光纤通信第二章共87页文档
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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。
空气n0＝1
光 源 θ0
包层n2 θc
纤芯n1 αc
包层n2 光纤端面
图2.2.3 光源出射光与光纤的耦合
其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多 模光纤。
（1）单模光纤 光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直
径较小，约为8 ~10 um，通常，纤芯中折射率的分布认为是均匀分布 的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输 带宽大大加宽。因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。单模 光纤中的射线轨迹如图2-4（a）所示
（a）单模光纤
5
图2-4 光纤中的光线轨迹
2.1.1 光纤的结构
（2）多模光纤
在一定的工作波长下，可以有多个模式在光纤中传输的，称为 多模光纤。其纤芯可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射 率分布，它们的光波传输轨迹如图2-3（b），（c）所示。多模光 纤的纤芯直径约为50 um，由于模色散的存在使多模光纤的带宽变 窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。
θ2
反射光 界面 θ1增加
折射光
入射光
θ1 θ3 n1 (光密介质) n2 (光疏介质)
θ2
反射光 界面
折射光
入射光
反射光
θ1＝θC
θ1 n1 (光密介质)
n2 (光疏介质)
θ3 界面
折射光 θ2＝900
θ1>θC
入射光
n1
θ1 θ3
(光密介质)
n2 (光疏介质)
反射光 界面
图2.2.1 光由光密介质向光疏介质的入射
（2）渐变型光纤
如果纤芯折射率沿着半径加大而逐渐减小，而包层折射率是均匀 的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。它的结构如图23（b）所示。
n(r)
n1
n2
a
b
r
（b）非均匀光纤的折射率剖面分布
图2-3 光纤的折射率剖面分布
4
2.1.1 光纤的结构
2. 按照传输的总模式分 所谓模式，实际上是电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同，
（b）多模均匀光纤
（c）多模非均匀光纤
6
2.1.1 光纤的结构
3. 按光纤的材料来分 （1）石英系光纤
这种光纤的纤芯和包层是由SiO2掺有适当的杂质制成。这 种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用做广泛。 （2）石英芯、塑料包层光纤
这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。 （3）塑料光纤
这种光纤的芯子和包层都由塑料制成。
在n1>n2，随着入射角的增大，折射角也增大，当 2
着分界面传播，此时对应的入射角称为临界入射角，记为
900时，折射光将沿
c 。
由（2.2.2）式可求得临C 界入ar射cs角in(n：n12n)1sinCn2si9 n，（0 0即2.2.3）
11
入射光
θ1 θ3
n1 (光密介质) n2 (光疏介质)
12
2.2.1 几何光学分析法
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。
2、光纤中光的传播 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
7
2.1.1 光纤的结构
4. 按传输的波长来分 短波长光纤 长波长光纤 超长波光纤
0.7~0.9um 1.1~1.6um
>2um
短距离 ，小容量 中长距离，大容量 超长距离， 大容量
5. 按套塑结构来分 松套光纤
紧套光纤
8
2.2 光纤传输原理
光的波粒二象性
电磁波
麦克斯韦方程式
（结论精确，计算复杂抽象）
粒子流
几何光学 （简单直观）
9
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。
1. 基本光学定义和定律
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
n c
（2.2.1）
如果纤芯折射率（指数）沿半径方向保
持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定， 而且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变 化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀 光纤。它的结构如图2-3（a）所示。
n(r) n1 n2
ab
r
（a）均匀光纤的折射率剖面分布
图2-3 光纤的折射率剖面3分布
2.1.1 光纤的结构
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。
10
2.2.1 几何光学分析法
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。
（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。
n1 n2
（a) 子午光线
(b) 斜光线
图2.2.2 子午光线和斜光线
13
2.2.1 几何光学分析法
3、 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
2.1.1 光纤的结构
光纤是用来导光的透明介质纤维。一般可分为三层同轴 圆柱形。它的剖面形式如图2-1所示。
由高透
明材料外层为
制成 包层
涂覆层
纤芯
起保护
作用
图2-1 光纤的剖面图
1
2.1Байду номын сангаас1 光纤的结构
纤芯的折射率为 n 1 ，直径为2a； 包层的折射率为 n 2 ，直径为2b。纤芯折射率 n 1 >包层折射率 n 2 基本结构如图2-2所示
由斯奈尔定律可知，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
n1
1 sin1
3
n2
sin2
（2.2.2）
式中，
1、 2
和
分别称为入射角、折射角和反射角。
3
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。当光由 光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，折射角小于入射角。
图2-2 光纤的基本结构图
2
2.1.1 光纤的结构
虽然光纤的基本结构形式如图2-2 所示，但是按照折射率分布、
