光纤芯的直径为8um-10um。芯外面包 围着一层折射率比芯低的玻璃封套，以使光线保 持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套，用来 保护封套。光纤通常被扎成束，外面有外壳保护 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双 层同心圆柱体，它质地脆,易断裂,因此需要外加 一保护层。其结构如下图：
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第一节 光纤结构和分类（续）
包层 n2
纤芯 n1
光纤的结构
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第一节 光纤结构和分类（续）
光纤的结构
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第一节 光纤结构和分类（续）
1.结构: 1.1 纤芯与包层: 1.2 外护层
2a 2b
纤芯 包层 一次涂敷 二次涂敷
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n0 n2
θ2

n1
θ1

θ

θ0
第三种情况:
光线以小于θ 0的角度入射光纤端面,它产生的界面入 射角将大于θ c ，光线在包层中的折射角大于900 ,该 光线将在界面产生全反射(从而向前传播)。
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续)

n0 n2
θ2
τ= (n1l)/c = (n1Lsecθ1 )/c ≌ (n1L)/c*(1+ θ12/2) 式中C为真空中的光速。
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阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟
由上式得到最大入射角(θ= θ0)和最小入射角 (θ=0)的光线之间时间延迟差近似为: Δτ = (n1L)/c*(1+ θ12/2)- (n1L)/c
从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如下图 所示。
自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方 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，如下图所示。
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光的偏振
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4．光的色散
如图所示，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

n1
θ1

θ

θ0
可见入射临界角θ0是个很重要的参量,它与光纤折射 率的关系为:
sin θ0 = n1 sin(900 – θc)= （n12- n22 )1/2 ≈ n1 (2△) 1/2 △为纤芯和包层的相对折射率差:
△= (n12- n22)/ 2n12 ≈(n1- n2)/n1
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第一节 光纤结构和分类（续）
2.分类: 2.1 按照光纤折射率分布 (1) 阶跃型光纤SIF 也称突变型
阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形 突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。 (2) 渐变型光纤GIF 也称梯度型
渐变型光纤纤芯的折射率n1随着半径的增加而按一 定规律（如平方律、双正割曲线等）逐渐减少，到纤芯 与包层交界处为包层折射率n2 ，纤芯的折射率不是均 匀常数。
Δτ = Lθ02 /(2n1c) ≌ LNA 2/(2n1c) ≌ (n1LΔ) /c
这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽， 或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤 的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传 输后，其时间延迟不同而产生的。
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阶跃光纤(step-index fiber)时间延迟
例: 设光纤NA=0.20，n1=1.5，L=1km，请计算 这时产生的时间延迟即脉冲展宽。
答案： Δτ ≌ LNA 2/(2n1c) ≌ (n1LΔ) /c
脉冲展宽为：Δτ = 44ns
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续)
斜射光线在光纤中的传输情况较复杂,由光线在光端面的投影 图可知,传输轨迹限定在一定的范围内,并与一圆柱面相切,该圆柱 面称为焦散面，半径为a。
2.3 按制造光纤所使用的材料分有:
石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、 全塑光纤等四种。
目前通信实际应用中多是石英光纤，以后所说的光纤也 主要是指石英光纤。实用光纤主要有三种基本类型
1）突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF） 2）渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF） 3）单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF）
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。
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名词解释
波导 waveguide：微波或光波的传输装置。能够沿 着平行于其轴的路径导引电磁场能流，同时使能量 包含在其内或于其表面相邻区域的任何结构。在媒 质中，给定折射率的一层材料，在它的两边用较低 折射率材料层加以限制，从而将波限制在较高折射 率的材料里。 导波 guided wave：传输媒质的分层将波的能量限 制在导体中（例如：光纤、波导管）传播的方法。 一种由于特有的材料特性，其能量被限制在材料的 表面之间或表面附近的波。其传播方向与材料边界 实际上是并行的。
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续)

n0 n2
θ2

n1
θ1

θ

θ0
定义光纤的数值孔径为入射临界角θ 0 的正弦,即:
NA n12 n22 n1 2
△ 越大,NA越大，光纤聚光能力越强，可得到越高的 耦合效率。
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临界光锥 c
非全反射光
全反射光
纤 芯n(＞n ) 12 包 层n(2)
临界光锥与数值孔径
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析(续)
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或 θc)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θc 内的入射光都能在光纤 中传输。
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阶跃光纤(step-index fiber)的射线光学分析

n0 n2
θ2

n1
θ1

θ

θ0
第一种情况:
根据折射(斯奈尔)定律: n0sin θ0 = n1sin θ θ0 > θ 设在包层界面全反射 即: θ2=900 令 θ1=θc
则 n1sin θc= n2 sin900 , sin θc= n2/n1 称θc 为包层界面的全反射临界角 称θ0 为入射临界角
1. 光是一种电磁波。
可见光部分波长范围是： 390~760nm(毫微米).大于760nm 部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的 较多是：850nm，1310nm，1550nm三种。
2.光的折射，反射和全反射。
因光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物 质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射 和反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变 化。当入射光的角度达到或超过某一角度时， 折射光会 消失， 入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不 同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物 质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射 角度也是不同。光纤通信就是基于以上原理而形成的。
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表中给出了一些介质的折射率。
材料 空气 水 折射率 1.003 1.33
玻璃
1.52～ 1.89
石英 1.43
钻石 2.42
光的折射
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光的反射
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3．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(完全偏振光），如下图所示， “旋光现象”。
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导波的形成
A
C


B
波的形成必须与自身发生相长干涉，否则波 就会与自身发生相消干涉而消失；
波的相位不仅在波行进时会变化，而且从介 质界面反射时也要变化；
因此，当波路径A-B-C时所产生的总相位移 必须等于2的整数倍。
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名词解释(续)
模 mode:传输媒质中电磁波的一种电磁场分布样 式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊 的场图形所表征。光纤中的传播模是由必须满足 麦克斯韦方程组和一定边界条件所决定的。
斜射光线就在芯包界面与焦散面间传输。以不同角度入射的 斜射光线，有不同的焦散面。 当a。=a时，焦散面与芯包界面重合，
折线变为螺旋线； 当a。=0时，斜射光线变为子午线。
斜射光线的数值孔径与子 午线不同，比子午线稍大。一 般用子午线来定义光纤的数值孔径。
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渐变型光纤(Graded-index fiber)的射线光学分析