光纤光学基础知识共29页文档
光纤光学基础知识
第二窗口
0.1 0.6
0.8
1.0
1.2 波长(um)
1.52Βιβλιοθήκη 0图4.石英光纤损耗谱典型曲线
光纤的传输特性
目前光通信的三个窗口： 0.85um－第一窗口，短距离多模光通信； 1.31um－第二窗口，长距离单模和短距离多模光通信； 1.55um－第三窗口，长距离单模光通信。 我们看到，在1.31um和1.55um之间的1.385um处有 一个吸收峰，这是由于OH－离子的吸收造成的，通常 称之为水峰。 Lucent公司率先推出AllWave光纤，Corning公司相 继推出LEAF光纤，消除了水峰，将光纤的第二和第三 窗口连接起来，可以在1280nm-1625nm之间345nm 的带宽内进行通信，这对CWDM系统的应用大为有利。
光纤中的传播模式
单模与多模 我们已经知道，光纤中传输的光必须同时满足全反 射条件和驻波条件。前者与纤芯和包层折射率差有关 (折射率差越大则孔径角越大)，后者与纤芯尺寸有关 (纤芯越大则允许的模式数量越多)，因此我们可以用 一个参数来描述光纤的结构特性－归一化频率V。
V a
2
0
n n
2 1
光纤的传输特性
色散对光纤通信系统的影响 光源总是有一定的谱线宽度，当一个光脉冲通过光 纤，由于材料色散和波导色散，其中不同波长成分到 达的时间将不同，即脉冲被展宽了。如果脉冲展宽达 到脉冲间隔宽度，将会造成码间串扰，如图9所示。 材料色散在1.3um附近为零，且零色散波长与光纤 掺杂种类和浓度无关；而波导色散随折射率分布(即光 纤掺杂情况)而变，因此可设计在某一特定波长色散为 零的光纤，在此波长上材料色散和波导色散相互抵消。 t t 图9.材料色散造成的码间串扰
光纤光学-文档资料
22
折射光线
条件:
0< n(r0) cosθz(r0)<√n22-(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
内散焦面半径: r = rr1
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23
GIOF中的最佳折射率分布
近轴子午光线： P2/ A
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P2/n(r0)nc0 oA sz(r0) 24
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隧道光线
条件:
n2> n(r0) cosθz(r0)>√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
光线存在区域: rl1 < r < rl2 r > rl3
内散焦面半径：rl1 外散焦面半径：rl2 辐射散焦面半径: rl3
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(dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
r r r ˆ z z ˆ x
z r
er
r0
r0 d
z dz
ds
r0
dr
y
e
er
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轴向运动
分析轴向分量方程:
d n dz 0 dS dS
有： n(dz/dS)=const., 令其为 n , 则有
n ＝n(r)dz/dS＝n(r)cosθz(r)=n(r0)cosθz(r0)
＝r0n(r0)sinθz(r0)cosθφ(r0)
I ---- 第二射线不变量
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角向运动特点
• 光线的角动量：
r2ω=r2dφ/dt=
Ic/
2n 恒为常数
(完整word版)光纤光缆的基础知识
光纤光缆的基础知识一、光纤1．光纤的定义光纤是光导纤维的简称，即用来通光传输的石英玻璃丝。
2．光纤的结构组成和作用1）光纤的构成：光纤是由光折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成，为了保护光纤不受外力和环境的影响，在包层的外面都加上一层塑料护套（也叫涂覆层）。
2）光纤各组成部分的作用：纤芯：siO2+GeO2（作用是导光通信)包层：siO2(作用是使全反射成为可能)涂覆层：光固化丙烯酸环氧树脂或热固化的硅酮树脂（作用是防止光纤表面受损产生微裂纹，将光纤表面与环境中的水分、化学物质隔开,防止已有的微小裂纹逐步生长扩大)3．光纤的分类A：按组成光纤的材料分类：玻璃（石英）光纤、塑料光纤；B:按光纤横截面上折射率分布分类：有突变型光纤（普通单模光纤)、渐变型光纤(多模光纤）、阶跃型光纤等；C:按光纤传输模式分类：多模光纤、单模光纤等.单模光纤中光偏振状态要传输过程中是否保持不变，又可分为偏振模保持光纤和非偏振模保持光纤；D：按工作波长窗口分类：长波长光纤和短波长光纤等注：单模光纤是指只能传输一种模式（基模或最低阶模）的光纤，其信号畸变很小。
