光纤结构和类型PPT课件
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难点：
光纤传输的波动理论
.
3
2.1 光纤结构和类型
2.1.1 光纤结构
光纤（Optical Fiber）的典型结构是 多层同轴圆柱体，如图所示，自内向外 由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。
.
4
光纤结构图
.
5
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更 低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并 起一定的机械保护作用。
.
22
2.2.1 几何光学方法
用几何光学方法分析光纤传输原理， 我们关注的问题主要是光束在光纤中传 播的空间分布和时间分布，并由此得到 数值孔径和时间延迟的概念。
.
23
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பைடு நூலகம்时间分布。
几何光学法分析问题的两个角度：
NA= n0 sin (θmax)
.
30
.
31
得光纤的数值孔径为：
NA= n0 sin (θmax) = n12 n22
光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折 射率n1和n2 ，与光纤的直径无关。
.
32
光纤的数值孔径NA表示光纤接收和传 输光的能力，NA(或θmax)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。
折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径 只有8~10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴 线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式 （只传输主模），所以称为单模光纤，其信号 畸变很小。
.
14
单模光纤
.
15
相对于单模光纤而言，突变型光纤和 渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳 数百个模式，所以称为多模光纤。
对于无损耗光纤，在θmax内的入射光 都能在光纤中传输，如图。
.
33
光纤的数值孔径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。
• 突变型多模光纤
• 渐变型多模光纤
.
24
一、突变型多模光纤
为简便起见，以突变型多模光纤的交 轴光线(子午光线)为例，进一步讨论光纤 的传输条件。
设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，
空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴
一致。
.
25
二. 突变型多模光纤导光原理
突变型多模光纤导光原理图
.
26
与内光线入射角的临界角θc相对应，光 纤入射光的入射角θi有一个最大值 θmax 。 θmax 称为光纤端面入射临界角（简称入射临
色散平坦光纤适用于波分复用系统， 这种系统可以把传输容量提高几倍到几 十倍。
.
20
三角芯光纤有效面积较大，有利于提 高输入光纤的光功率，增加传输距离。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相 干光系统，这种系统最大优点是提高接收 灵敏度，增加传输距离。
.
21
2.2 光纤传输原理
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
设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能 量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。
涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦 伤。
.
6
2.1.2 光纤类型
1、光纤的主要成分
目前通信用的光纤主要是石英系光纤，其 主要成分是高纯度石英玻璃，即二氧化硅 ( SiO2 ) 。
如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂
.
9
突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF）
纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层 突 然 变 为 n2 。 这 种 光 纤 一 般 纤 芯 直 径 2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中 心轴线方向传播，特点是信号畸变大。
.
10
突变型多模光纤 (多模阶跃折射率光纤)
.
11
渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF）
在纤芯中心折射率最大为n1 ，沿径向r向 外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤 一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状 沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变 小。
.
12
渐变型多模光纤 (多模渐变射率光纤)
.
13
单模光纤（Single Mode Fiber, SMF）
三角芯光纤:
改进的色散移位光纤
椭圆芯光纤:
双折射光纤或偏振保持光纤。
.
18
主要用途：
突变型多模光纤 只能用于小容量短距 离系统。
渐变型多模光纤 适用于中等容量中等 距离系统。
单模光纤 用在大容量长距离的系统。
.
19
特种单模光纤大幅度提高光纤通信 系统的水平:
1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s 容量的100km 的超大容量超长距离系统。
渐变型多模光纤和单模光纤，包层外 径2b都选用125μm。
.
16
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 构和折射率分布下图所示：
n1 n2
n3
2a′2a
(a)
(b)
(b)
(a) 双包层； (b) 三. 角芯； (c) 椭圆芯 17
双包层光纤: 色散平坦光纤（DFF）
色散移位光纤（DSF）
剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石
英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作
为包层材料。
.
7
2、光纤分类
（1）按照制造光纤所用的材料分类有：
石英系光纤； 多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤。
.
8
（2） 按折射率分布情况分类：光纤主 要有三种基本类型：
突变型多模光纤（多模阶跃折射率光纤） 渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤） 单模光纤
第 2 章 光纤
2.1 光纤结构和类型
2.1.1 光纤结构
2.1.2 光纤类型
2.2 光纤传输原理
2.2.1 几何光学方法
2.2.2 光纤传输的波动理论
.
1
2.3 光纤传输特性 2.3.1 光纤色散 2.3.2 光纤损耗 2.3.3 光纤标准和应用
.
2
教学重点及难点 重点:
一、分析光纤的导光原理； 二、理解光纤损耗和色散的概念 ； 三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。
界角）。
光纤端面入. 射临界角
27
当θi<θmax时，相应的光线将在交界面发 生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传 播，如光线3。
.
28
由此可见，只有在半锥角为θi ≤θmax的圆 锥内入射的光束才能在光纤中传播。
半锥角
.
