光纤PPT课件
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光纤的结构与分类 ppt课件
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9
3．按传输模数分类
(1)单模光纤 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通
常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上 只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性 能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制 造和耦合。
(2)多模光纤。 多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。
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33
当光纤受到辐射线的照射时，光损耗会增 加。这是因为石英玻璃遇到辐射线照射时，玻璃 中会出现结构缺陷（也称作色心：Colour Center），尤在0.4～0.7μm波长时损耗增大。防 止办法是改用掺杂OH或F素的石英玻璃，就能抑制 因辐射线造成的损耗缺陷。这种光纤则称作抗辐 射光纤（Radiation Resista-nt Fiber），多用 于核发电站的监测用光纤维镜等。
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6
一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂 上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度 一般为 30～150μm。
套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙 烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过 二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。
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7
二、光纤分类
根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造 工艺，有如下几种分类方法：
特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯 与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务 的光纤内窥镜。
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20
氟化物光纤（Fluoride Fiber）是由氟化物 玻璃作成的光纤。
这种光纤原料包括氟化铝、氟化钡、氟化镧、 氟化钠等氟化物玻璃原料。简称为Z B L A N。
主要工作在 2～ 10μm 波长的光传输业务。
光纤通信基础知识ppt课件
应用场景
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光检测器广泛应用于光纤通信、光传 感、激光雷达等领域，特别是在高速、 长距离的光纤通信系统中，光检测器 的作用尤为关键。
光放大器
光放大器是光纤通信系统中的关键器件之一，主要分 为掺铒光纤放大器（EDFA）和拉曼光纤放大器（RA）
两类。
输入 标题
作用
光放大器的作用是对光信号进行放大，补偿光纤传输 过程中的光信号损耗，提高光纤通信系统的传输距离 和稳定性。
光检测器
分类
光检测器是光纤通信系统中的另一重 要器件，主要分为光电二极管（PIN） 和雪崩光电二极管（APD）两类。
性能参数
光检测器的性能参数包括响应度、带 宽、噪声等，这些参数直接影响着光 纤通信系统的接收灵敏度和动态范围。
作用
光检测器的作用是将光信号转换为电 信号，从而实现光信号的接收和检测。
模拟光纤通信系统的应用
03
在音频广播、视频传输等领域得到广泛应用。
光纤通信系统设计
01
光纤通信系统设计的基本原则