多模光纤是一种能承载多种模式的光纤，即能够允许多个传导模的通过。
模是指光在光纤中的传输方式（单模/多模）。
单模光纤具有很小的芯径，以确保其传输单模，但是其包层直径要比芯径在十多倍，以避免光的损耗。
单模光纤以其衰减小、频带宽、容量大、成本低和易于扩容等优点，作为一种理想的光通信媒介,在全世界得到及为广泛的应用。
4．光纤的特性A：几何特性和光学特性（主要针对单模光纤）纤芯直径：A、多模光纤（50um/62。
5um两种标称直径）B、单模光纤(8.3um）包层直径：125。
0±1.0um包层不圆度:≤1。
0％涂层外径：245±5.0um纤芯、包层同心度：≤0。
5um翘曲度：曲率半径≥4.0m模场直径：指光纤中基模场的电场强度随空间的分布。
它描述了单模光纤中光能集中程度的参量。
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光纤光学知识
第十一章 光纤光学系统
11-1 概 述
• 光纤一般是指由透明介质构 成的，直径与长度之比小于 1：1000的细丝。光线由光 纤的一端入射，沿着光纤传
播，最后由另一端出射。单
条光纤只能起传光的使用， 不能成像，如图11-1所示， 如果把许多光纤固定在一起，
构成光纤束，就可以把具有
一定面积的像面，通过每根
$11-2 全反射光纤的光学性质
•
图11-2
• 大多数光纤的直径比光的波长大得多，对这类光纤可以用几何光学的方法 研究它的光学性质，本节研究全反射光纤的光学性质。
• 最简单的光纤是由均匀透明介质构成的圆柱形细丝，称为单质光纤，如 图11-2所示。
• 光线在光纤内表面发生多次全反射，使光线由一端沿着光纤传播至另一 端。这种光纤的缺点是光纤表面的很小的缺陷，尘埃，污物都将使光发生 散射而射出光纤，引起光能损失。在一般光学系统中的全反射棱镜的反射 面上，虽然也存在这些缺陷，但是在一个棱镜系统中只有若干次反射，因 而影响不大。而在光纤中，光线可能要经过上千次上万次全反射，如果每 次全反射都损失一部分光能，总的损失就十分可观了。这种单质光纤特别 不适用于传像的光纤束，因为在光纤束中，光纤之间是紧密接蚀的，光线 有可能从一根光纤透人另一根光纤，这将影响传像的清晰度。
此光纤的数值孔径代表了光纤的传光能力，它是光纤的重要性能指标。
• 欲增大光纤的数值孔径，必须增加内外两种玻璃的折射率差。由 于高折射率光学玻璃的发展，目前玻璃光纤的最大放值孔径可以 达到1.4。当然对NA大于1的情形，光纤的两端必须位在浸液中， 好象显微物镜的数值孔径大于l肘，必须采用浸液物镜一样。
• 超出光纤数值孔径的光线，就会漏出光纤，并进入相邻的光纤， 这种光线，对传像光纤束就会降低像的清晰度，形成噪声。为了 防止漏光，在光纤的外包层外边，再用一层由高吸收玻璃构成的 包层。它可以把漏光吸收，防止嗓声的产生。
光纤光学基础
光纤原理：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，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。
一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。
光纤有两项主要特性：即损耗和色散。
光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km），关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。
光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。
每单位长度的脉冲展宽（ns/km），影响到一定传输距离和信息传输容量。
光纤的结构：光纤的结构：纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。
掺杂的作用是提高材料的光折射率。
纤芯直径约5~~75μm。
光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100~200μm上下。
包层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。
掺杂的作用是降低材料的光折射率。
这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。