29
三、数值孔径
根据这个传播条件，定义入射临界角的正 弦为数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光 纤的数值孔径为：
光纤传输的波动理论
.
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2.1 光纤结构和类型
2.1.1 光纤结构
光纤（Optical Fiber）的典型结构是 多层同轴圆柱体，如图所示，自内向外 由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。
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光纤结构图
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5
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更 低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并 起一定的机械保护作用。
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22
2.2.1 几何光学方法
用几何光学方法分析光纤传输原理， 我们关注的问题主要是光束在光纤中传 播的空间分布和时间分布，并由此得到 数值孔径和时间延迟的概念。
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23
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பைடு நூலகம்时间分布。
几何光学法分析问题的两个角度：
NA= n0 sin (θmax)
.
30
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31
得光纤的数值孔径为：
NA= n0 sin (θmax) = n12 n22
光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折 射率n1和n2 ，与光纤的直径无关。
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32
光纤的数值孔径NA表示光纤接收和传 输光的能力，NA(或θmax)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。
折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径 只有8~10 μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴 线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式 （只传输主模），所以称为单模光纤，其信号 畸变很小。
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单模光纤
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15
相对于单模光纤而言，突变型光纤和 渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳 数百个模式，所以称为多模光纤。
对于无损耗光纤，在θmax内的入射光 都能在光纤中传输，如图。
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33
光纤的数值孔径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。
• 突变型多模光纤
• 渐变型多模光纤
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24
一、突变型多模光纤
为简便起见，以突变型多模光纤的交 轴光线(子午光线)为例，进一步讨论光纤 的传输条件。
设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，
空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴
一致。
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25
二. 突变型多模光纤导光原理
突变型多模光纤导光原理图
.
26
与内光线入射角的临界角θc相对应，光 纤入射光的入射角θi有一个最大值 θmax 。 θmax 称为光纤端面入射临界角（简称入射临
色散平坦光纤适用于波分复用系统， 这种系统可以把传输容量提高几倍到几 十倍。
.
20
三角芯光纤有效面积较大，有利于提 高输入光纤的光功率，增加传输距离。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相 干光系统，这种系统最大优点是提高接收 灵敏度，增加传输距离。
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21
2.2 光纤传输原理
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
设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能 量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。
涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦 伤。
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6
2.1.2 光纤类型
1、光纤的主要成分
目前通信用的光纤主要是石英系光纤，其 主要成分是高纯度石英玻璃，即二氧化硅 ( SiO2 ) 。
如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂
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9
突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF）
纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层 突 然 变 为 n2 。 这 种 光 纤 一 般 纤 芯 直 径 2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中 心轴线方向传播，特点是信号畸变大。
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10
突变型多模光纤 (多模阶跃折射率光纤)
.
11
渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF）
在纤芯中心折射率最大为n1 ，沿径向r向 外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤 一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状 沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变 小。
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12
渐变型多模光纤 (多模渐变射率光纤)
.
13
单模光纤（Single Mode Fiber, SMF）
三角芯光纤:
改进的色散移位光纤
椭圆芯光纤:
双折射光纤或偏振保持光纤。
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18
主要用途：
突变型多模光纤 只能用于小容量短距 离系统。
渐变型多模光纤 适用于中等容量中等 距离系统。
单模光纤 用在大容量长距离的系统。
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19
特种单模光纤大幅度提高光纤通信 系统的水平:
1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s 容量的100km 的超大容量超长距离系统。
渐变型多模光纤和单模光纤，包层外 径2b都选用125μm。
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16
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 构和折射率分布下图所示：
n1 n2
n3
2a′2a
(a)
(b)
(b)
(a) 双包层； (b) 三. 角芯； (c) 椭圆芯 17
双包层光纤: 色散平坦光纤（DFF）
色散移位光纤（DSF）
剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石
英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作
为包层材料。
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2、光纤分类
（1）按照制造光纤所用的材料分类有：
石英系光纤； 多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤。
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（2） 按折射率分布情况分类：光纤主 要有三种基本类型：
突变型多模光纤（多模阶跃折射率光纤） 渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤） 单模光纤
第 2 章 光纤
2.1 光纤结构和类型
2.1.1 光纤结构
2.1.2 光纤类型
2.2 光纤传输原理
2.2.1 几何光学方法
2.2.2 光纤传输的波动理论
.
1
2.3 光纤传输特性 2.3.1 光纤色散 2.3.2 光纤损耗 2.3.3 光纤标准和应用
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2
教学重点及难点 重点:
一、分析光纤的导光原理； 二、理解光纤损耗和色散的概念 ； 三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。
界角）。
光纤端面入. 射临界角
27
当θi<θmax时，相应的光线将在交界面发 生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传 播，如光线3。
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28
由此可见，只有在半锥角为θi ≤θmax的圆 锥内入射的光束才能在光纤中传播。
半锥角
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29
三、数值孔径
根据这个传播条件，定义入射临界角的正 弦为数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光 纤的数值孔径为：