确保系统的传输性能、稳定性、可靠性和经济性。
02
光纤通信系统设计的主要内容
包括光源、光检测器、光纤、中继器和放大器等器件的选择和配置。
03
光纤通信系统设计的优化
通过采用先进的调制技术、编码技术等手段，提高系统的传输性能和容
性能参数
光源的性能参数包括波长、光谱宽度、输出功率、阈值电 流等，这些参数对光纤通信系统的性能和稳定性有着重要 影响。
作用
光源的作用是将电能转换为光能，为光纤通信系统提供光 信号。
应用场景
光源广泛应用于光纤通信、光传感、光谱分析等领域，特 别是在长距离、大容量的光纤通信系统中，光源的作用尤 为重要。
光纤通信发展历程
光纤基础知识PPT演示课件
62.5/50m
8～10m
1.0m
125m2m
2%
245m10m
15m
2m
•16
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
• 模场直径 • 衰减系数 • 色散系数 • 截止波长 • 弯曲损耗 • 偏振模色散
•17
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
模场直径：
高斯分布的单模光纤， 模场直径是光场幅度 分布1/e处各点所围成 圆的直径，也等于光 功率分布1/e2处各点 所围成圆的直径。
一部分入射光将被反射
一部分入射光将进入第二种媒质，并产生折射
1 2
媒质1 折射率n1
媒质2 折射率n2
1=2
媒质1
1
折射率n1
2
媒质2
折射率n2
n1·Sin1=n2·Sin2
•3
折射率 n＝光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度
媒质 真空 空气 水 多模光纤 单模光纤 玻璃 钻石
折射率 1.0 1.0003 1.33 1.457 1.471 1.5~1.9 2.42
1
4
4
3
1 非色散位移光纤 2 色散位移光纤 3 色散平坦光纤 4 非零色散位移光纤
2
0 1200
1400 1500 1600 1700 1800 nm
-4
-8
波长(nm)
•22
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
截止波长：
光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作 波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤 为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模 外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。
如：Corning的Submarine Leaf光纤 Lucent的TrueWave XL光纤
《光纤技术及应用》课件
光纤传感的主要 技术难点和解决 方案
探讨光纤传感技术 面临的挑战和解决 方案。
光纤传感的未来 发展方向
展望光纤传感技术 的未来发展方向。
第四部分：光纤仪表及其他应用领域
光纤仪表的基本原理和分类
详细介绍光纤仪表的基本原理和常见分类。
光纤仪表的应用领域
探讨光纤仪表在各个行业中的广泛应用。
光纤仪表的优势和不足
解释光纤的组成结构和 材料特性。
4 光纤的基本工作原理
详细讲解光纤传输光信号的工作原理。
5 光纤技术的优势和应用场景
探讨光纤技术相对于其他传输媒介的优势 和广泛应用领域。
第二部分：光纤通信
1
光纤通信系统相关术语
2
介绍与光纤通信相关的术语和概念。
3
光纤通信的网络拓扑结构
4
解释光纤通信的网络拓扑结构及其特
《光纤技术及应用》PPT 课件
本课件将介绍光纤技术及其应用。涵盖光纤技术基础、光纤通信、光纤传感 技术、光纤仪表及其他应用领域等内容，帮助您了解光纤技术的发展和应用 场景。
第一部分：光纤技术基础
1 什么是光纤技术
介绍光纤技术的定义和 基本概念。
2 光纤技术的发展历程 3 光纤的主要构成
回顾光纤技术从诞生到 现在的发展历程。
点。
5
光纤通信系统概述
概述光纤通信系统的组成和基本原理。
光纤通信的传输方式和速度
探讨光纤通信的传输方式及其速度性 能。
光纤通信的故障排除和维护
介绍光纤通信故障排除和维护的基本 方法与注意事项。
第三部分：光纤传感技术
光纤传感原理及 分类
解析光纤传感的基 本工作原理和常见 分类。
光纤传感应用场 景