两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。
包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。
涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。
光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。
光纤的折射率：光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数成为光纤的折射率刨面。
在圆柱坐标系（λ、Φ、z）中n（λ）来表示。
在理论分析中，折射率剖面n(r)就是光纤的数学模型：对于单包层光纤，纤芯直径为d，设纤芯轴心处的折射率n(0)=n1，包层折射率为n2,为了简略地表示的剖面特征，引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数Δ，其中定义为n1 2 ─n22 n1─ n2Δ = ──────≈─────2 n1 2 n1射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。
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56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底知识
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
光纤光学 学习指南
第一部分.光纤光学需要掌握的基本概念与重要结论第一章．绪论（4学时）1.光纤的优缺点优点：大容量；低损耗；抗干扰能力强；保密性好；体积小重量轻；材料取之不竭；抗腐蚀耐高温。
缺点：易折断；连接分路困难；怕水；怕弯曲。
2.光纤的分类重点掌握(1)光纤的结构，纤芯、包层、涂覆层的特点与作用(2)阶跃折射率分布光纤(SIOF)与渐变折射率分布光(GIOF)的特点与区别，折射率分布形式。
一些基本参数的意义与其表达式：相对折射差∆的意义与表达式；折射率分布参数g的意义（当g=∞时为SIOF，当g=2时为平方率分布光纤，当g=1时为三角分布光纤）。
(3)单模光纤与多模光纤的特点与区别（传输的模式数，芯径的大小，归一化频率）；归一化频率的意义与表达式（阶跃单模光纤的判据：V<2.405，渐变单模光纤的判据：V<3.508。
注意我们经常见到的2.405 是对阶跃光纤而言的）。
简单了解其它种类的光纤，例如保偏光纤与有源光纤（后面的课程会学到）。
3.光纤的制备工艺简单的了解一下。
第二章．光纤光学的基本方程（2学时）1.分析光纤波导的两种理论“几何光学方法”与“波动光学理论”的应用条件（几何光学方法：芯径远大于光波长；波动光学理论：芯径与波长可比例）与特点。
2.由麦克斯韦方程组出发推导波导场方程(1)“三次分离”，基本过程以及能够这样分离的依据“电磁”分离：由麦克斯韦方程组到波动方程“时空”分离：由波动方程到亥姆霍兹方程“横纵”分离：由亥姆霍兹方程到波到场方程(2)SIOF与GIOF中光线方程的意义，即SIOF与GIOF中光线的传播形式3.模式及其基本性质(1)模式的基本概念与定义(2)TEM、TE、TM、HE、EH模式的特点(3)纵向传播常数β横向传播常数W、U的意义（重点了解W的意义），以及W、U、V之间的关系(4)截止与远离截止的概念与基本条件（W=0截止，W=∞远离截止）(5)相速度、群速度、群延时的基本概念(6)线偏振模的概念第三章．阶跃折射率分布光纤（6学时）1.几何光学分析方法主要掌握一些基本的概念，“子午光线”与“偏斜光线”的定义；数值孔径的表达式，以及其物理意义(标志着光纤收光能力以及与光源耦合时偶和效率的大小)，数值孔径与传输带宽的关系（成反比）。
光纤光学知识点总结
光纤光学知识点总结第一部分：光的基本特性1. 光的波动特性光是一种电磁波，具有波动和粒子性质。
其中，波动特性表现为光波具有波长、频率、振幅和相位等特性，而粒子性质表现为光子是光的基本粒子，具有动量和能量。
2. 光的传播方式光的传播方式主要有直线传播和曲线传播两种。
直线传播是指光在均匀介质中以直线传播的方式进行传播，而曲线传播是指光在非均匀介质中因受到折射、反射等影响而沿曲线传播。
3. 光的衍射和干涉光的衍射是指光波在遇到缝隙或障碍物时产生偏折现象，而干涉是指两束光波相遇时产生互相干涉的现象。
衍射和干涉是光波的特有现象，是光学研究中重要的现象之一。
第二部分：光纤的基本结构和工作原理1. 光纤的基本结构光纤由芯、包层和外被组成。
其中，芯是光信号传输的核心部分，包层是为了保护芯而设置的，而外被则是为了保护整根光纤而设置的。
