光学光导纤维
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CH1-5
光导纤维
optical fibre
1.5 光导纤维
光导纤维(光纤)—利用全反射原理制作的一种新型的光学元件， 由石英、玻璃或特制塑料制成的柔软细丝，直径约为若干微米到 120微米。
n2
n1
图1.5-1 光导纤维 图1.5-2 光纤传输像
特点：光纤柔软可弯曲，可沿弯曲路径传输光能和信息； 传输效率高，可小型化。
• 按折射率分类 – 阶跃光纤 – 渐变折射率光纤
光纤结构：
MULTIMODE
Short Distance < 2 km
3mm OUTER JACKET 保护套
ARAMID STRENGTH MEMBERS (Kevlar)
900 MICRON BUFFER JACKET
250 MICRON COATING
孔径角i0是多少？
解：设光线在纤维端面的入射角为i，折射角为i ，芯料和涂层
界面上全反射的临界角为ic ，则发生全反射的条件为：
2
i
ic
i
2
ic
根据折射定律： n0 sin i n1 sin i
可得发生全反射的条件为：
n0 sin i n1 cos ic n1 1 sin 2 ic n12 n22
光纤剖面折射率分布图:
折射率分布
芯直径
阶跃光纤 (多 模 )
单模光纤
渐变光纤
光纤的损耗：
衰6 减5
4 3 2 1
• 850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km • 1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km • 1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km
第一窗口 OH-
第二窗口
125 MICRON CLADDING (SILICA) 包层
SINGLEMODE
Long Distance 2km－100km
50/62.5 MICRON CORE (SILICA)
9 MICRON CORE (SILICA) 纤芯
纤芯 core：折射率较高，用来传送光；包层 cladding：折射率较低，与纤芯 一起形成全反射条件； 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤
OHOH-
水峰值 第三窗口
wenku.baidu.com
(dB/km)
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 λ nm
应用：光纤通信，还可用于远距离照明和传递图 像，例如广泛使用的医用纤维内窥镜（鼻腔镜、 胃镜、支气管镜、膀胱镜）。
纤维内窥镜：
例1 设光导纤维芯料和涂层的折射率分别为n1和n2， 入射端外介质的折射率是n0 ，试求能使光线在纤维 内芯料与涂层界面上发生全反射时，入射光束的最大
光纤的发展历程
1、1834年丁达尔（J·Tyndall）在英国皇家学会的一次讲演中就 演示了光线能通过全反射沿着弯曲的通道传播 2、20世纪50年代才形成了以研究光信息在透明光导纤维中的传 输规律为内容的新学科——纤维光学 3 、20世纪60年代，用光学玻璃制作的普通光纤的吸收损耗通常 为1000dB/km，大大限制了光纤的使用长度 4、1966年高锟（K·C·Kao）及T·M·Devies提出，光纤的高损耗 并不是本征的，只要玻璃中的过渡族金属离子（如Cu+++、V+++、 Cr+++、Mn+++、Fe+++、Co+++、Ni+++）的含量下降到 10-8（重量 比）以下时，光纤的吸收损耗就有可能降低到10dB/km以下 5、1970年美国康宁公司制作出损耗为20dB/km的光纤，证实了 高锟等人的设想。目前光纤的损耗可低达0.2dB/km。低损耗低 色散光纤及上世纪80年代末掺铒光纤放大器的问世，大大推动 了光纤通信技术的发展
由此可得入射光束的最大孔径角：
i0
sin1( 1 n0
n12 n22 )
光导纤维的数值孔径(Numeric aperture):
NA no sin io sin io n12 n22 n1 2
(n1 n2 ) / n1
i
接收锥
输入 输入
低NA
输出 输出
高NA
数值孔径愈大，通过光导纤维的光功率就愈大。
光纤的分类:
• 按材料分类： – 玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小， 传输距离长，成本高； – 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大， 传输距离很短，价格很低。多用于家电、 音响，以及短距的图像传输。
光纤的分类:
• 按照光纤的模式分类 – 单模（Single-Mode） – 多模（Multi-Mode）
光导纤维
optical fibre
1.5 光导纤维
光导纤维(光纤)—利用全反射原理制作的一种新型的光学元件， 由石英、玻璃或特制塑料制成的柔软细丝，直径约为若干微米到 120微米。
n2
n1
图1.5-1 光导纤维 图1.5-2 光纤传输像
特点：光纤柔软可弯曲，可沿弯曲路径传输光能和信息； 传输效率高，可小型化。
• 按折射率分类 – 阶跃光纤 – 渐变折射率光纤
光纤结构：
MULTIMODE
Short Distance < 2 km
3mm OUTER JACKET 保护套
ARAMID STRENGTH MEMBERS (Kevlar)
900 MICRON BUFFER JACKET
250 MICRON COATING
孔径角i0是多少？
解：设光线在纤维端面的入射角为i，折射角为i ，芯料和涂层
界面上全反射的临界角为ic ，则发生全反射的条件为：
2
i
ic
i
2
ic
根据折射定律： n0 sin i n1 sin i
可得发生全反射的条件为：
n0 sin i n1 cos ic n1 1 sin 2 ic n12 n22
光纤剖面折射率分布图:
折射率分布
芯直径
阶跃光纤 (多 模 )
单模光纤
渐变光纤
光纤的损耗：
衰6 减5
4 3 2 1
• 850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km • 1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km • 1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km
第一窗口 OH-
第二窗口
125 MICRON CLADDING (SILICA) 包层
SINGLEMODE
Long Distance 2km－100km
50/62.5 MICRON CORE (SILICA)
9 MICRON CORE (SILICA) 纤芯
纤芯 core：折射率较高，用来传送光；包层 cladding：折射率较低，与纤芯 一起形成全反射条件； 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤
OHOH-
水峰值 第三窗口
wenku.baidu.com
(dB/km)
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 λ nm
应用：光纤通信，还可用于远距离照明和传递图 像，例如广泛使用的医用纤维内窥镜（鼻腔镜、 胃镜、支气管镜、膀胱镜）。
纤维内窥镜：
例1 设光导纤维芯料和涂层的折射率分别为n1和n2， 入射端外介质的折射率是n0 ，试求能使光线在纤维 内芯料与涂层界面上发生全反射时，入射光束的最大
光纤的发展历程
1、1834年丁达尔（J·Tyndall）在英国皇家学会的一次讲演中就 演示了光线能通过全反射沿着弯曲的通道传播 2、20世纪50年代才形成了以研究光信息在透明光导纤维中的传 输规律为内容的新学科——纤维光学 3 、20世纪60年代，用光学玻璃制作的普通光纤的吸收损耗通常 为1000dB/km，大大限制了光纤的使用长度 4、1966年高锟（K·C·Kao）及T·M·Devies提出，光纤的高损耗 并不是本征的，只要玻璃中的过渡族金属离子（如Cu+++、V+++、 Cr+++、Mn+++、Fe+++、Co+++、Ni+++）的含量下降到 10-8（重量 比）以下时，光纤的吸收损耗就有可能降低到10dB/km以下 5、1970年美国康宁公司制作出损耗为20dB/km的光纤，证实了 高锟等人的设想。目前光纤的损耗可低达0.2dB/km。低损耗低 色散光纤及上世纪80年代末掺铒光纤放大器的问世，大大推动 了光纤通信技术的发展
由此可得入射光束的最大孔径角：
i0
sin1( 1 n0
n12 n22 )
光导纤维的数值孔径(Numeric aperture):
NA no sin io sin io n12 n22 n1 2
(n1 n2 ) / n1
i
接收锥
输入 输入
低NA
输出 输出
高NA
数值孔径愈大，通过光导纤维的光功率就愈大。
光纤的分类:
• 按材料分类： – 玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小， 传输距离长，成本高； – 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大， 传输距离很短，价格很低。多用于家电、 音响，以及短距的图像传输。
光纤的分类:
• 按照光纤的模式分类 – 单模（Single-Mode） – 多模（Multi-Mode）