《光纤简介》PPT课件
光纤简介
一、光纤的分类 二、光纤的制造 三、光纤的传输特性 四、光纤器件 五、特种光纤
精选ppt
1
一 光纤的分类
光纤是由中心的纤芯和外围的包层组成的同轴圆柱形石英细丝。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。
石英光纤
单模：纤芯直径 2a = 2~12 m 纤芯－包层折射率差小 ＝ (n1-n2)/n1 ＝ 0.0005~0.01
多模：纤芯直径 2a = 50~500 m 纤芯－包层折射率差大 ＝ 0.01~0.02
只能传输一种模式的光纤 同时传输多种模式的光纤
纤芯
包层
缓冲涂覆层
精选ppt
4
阶跃折射率光纤 2. 按纤芯折射率分布
精选ppt
11
纵向分量满足的方程
t2n2k0 2 2 ez 0 t2n2k0 2 2 hz 0
t2
r22
1rrr12
2
2
2ez r 2
1 r
ez r
k02n2
2
m2 r2
ez
0
2hz r 2
1 r
hz r
k02n2
2
m2
r2
hz
0
精(选mppt 0,1,2,)
12
二层均匀光纤场解分析
利用纵向与横向场解的关系式，可以得到横向分量解的表达式。
精选ppt
13
特征方程
可以看出，模式场的解析式只有4个未知量，所以只需4个连续 的边界条件：
特征方程
e
h
e
z
e
G
(U
A
)
一、光纤的分类 二、光纤的制造 三、光纤的传输特性 四、光纤器件 五、特种光纤
精选ppt
1
一 光纤的分类
光纤是由中心的纤芯和外围的包层组成的同轴圆柱形石英细丝。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。
石英光纤
单模：纤芯直径 2a = 2~12 m 纤芯－包层折射率差小 ＝ (n1-n2)/n1 ＝ 0.0005~0.01
多模：纤芯直径 2a = 50~500 m 纤芯－包层折射率差大 ＝ 0.01~0.02
只能传输一种模式的光纤 同时传输多种模式的光纤
纤芯
包层
缓冲涂覆层
精选ppt
4
阶跃折射率光纤 2. 按纤芯折射率分布
精选ppt
11
纵向分量满足的方程
t2n2k0 2 2 ez 0 t2n2k0 2 2 hz 0
t2
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2
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k02n2
2
m2
r2
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0
精(选mppt 0,1,2,)
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二层均匀光纤场解分析
利用纵向与横向场解的关系式，可以得到横向分量解的表达式。
精选ppt
13
特征方程
可以看出，模式场的解析式只有4个未知量，所以只需4个连续 的边界条件：
特征方程
e
h
e
z
e
G
(U
A
)
光纤课件ppt
光纤课件
目 录
• 光纤基础知识 • 光纤通信系统 • 光纤网络 • 光纤传感技术 • 光纤在医疗领域的应用 • 未来展望
01
光纤基础知识
光的本质与传播
01
02
03
光的波动性
光在传播过程中表现出波 动性质，如干涉、衍射等 。
光的粒子性
光同时具有粒子性质，光 子是光的能量单位，具有 动量和能量。
光的传播速度
低损耗
光纤传输损耗较低，可实现长 距离传输。
带宽大
光纤传输带宽较大，可同时传 输多种信号。
抗干扰能力强
光纤传输不受电磁干扰影响， 具有较高的保密性和稳定性。
温度稳定性好
光纤材料具有较好的温度稳定 性，可在不同环境下稳定传输
。
02
光纤通信系统
光源与光调制
光源
激光器（LD）和发光二极管（ LED）是光纤通信中常用的光源 。它们能够产生单色光，具有较 高的频率和较窄的光谱线宽。
光调制
光调制是将信息转换为光信号的 过程。常见的光调制方式包括开 关键控（OOK）、脉冲位置调制 （PPM）和相位调制（PSK）等 。
光纤的连接与耦合
光纤连接器
光纤连接器是用来连接两根光纤的器 件，常见的光纤连接器有SC、FC、 LC和ST等类型。
光纤耦合器
光纤耦合器是将多根光纤连接在一起 ，实现光信号的分路、合路和传输的 器件。常见的光纤耦合器有1x2、1x4 、1x8等类型。
新工艺