2. 光纤的传输特性光纤的传输特性主要包括色散、衰减和非线性失真等。
其中，色散是指不同波长的光波由于折射率的不同而产生的传输延迟差异，衰减是指光在传输过程中能量的损失，而非线性失真是指光波在非线性介质中传输时产生的波形失真现象。
3. 光纤的工作原理光纤的工作原理主要包括全内反射、多模传输和单模传输等。
其中，全内反射是指光在光纤中由于折射率不同而产生的全内反射现象，多模传输是指光纤中可以传输多个模式的光信号，而单模传输是指光纤中只能传输一个模式的光信号。
第三部分：光纤的应用领域1. 通信领域光纤在通信领域有着广泛的应用，主要包括长途通信、城域通信、局域通信和家庭通信等。
其中，长途通信是指利用光纤进行跨国、跨洲的通信传输，城域通信是指利用光纤进行城市范围内的通信传输，局域通信是指利用光纤进行企业或园区内的通信传输，而家庭通信是指利用光纤进行家庭内部的通信传输。
2. 医疗领域光纤在医疗领域有着广泛的应用，主要包括内窥镜、激光治疗和医学影像等。
其中，内窥镜是指利用光纤传输光源，使医生可以在体内进行观察和手术，激光治疗是指利用光纤传输激光能量进行疾病治疗，而医学影像是指利用光纤传输光源，进行医学图像的采集和传输。
光纤光学基础
同样在纤端由折射定律有：
n0 sin n1 sin
临界角对应的纤端入射角为 0： n0 sin 0 n1 sin 0
2 n0 sin 0 n12 n2
9
0
孔径角0 ：当纤端入射角小于0时，光线在光纤内满足全
反射条件，光线被限制在光纤内传输。 0反映了光纤的集光 能力称之为孔径角。
tg ; 表示单位长度光纤对应的反射次数。 2a
11
S
1 1 cos sin 1
sin
n0 2 n1
1
2
光线在光纤内单位长度传输的路程仅取决于纤端入射角以及 相对折射率n0/n1，与光纤的直径无关。
tg 1 2a 2atg 1 n12 2a 2 2 1 n0 sin
子午面：通过光纤中心轴任意平面都称为子午 面，子午面有无数个。 子午线：位于子午面内的光线，它和光纤的轴 线平行或相交。 子午线传播的特征：子午光线的入射线、反射线 和分界面的法线三者均在同一子午面内 , 分界面 的法线方向即为纤芯的半径。
2a
7
2a
n0 : 光纤周围媒质的折射率 n1：纤芯的折射率 n2：包层的折射率
光纤光学基础
光纤的基本概念 光纤的光学特性 光纤传感原理 物理量的光纤传感原理
1
第1章 光纤传输的基本理论
光纤：光导纤维，它是工作在光波波段的一
种介质波导，通常为圆柱形。
纤芯
包层
缓冲涂覆层
把光波能量利用全反射的原理约束在其界面 内，并引导光波沿光纤轴线前进。
2
光纤的分类：
纤芯直径2a 2 ~ 12μm 单模光纤 n1 n2 纤 - 皮折射率差 n 0.0005 ~ 0.01 1 按传输的模式数量 纤芯直径2a 50 ~ 500μm 多模光纤 n1 n2 纤 皮折射率差 0.01 ~ 0.02 n1
光纤光学演示文稿
E1t＝E2t; H1t＝H2t; B1n＝B2n; D1n＝D2n
第十四页，共25页。
分离变量：电矢量与磁矢量分离
得到只与电场强度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁
场强度H(x,y,z,t)有关的方程式：波动方程
第十五页，共25页。
分离变量: 时空坐标分离
前提：光纤传播单色光波，时间函数为简谐函数 令场分量为：
第二十页，共25页。
模式命名
根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将 模式命名为:
(1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0;
(2)横电模(TE): Ez＝0, Hz≠0; (3)横磁模(TM): Ez≠0,Hz＝0; (4)混杂模(HE或EH):Ez≠0, Hz≠0。 光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时 也出现TE(TM)模。
2＝w2emb2＝n2 k02b2横向传播常数
bn(r)k0cosqz 纵向传播常数
第十七页，共25页。
波导场方程的数学物理意义
波导场方程：是波动光学方法的最基本方程。 它是一个典型的本征方程,其本征值为或β。 当给定波导的边界条件时,求解波导场方程可 得本征解及相应的本征值。通常将本征解定 义为“模式”.
分析思路
电磁分离
时空分离 纵横分离
第十三页，共25页。
波动方程 wave equation
亥姆赫兹方程 Helmholtz equation 波导场方程
麦克斯韦方程
H D/t EB/t
D 0 B0
D＝εE B＝μH
e＝e0n2
边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续,
第二十一页，共25页。