第2章光纤传输原理详解

光纤的导光原理
例：一阶跃折射率分布光纤的参数为n1=1.52，n2=1.49。 （1）光纤放在空气中，光从空气中入射到光纤端面轴线处 的最大可接收角是多少？ （2）光纤浸在水中（水的折射率为1.33），光从水中入射 到光纤端面轴线处的最大可接收角是多少？
解：
2 n0 sin a n12 n2 1.522 1.492 0.30
12.12o
光纤的导光原理
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。 解：
n1 n2
n1 n2 0.002 n1
c n2 7 BL 1010 (bit/s) km 100(Mbit/s) km 2 n1
光纤的导光原理
光纤的结构和分类
光纤的分类
1.按光纤的材料分类 （1）石英光纤 ；（2）塑料包层光纤；(2）全塑光纤 ； 2.按光纤截面上折射率分布分类 （1）阶跃型光纤；（2）渐变型光纤
；
n ,0 r a n( r ) 1 n2 , r a 其中，n1和n2为常数，且n1 n2
1 n1 1 - 2 (r/a)g 2 ,0 r a n( r ) n2 , r a 其中，n2为常数


图
光纤的折射率分布
G.652、 G.653、 G.655 的色散参数
G.653光纤在1.550μ m处色散为零，它非常适合于长距离单信道光纤通信系统
G.652光纤在1.310μ m处色散为零
G.655光纤在零点在1.525μm或1.585 μm附近
光纤的导光原理
研究方法—利用光学理论分析
光通信原理与技术
光纤传输原理
电子信息科学与技术教研室
光纤的结构和分类
光纤的结构
1. 光纤结构 光纤由纤芯、包层和护套层（涂覆层）3部分组成。
图 光纤的结构
光纤的结构和分类
（1）纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。 成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5） 掺杂剂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。 成分也是含有极少量掺杂剂（如B2O3）的高纯度SiO2。 掺杂剂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n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。 （3）护套层：光纤的最外层。包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂 覆层。 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
定性分析 几何光学 适用条件 研究对象 定量分析 波动光学
d
光线
d
模式
基本方程 研究方法 研究内容
射线方程 折射/反射定理 光线轨迹
ຫໍສະໝຸດ Baidu波导场方程 边值问题 模式分布
光纤的导光原理
光波在两个介质交界面的反射和折射 光波是一种电磁波，在均匀介质中传播时，光波轨 迹是一条直线，称为光射线。
（2）数值孔径NA
NA sin max n1 n2 n1 2 Φ max= arc sin(NA)
2
2
光纤的导光原理
数值孔径的特性
NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。
意义：无论光源发射功率有多大，只有2θ i张角之内的 光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
光的偏振
10
光纤的导光原理
小结
满足全反射条件—可以耦合进入光纤 满足横向谐振条件—能在光纤中持续传播 光纤中传输的是离散的模式 同时满足满足全反射条件和满足横向谐振条件 —能在光纤中传输
光纤的导光原理
光纤的光学参数
（1）相对折射率差

n1 n2 2n1
2
2
2
简化

n1 n2 n1
光纤的导光原理
光波的全反射
n2 n1 1
2 1`
根据折射定律: n1 sin 1 n2 sin 2 临界状态： 2

2 临界角： c 1 arcsin(n2 / n1 )
光纤的导光原理
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c和图d所示。 从普通光源发出的光不是 偏振光，而是自然光，如图a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，如图b所示。
为了分析渐变型光纤中光的传播，将纤芯划分成若干 同轴的薄层 ，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率 从里到外逐渐减小，即有 n11 ＞ n12 ＞ n13＞ n14＞…。 若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交 界面时，由于是从光密介质射向光疏介质，折射接角大于入 射角，光线将折射进第二层射向与第三层的交界面，并再次 发生折射进入第三层，依次第推，由于光线都是从光密介质 射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。
2 34.92 最大可接收角 2 a arcsin(0.30) n0 n0 （1）空气n0=1，2a 34.92
（2）水n0=1.33，2a 26.26
光纤的导光原理
例：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Δ ；（2）数值孔径NA； （3）入射临界角θ max 。
n1 n2 1.500 1.485 解： 0.01 （1）相对折射率差Δ ： n1 1.500
（2）数值孔径NA： NA n1 2 1.500 2 0.01 0.21 （3）入射临界角θ
max
： max sin 1 ( NA) sin 1 (0.21)
n2 n1 1
2 1`
光的反射、折射
光纤的导光原理
1、斯涅尔定律 建立反射波、折射波和入射波方向之间的关系 反射：1=1， 折射：n1sin1 =n2sin2 2、菲涅尔公式 建立反射波、折射波和入射波能量之间的关系 E1' 反射系数R 其中，E1为入射光能量，E1’为 E1 反射光能量，E2为折射光能量 E2 折射系数T E1