随着纳米技术的发展，光纤制造中的 纳米光刻、化学气相沉积等新工艺逐 渐应用于光纤预制棒的生产，这些新 工艺能够提高光纤的制造精度和降低 生产成本。
光纤通信技术的发展趋势
01
超高速率
随着数据传输需求的增长，光纤通信系统的传输速率不断提高，未来的
目 录
• 光纤基础知识 • 光纤通信系统 • 光纤网络 • 光纤传感技术 • 光纤在医疗领域的应用 • 未来展望
01
光纤基础知识
光的本质与传播
01
02
03
光的波动性
光在传播过程中表现出波 动性质，如干涉、衍射等 。
光的粒子性
光同时具有粒子性质，光 子是光的能量单位，具有 动量和能量。
光的传播速度
低损耗
光纤传输损耗较低，可实现长 距离传输。
带宽大
光纤传输带宽较大，可同时传 输多种信号。
抗干扰能力强
光纤传输不受电磁干扰影响， 具有较高的保密性和稳定性。
温度稳定性好
光纤材料具有较好的温度稳定 性，可在不同环境下稳定传输
。
02
光纤通信系统
光源与光调制
光源
激光器（LD）和发光二极管（ LED）是光纤通信中常用的光源 。它们能够产生单色光，具有较 高的频率和较窄的光谱线宽。
光调制
光调制是将信息转换为光信号的 过程。常见的光调制方式包括开 关键控（OOK）、脉冲位置调制 （PPM）和相位调制（PSK）等 。
光纤的连接与耦合
光纤连接器
光纤连接器是用来连接两根光纤的器 件，常见的光纤连接器有SC、FC、 LC和ST等类型。
光纤耦合器
光纤耦合器是将多根光纤连接在一起 ，实现光信号的分路、合路和传输的 器件。常见的光纤耦合器有1x2、1x4 、1x8等类型。
新工艺
随着纳米技术的发展，光纤制造中的 纳米光刻、化学气相沉积等新工艺逐 渐应用于光纤预制棒的生产，这些新 工艺能够提高光纤的制造精度和降低 生产成本。
光纤通信技术的发展趋势
01
超高速率
随着数据传输需求的增长，光纤通信系统的传输速率不断提高，未来的
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光纤的典型结构是多 层同轴圆柱体由图31-1 所 示 ， 自 内 向 外 为纤芯、包层及涂覆 层。纤芯和包层合起 来构成裸光纤，光纤 的光学及传输特性主 要由它决定。涂覆层
2
光纤按折射率分布来分类，一般可 分为阶跃型光纤和渐变型光纤。
(1) 阶跃型光纤
如果纤芯折射率(指数)n1半径方向保 持一定，包层折射率n2沿半径方向 也保持一定，而且纤芯和包层的折 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3-1-2(a)所示。
2
渐变折射率光纤可以降低模间色散，如 图3-2-2所示
选择合适的折射率分布就有可能使所有 光线同时到达光纤输出端。
相对折射指数差Δ和数值孔径NA是描 述光纤性能的两个重要参数。
1相对折射指数Δ
光纤纤芯的折射率和包层的折射率的 相差程度可以用相对折射指数差Δ来 表示
相对折射指数Δ很小的光纤称为弱导
(2) 渐变型光纤
如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包 层中折射率n2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3-1-2(b)所示。
1
光线入射在纤芯与包层界面上会发 生全反射，当全反射的光线再次入 射到纤芯与包层的分界面时，它被 再次全反射回纤芯中，这样所有满 足θ1＞θc的光线都会被限制在纤芯中 而向前传输，这就是光纤传光的基 本原理。
第三章 光纤
3.1光纤概述 3.2光纤的导光原理 3.3相对折射指数差Δ和数值孔径NA 3.4阶跃型光纤的波动光学理论 3.5阶跃型光纤的标量模 3.6可导与截止 3.7渐变型光纤的理论分析 3.8光纤的损耗特性 3.9光纤的色散特性 3.10单模光纤 3.11光纤的传输带宽
1光纤结构
对于均匀单模光纤，基模场强在光 纤横截面上近似为高斯分布。通常， 将纤芯中场分布曲线最大值的1/e 处，所对应的宽度定义为模场直径， 用d表示。
3.11光纤的传输带宽
色散使沿光纤传输的光脉冲展宽，最终可能 使两个相邻脉冲发生重叠。重叠严重时使接收 机无法区分它们，造成误码(图3-11-1)。
定义相邻两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高 脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。