传输模式多少、使用的材料或传输的波长等的不同，光纤可分为很多
种类，下面将有代表性的几种，简单介绍一下
2b
2a
1. 按照折射率分布来分 一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种
（1）阶跃型光纤
空气n0＝1
光 源 θ0
包层n2 θc
纤芯n1 αc
包层n2 光纤端面
图2.2.3 光源出射光与光纤的耦合
其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多 模光纤。
（1）单模光纤 光纤中只传输单一模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直
径较小，约为8 ~10 um，通常，纤芯中折射率的分布认为是均匀分布 的。由于单模光纤只传输基模，从而完全避免了模式色散，使传输 带宽大大加宽。因此，它适用于大容量、长距离的光纤通信。单模 光纤中的射线轨迹如图2-4（a）所示
（a）单模光纤
5
图2-4 光纤中的光线轨迹
2.1.1 光纤的结构
（2）多模光纤
在一定的工作波长下，可以有多个模式在光纤中传输的，称为 多模光纤。其纤芯可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射 率分布，它们的光波传输轨迹如图2-3（b），（c）所示。多模光 纤的纤芯直径约为50 um，由于模色散的存在使多模光纤的带宽变 窄，但其制造、耦合、连接都比单模光纤容易。
θ2
反射光 界面 θ1增加
折射光
入射光
θ1 θ3 n1 (光密介质) n2 (光疏介质)
θ2
反射光 界面
折射光
入射光
反射光
θ1＝θC
θ1 n1 (光密介质)
n2 (光疏介质)
θ3 界面
折射光 θ2＝900
θ1>θC
入射光
n1
θ1 θ3
(光密介质)
n2 (光疏介质)
反射光 界面
图2.2.1 光由光密介质向光疏介质的入射
（2）渐变型光纤
如果纤芯折射率沿着半径加大而逐渐减小，而包层折射率是均匀 的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。它的结构如图23（b）所示。
n(r)
n1
n2
a
b
r
（b）非均匀光纤的折射率剖面分布
图2-3 光纤的折射率剖面分布
4
2.1.1 光纤的结构
2. 按照传输的总模式分 所谓模式，实际上是电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同，
（b）多模均匀光纤
（c）多模非均匀光纤
6
2.1.1 光纤的结构
3. 按光纤的材料来分 （1）石英系光纤
这种光纤的纤芯和包层是由SiO2掺有适当的杂质制成。这 种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用做广泛。 （2）石英芯、塑料包层光纤
这种光纤的芯子是用石英制成，包层采用硅树脂。 （3）塑料光纤
这种光纤的芯子和包层都由塑料制成。
在n1>n2，随着入射角的增大，折射角也增大，当 2
着分界面传播，此时对应的入射角称为临界入射角，记为
900时，折射光将沿
c 。
由（2.2.2）式可求得临C 界入ar射cs角in(n：n12n)1sinCn2si9 n，（0 0即2.2.3）
11
入射光
θ1 θ3
n1 (光密介质) n2 (光疏介质)
12
2.2.1 几何光学分析法
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。
2、光纤中光的传播 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
7
2.1.1 光纤的结构
4. 按传输的波长来分 短波长光纤 长波长光纤 超长波光纤
0.7~0.9um 1.1~1.6um
>2um
短距离 ，小容量 中长距离，大容量 超长距离， 大容量
5. 按套塑结构来分 松套光纤
紧套光纤
8
2.2 光纤传输原理
光的波粒二象性
电磁波
麦克斯韦方程式
（结论精确，计算复杂抽象）
粒子流
几何光学 （简单直观）
9
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。
1. 基本光学定义和定律
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
n c
（2.2.1）
如果纤芯折射率（指数）沿半径方向保
持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定， 而且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变 化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀 光纤。它的结构如图2-3（a）所示。
n(r) n1 n2
ab
r
（a）均匀光纤的折射率剖面分布
图2-3 光纤的折射率剖面3分布
2.1.1 光纤的结构
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。
10
2.2.1 几何光学分析法
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。
（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。
n1 n2
（a) 子午光线
(b) 斜光线
图2.2.2 子午光线和斜光线
13
2.2.1 几何光学分析法
3、 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
2.1.1 光纤的结构
光纤是用来导光的透明介质纤维。一般可分为三层同轴 圆柱形。它的剖面形式如图2-1所示。
由高透
明材料外层为
制成 包层
涂覆层
纤芯
起保护
作用
图2-1 光纤的剖面图
1
2.1Байду номын сангаас1 光纤的结构
纤芯的折射率为 n 1 ，直径为2a； 包层的折射率为 n 2 ，直径为2b。纤芯折射率 n 1 >包层折射率 n 2 基本结构如图2-2所示
由斯奈尔定律可知，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
n1
1 sin1
3
n2
sin2
（2.2.2）
式中，
1、 2
和
分别称为入射角、折射角和反射角。
3
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。当光由 光密介质进入光疏介质时，折射角大于入射角；反之，折射角小于入射角。
图2-2 光纤的基本结构图
2
2.1.1 光纤的结构
虽然光纤的基本结构形式如图2-2 所示，但是按照折射率分布、
传输模式多少、使用的材料或传输的波长等的不同，光纤可分为很多
种类，下面将有代表性的几种，简单介绍一下
2b
2a
1. 按照折射率分布来分 一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种
（1）阶跃型光纤