光纤导光原理和光纤材料

未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发 展的最高阶段,也是理想阶段。 目前,全光网络的发展 仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发 展趋势上看,形成一个真正的、以 WDM技术与光交换技术 为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成 为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心, 也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。
信号与系统
平板波导
覆盖层 n3 薄膜 n1 衬底 n2
介质平板波导结构： n1 n2 n3 在横截面的一个方向限制光波传播
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信号与系统
矩形波导
脊型波导
沟道波导
平面掩埋沟道波导
在横截面的两个方向限制光波传播
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光纤
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信号与系统
光纤的种类
光纤的种类有很多种，分类方法也各不相同，常见的有五 种方法
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光纤材料及光纤器件
光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成 的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤实际是 指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率 稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光纤的光信号， 经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光 纤主要有两个特性：损耗和色散。光纤通信具有传输频带 宽，容量大，传输距离远，质量高，保密性好等优点。光 纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明 与能量信号传输等多方面领域被广泛而大量应用，尤其在 信息技术领域具有广阔的应用前景。
的光纤（导光纤维）
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信号与2系、统 光导纤维的结构和导光原理
光纤导光条件：全反射
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信号与系统 2-1、斯涅尔定理
当光由光密介质出射至光疏介质时
（a）折射角大于入射角： n1sini n2sinr
（b）临界状态： r9o,0临界 i0a角 rcn 2s /n 1 i)n(
（c）全反射 ： i i0
➢在短短几十年时间里，光纤的损耗已由 1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信 在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。
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光纤通信的发展历程
20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走 向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价 ，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。
1993年后，全球范围信息高速公路的建设。 到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而
已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电 子到光电子的跨越。 光纤的出现带动了集成光学的发展。
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光纤技术的发展前景
对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一 直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦 想。 所以我们应该努力像一下几个方面去发展： ①向超高速系统的发展。 ②向超大容量WDM系统的演进。 ③开发新代的光纤 ④全光网络。
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一、光纤的基本概念
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1、介质光波导
空间传播光与导波光
➢ 空间传播光：在自由空间中(或均匀介质中)传播的
光 ➢导波光：相对于空间传播的光，光被限制在与传播 方向垂直的截面内，在密闭区传播的光。
光波导：约束导波光的介质
➢平板波导 ➢矩形波导 ➢光导纤维(光纤)
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➢ 从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制 导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨 /公里，有色金属的消耗实在是太大。
➢ 1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出 石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；
此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，主 要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分 贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。
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光纤通信的发展历程
➢ 世界光纤之父：高锟 1966年，高锟博士发表了著名
的论文“光频介质纤维表面波导 ”，明确提出通过改进制备工艺 ，减少原材料杂质，可使石英光 纤的损耗大大下降，并有可能拉 制出损耗低于20dB/km的光纤。
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光纤损耗
➢ 1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）率先将高锟博士的科学预言变为 现实，研制出在0.6328um波长下损耗为 20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突 破。
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i i0 arcsin n12n2 2
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光纤的基本概念
n2 n1
• 介质光波导三要素：
2a
➢“芯 / 包”结构 ➢凸形折射率分布，n1>n2 n2 ➢低传输损耗
n2
单模阶跃折射率光纤
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信号与系统 2-2、光纤导光
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空气
包层 纤芯
斯涅尔定律 n0sini n1sinj n1sinkn2sinr
n0 1.0 j k 90
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sini n12n2 2si2nr
信号与系统 2-2、光纤导光
空气
包层 纤芯
sini n12n2 2si2nr
r 90 发生全反射，光线可在光纤中传播
除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设 ;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。 由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信 的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工
实用业文档监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。
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光纤通信的发展历程
①按材料分为：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、 液芯光纤。
②按传输模式分：中心玻璃芯较粗、单模光纤。 ③按光纤折射率分布分：阶跃折射率光纤、渐变折射率光
纤、W型光纤。 ④按照波长划分：目前所应用的光纤可以传输从紫外线到
近红外波长，即0.3-1.6微米 ⑤按照用途划分：传输信息的光纤（光通信）和传输能量
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光纤的优点
与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下： ①传输频带极宽，通信容量很大； ②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远； ③串扰小，信号传输质量高； ④光纤抗电磁干扰，保密性好； ⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设； ⑥耐化学腐蚀； ⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大 量有色金属。