2截止时的特征 由导波截止的临界状态β= k0 n2，可得导 波截止时的归一化衰减常数为：
Wc=0 (3-6-3)
J m-1(U)=0 (3-6-4) (3-6-4)式称为截止时的特征方程
3 LPmn模可导的条件
LPmn模可导的条件为
V＞Vc(LPmn) (3-6-6)
单模传输条件为
0＜V＜2.40483
(3-6-7)
满足上公式(3-6-7)时，LP01能够传输，而 LP11以上所有模式处于截止状态
3.7渐变型光纤的理论分析
1最佳折射指数分布 由渐变型光纤导光原理可知，只要n(r)取得合适， 那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。 即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达 到相同的终端。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相 应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。
2数值孔径NA
表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义 为光纤的数值孔径，用NA表示。
数值孔径越大表示光纤捕捉射线的能力就 越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差Δ 很小，因此其数值孔径也不大。
对于阶跃型光纤，数值孔径为常数
对于渐变型光纤，由于纤芯中各处的折射 率是不同的因此各点的数值孔径也不相同。 我们把射入点r处的数值孔径称为渐变型光 纤的本地数值孔径用NA(r)表示。
3光纤损耗特性的分析
光纤损耗主要包括： (1) 材料的吸收损耗 (2) 光纤的散射损耗 (3) 辐射损耗
3.9光纤的色散特性
1什么是光纤色散 信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模 式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成 分有不同的传播速度，从而引起色散。
也可以从波形在时间上展宽的角度去理解， 即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间 上发生了展宽，这种观象就称为色散。
光纤的带宽特性如图3-11-2
对阶跃多模光纤，带宽主要受模间色散的 限制，仅数十MHz·km。
渐变多模光纤，当工作在1.3μm波长、采用 LD光源时，模间色散是主要的限制。
对单模光纤，影响带宽的是材料色散和波 导色散，单模光纤有最大的带宽距离积。
另外，梯度折射率分布的塑料多模光纤(芯 径 420μm) 已 达 到 2.5GHz 的 带 宽 ， 传 输 距 离 100m ， 光 源 为 647nmLD ， 预 期 可 达 到 10 ～ 20GHz带宽，距离100m。这种光纤可用于近 距离的局域网(LAN)中。
(2)
对于单模光纤，波导的作用不能忽略。对于 某模式的电磁波而言，传播常数β可以由U、 V和W推出，在不同的频率下，相位常数β不 同，使得群速不同而引起色散，这种色散称
4
模式色散是指不同模式的电磁 波在光纤中传播，群速不同而 引起的色散。可以用光纤中传 输的最高模式与最低模式之间 的时延差来表示。
光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的 色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间 干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因 此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统 容量和加大传输距离是非常重要的。
引起光纤色散的原因很多，由于信号不是单一频 率而引起的色散有材料色散和波导色散，由于信 号不是单一模式所引起的色散称为模式色散。
通常选取平方律型分布形式 (3-7-2)式称为渐变 型光纤的最佳折射指数分布。
2渐变型光纤的标量近似解法
渐变型光纤的标量近似解(3-7-5)式表明： ① 场随r增加而迅速减小； ② 场是振荡型的，随m，n而不同。 ③ 如果p=m+n相同则βmn相同。 说明所有模式构成模式群，p相同的模式是互相 简并的。即p相同的模式群，βmn相同，或者说 以相同的速度传输。
3.8光纤的损耗特性
1.衰减系数 损耗是光纤的一个重要传输参量，是光纤传 输系统中继距离的主要限制因素之一。 损耗的大小可以用衰减常数α定义。 通常α表示成dB/km为单位的形式。 。
2光纤通信的低损耗窗口 光纤的损耗谱特性如图3-8-1所示
由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通
① 第一低损耗窗口短波长0.85μm ② 第二低损耗窗口长波长1.31μm附近； ③ 第三低损耗窗口长波长1.55μm附近； 实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在 0.85μm 时 约 为 2.5dB/km ； 在 1.31μm 时 约 为 0.4dB/km；在1.55μm时仅为0.2dB/km，已接近 理论值(理论极限为0.15dB/km)。
不同的m和n值，场分布和传输特性不同。 见图3-5-1。
光纤中只传输一种标量模LP01的光纤为单 模光纤，传输两种以上标量模的光纤为多模 光纤。
3.6可导与截止
1可导与截止的概念 传输常数β的变化范围为k0 n1＞β＞k0 n2时， 导波应限制在纤芯中，以纤芯和包层的界面来 导行，沿轴线方向传输。称为电磁波可导。 否则辐射损耗增大，使光波能量不再有效地 沿光纤轴向传输，这时，即认为出现了辐射模， 导波处于截止状态。
求解式(3-4-6)，满足芯包界面边界条件， 即是光纤的标量解。
3.5阶跃型光纤的标量模 1标量解
采用标量近似解法，可以得到在阶 跃型光纤中电磁场的场解。
见公式（3-5-1）~（3-5-4）
2特征方程
在纤芯和包层的界面上，由电磁场理论可知， 电场和磁场的轴向分量都是连续的，即
Ez1=Ez2
Hz1=Hz2
3
0＜V＜2.40483 (3-10-1) 上式称为单模光纤的单模传输条件。
4、 (1) 衰减系数α 对于单模光纤在1.31μm附近α约为0.35dB/km，在 1.55μm附近，α可降至0.2dB/km以下。 (2) 截止波长λc 所谓截止波长，一般指的是LP11模的截止波长
(3) 模场直径d
3.10 单模光纤
1、什么是单模光纤 单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单 一基模的光纤。
在单模光纤中不存在模式色散，因此它具有 相当宽的传输频带，适用于长距离、大容量的 传输，近年来，单模光纤光纤折射率分布形式 (2) 下凹型单模光纤
可得在弱导波情况下的公式（3-5-5）或（35-6）称为特征方程
3归一化变量 解方程过程中已经引入了两个常数U和W。 由U和W可以得出两个比较重要的基本参量： 归一化传播常数b和归一化频率V。b和V定 义为
这两个常数决定于光纤的结构和波长。
4标量模
在弱导波近似情况下得到的为标量模，标 量模可认为矢量模的线性叠加，所以标量模 是 简 并 模 。 标 量 模 又 称 线 性 偏 振 模 (Linearly Polarized mode)可以用LPmn来表示。
3.4阶跃型光纤的波动光学理论
1光纤传输光波的波动方程
光纤材料是各向同性介质，光 波在光纤中的传输满足麦克斯 韦方程组。在无源空间电场强 度E和磁场强度H满足亥姆霍兹
方程：
2标量近似解法
通信光纤中的纤芯和包层折射率差很小， 光纤中的光线几乎与光纤轴平行。这种波 非常接近TEM波，其电磁场的轴向分量Ez 和Hz非常小，而横向分量Et和Ht很强。 设横向电场沿y轴偏振，横向场即是Ey， 则它满足下面的标量波动方程：
2色散的程度描述 时延差Δτ可以表示光纤的色散程度：
Δτ=DΔλL
式中：D为色散系数，单位为ps/(nm·km)， Δλ为光源谱宽，L为传输的距离 时延差越大，色散越严重。
3材料色散和波导色散
(1) 材料色散
它是由于材料折射率随光波长非线性变化引 起的色散
在λ0=1.27μm时，时延差最小，这个波长称 为材料的零色散波长。
2
光纤按折射率分布来分类，一般可 分为阶跃型光纤和渐变型光纤。
(1) 阶跃型光纤
如果纤芯折射率(指数)n1半径方向保 持一定，包层折射率n2沿半径方向 也保持一定，而且纤芯和包层的折 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3-1-2(a)所示。
2
渐变折射率光纤可以降低模间色散，如 图3-2-2所示
选择合适的折射率分布就有可能使所有 光线同时到达光纤输出端。
相对折射指数差Δ和数值孔径NA是描 述光纤性能的两个重要参数。
1相对折射指数Δ
光纤纤芯的折射率和包层的折射率的 相差程度可以用相对折射指数差Δ来 表示
相对折射指数Δ很小的光纤称为弱导
(2) 渐变型光纤
如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包 层中折射率n2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3-1-2(b)所示。
1
光线入射在纤芯与包层界面上会发 生全反射，当全反射的光线再次入 射到纤芯与包层的分界面时，它被 再次全反射回纤芯中，这样所有满 足θ1＞θc的光线都会被限制在纤芯中 而向前传输，这就是光纤传光的基 本原理。
第三章 光纤
3.1光纤概述 3.2光纤的导光原理 3.3相对折射指数差Δ和数值孔径NA 3.4阶跃型光纤的波动光学理论 3.5阶跃型光纤的标量模 3.6可导与截止 3.7渐变型光纤的理论分析 3.8光纤的损耗特性 3.9光纤的色散特性 3.10单模光纤 3.11光纤的传输带宽
1光纤结构
对于均匀单模光纤，基模场强在光 纤横截面上近似为高斯分布。通常， 将纤芯中场分布曲线最大值的1/e 处，所对应的宽度定义为模场直径， 用d表示。
3.11光纤的传输带宽
色散使沿光纤传输的光脉冲展宽，最终可能 使两个相邻脉冲发生重叠。重叠严重时使接收 机无法区分它们，造成误码(图3-11-1)。
定义相邻两脉冲虽重叠但仍能区别开时的最高 脉冲速率为该光纤线路的最大可用带宽。
2截止时的特征 由导波截止的临界状态β= k0 n2，可得导 波截止时的归一化衰减常数为：
Wc=0 (3-6-3)
J m-1(U)=0 (3-6-4) (3-6-4)式称为截止时的特征方程
3 LPmn模可导的条件
LPmn模可导的条件为
V＞Vc(LPmn) (3-6-6)
单模传输条件为
0＜V＜2.40483
(3-6-7)
满足上公式(3-6-7)时，LP01能够传输，而 LP11以上所有模式处于截止状态
3.7渐变型光纤的理论分析
1最佳折射指数分布 由渐变型光纤导光原理可知，只要n(r)取得合适， 那么不同模式的光线就会具有相同的轴向速度。 即具有不同条件的子午射线，从同一地点出发，达 到相同的终端。这种现象称为光纤的自聚焦现象，相 应的折射指数分布称为最佳折射指数分布。
2数值孔径NA
表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义 为光纤的数值孔径，用NA表示。
数值孔径越大表示光纤捕捉射线的能力就 越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差Δ 很小，因此其数值孔径也不大。
对于阶跃型光纤，数值孔径为常数
对于渐变型光纤，由于纤芯中各处的折射 率是不同的因此各点的数值孔径也不相同。 我们把射入点r处的数值孔径称为渐变型光 纤的本地数值孔径用NA(r)表示。
3光纤损耗特性的分析
光纤损耗主要包括： (1) 材料的吸收损耗 (2) 光纤的散射损耗 (3) 辐射损耗
3.9光纤的色散特性
1什么是光纤色散 信号在光纤中是由不同的频率成分和不同模 式成分携带的，这些不同的频率成分和模式成 分有不同的传播速度，从而引起色散。
也可以从波形在时间上展宽的角度去理解， 即光脉冲在通过光纤传播期间，其波形在时间 上发生了展宽，这种观象就称为色散。
光纤的带宽特性如图3-11-2
对阶跃多模光纤，带宽主要受模间色散的 限制，仅数十MHz·km。
渐变多模光纤，当工作在1.3μm波长、采用 LD光源时，模间色散是主要的限制。
对单模光纤，影响带宽的是材料色散和波 导色散，单模光纤有最大的带宽距离积。
另外，梯度折射率分布的塑料多模光纤(芯 径 420μm) 已 达 到 2.5GHz 的 带 宽 ， 传 输 距 离 100m ， 光 源 为 647nmLD ， 预 期 可 达 到 10 ～ 20GHz带宽，距离100m。这种光纤可用于近 距离的局域网(LAN)中。
(2)
对于单模光纤，波导的作用不能忽略。对于 某模式的电磁波而言，传播常数β可以由U、 V和W推出，在不同的频率下，相位常数β不 同，使得群速不同而引起色散，这种色散称
4
模式色散是指不同模式的电磁 波在光纤中传播，群速不同而 引起的色散。可以用光纤中传 输的最高模式与最低模式之间 的时延差来表示。
光纤色散是光纤通信的另一个重要特性，光纤的 色散会使输入脉冲在传输过程中展宽，产生码间 干扰，增加误码率，这样就限制了通信容量。因 此制造优质的、色散小的光纤，对增加通信系统 容量和加大传输距离是非常重要的。
引起光纤色散的原因很多，由于信号不是单一频 率而引起的色散有材料色散和波导色散，由于信 号不是单一模式所引起的色散称为模式色散。
通常选取平方律型分布形式 (3-7-2)式称为渐变 型光纤的最佳折射指数分布。
2渐变型光纤的标量近似解法
渐变型光纤的标量近似解(3-7-5)式表明： ① 场随r增加而迅速减小； ② 场是振荡型的，随m，n而不同。 ③ 如果p=m+n相同则βmn相同。 说明所有模式构成模式群，p相同的模式是互相 简并的。即p相同的模式群，βmn相同，或者说 以相同的速度传输。
3.8光纤的损耗特性
1.衰减系数 损耗是光纤的一个重要传输参量，是光纤传 输系统中继距离的主要限制因素之一。 损耗的大小可以用衰减常数α定义。 通常α表示成dB/km为单位的形式。 。
2光纤通信的低损耗窗口 光纤的损耗谱特性如图3-8-1所示
由石英光纤的损耗谱曲线自然地显示光纤通
① 第一低损耗窗口短波长0.85μm ② 第二低损耗窗口长波长1.31μm附近； ③ 第三低损耗窗口长波长1.55μm附近； 实验上曲线的损耗值为：对于单模光纤，在 0.85μm 时 约 为 2.5dB/km ； 在 1.31μm 时 约 为 0.4dB/km；在1.55μm时仅为0.2dB/km，已接近 理论值(理论极限为0.15dB/km)。
不同的m和n值，场分布和传输特性不同。 见图3-5-1。
光纤中只传输一种标量模LP01的光纤为单 模光纤，传输两种以上标量模的光纤为多模 光纤。
3.6可导与截止
1可导与截止的概念 传输常数β的变化范围为k0 n1＞β＞k0 n2时， 导波应限制在纤芯中，以纤芯和包层的界面来 导行，沿轴线方向传输。称为电磁波可导。 否则辐射损耗增大，使光波能量不再有效地 沿光纤轴向传输，这时，即认为出现了辐射模， 导波处于截止状态。
求解式(3-4-6)，满足芯包界面边界条件， 即是光纤的标量解。
3.5阶跃型光纤的标量模 1标量解
采用标量近似解法，可以得到在阶 跃型光纤中电磁场的场解。
见公式（3-5-1）~（3-5-4）
2特征方程
在纤芯和包层的界面上，由电磁场理论可知， 电场和磁场的轴向分量都是连续的，即
Ez1=Ez2
Hz1=Hz2
3
0＜V＜2.40483 (3-10-1) 上式称为单模光纤的单模传输条件。
4、 (1) 衰减系数α 对于单模光纤在1.31μm附近α约为0.35dB/km，在 1.55μm附近，α可降至0.2dB/km以下。 (2) 截止波长λc 所谓截止波长，一般指的是LP11模的截止波长
(3) 模场直径d
3.10 单模光纤
1、什么是单模光纤 单模光纤是在给定的工作波长上，只传输单 一基模的光纤。
在单模光纤中不存在模式色散，因此它具有 相当宽的传输频带，适用于长距离、大容量的 传输，近年来，单模光纤光纤折射率分布形式 (2) 下凹型单模光纤
可得在弱导波情况下的公式（3-5-5）或（35-6）称为特征方程
3归一化变量 解方程过程中已经引入了两个常数U和W。 由U和W可以得出两个比较重要的基本参量： 归一化传播常数b和归一化频率V。b和V定 义为
这两个常数决定于光纤的结构和波长。
4标量模
在弱导波近似情况下得到的为标量模，标 量模可认为矢量模的线性叠加，所以标量模 是 简 并 模 。 标 量 模 又 称 线 性 偏 振 模 (Linearly Polarized mode)可以用LPmn来表示。
3.4阶跃型光纤的波动光学理论
1光纤传输光波的波动方程
光纤材料是各向同性介质，光 波在光纤中的传输满足麦克斯 韦方程组。在无源空间电场强 度E和磁场强度H满足亥姆霍兹
方程：
2标量近似解法
通信光纤中的纤芯和包层折射率差很小， 光纤中的光线几乎与光纤轴平行。这种波 非常接近TEM波，其电磁场的轴向分量Ez 和Hz非常小，而横向分量Et和Ht很强。 设横向电场沿y轴偏振，横向场即是Ey， 则它满足下面的标量波动方程：
2色散的程度描述 时延差Δτ可以表示光纤的色散程度：
Δτ=DΔλL
式中：D为色散系数，单位为ps/(nm·km)， Δλ为光源谱宽，L为传输的距离 时延差越大，色散越严重。
3材料色散和波导色散
(1) 材料色散
它是由于材料折射率随光波长非线性变化引 起的色散
在λ0=1.27μm时，时延差最小，这个波长称 为材料的零色散波长。