光纤通信的基本原理

2.1光纤的结构与分类
纤芯：纤芯位于光纤的中心部 位。直径d1=4μ m～50μ m，
单模光纤的纤芯为4μ m～10μ m； 多模光纤的纤芯为50μ m。 纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有
极少量的掺杂剂（如GeO2， P2O5），作用是提高纤芯对光的 折射率（n1），以保证光信号在 光纤中的传输。
2.1光纤的结构与分类
涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包 括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。
一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机 硅或硅橡胶材料；
缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等
高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀
和机械擦伤，同时又增加了光纤的机 械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿 命的作用。涂覆后的光纤其外径约 1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。
超长波长光纤： > 2µm 短波长与长波长光纤为石英系光纤，而超长波长光
纤为非石英系光纤，如重金属氧化物、硫硒碲化合物和 卤化物光纤等。
2.1光纤的结构与分类
5.按套塑（二次被覆）分类 按套塑（二次被覆）分类可
以将光纤分为松套光纤和紧套光 纤。 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤 上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙 烯等塑料套管，光纤在套管内不 能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外 面再套上一层塑料套管，光纤可 以在套管中自由活动。
2.1光纤的结构与分类
在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光 纤纤芯/包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个 光的传输模式。
2.1光纤的结构与分类
多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中 传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传 导模。
优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输
汽车光纤
2.1光纤的结构与分类
④氟化物光纤。氟化物光纤（Fluoride Fiber）是由 氟化物玻璃作成的光纤。是迄今为止研究最多的光纤， 它的主要特点是具有最低的损耗，经大量的理论计算表 明，氟化物光纤的最低损耗在2.5um附近约为10-3dB/km， 比SiO2光纤的最低损耗要低2-3个数量级，如按当前SiO2 光纤无中继距离100km的水平计算 ，可以推测氟化物光 纤无中继距离可达到10000km以上。
本章内容
2.1 光纤的结构与分类 2.2 光纤传光原理 2.3 光纤中的传输模式 2.4 光Βιβλιοθήκη Baidu中的传输损耗 2.5 光纤的色散特性 2.6 光纤的物理机械特性
2.1光纤的结构与分类
2.1.1光纤的结构
光纤(Optical Fiber，OF)就是用来导光的透明介质 纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般 可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层 和外面的涂覆层。
模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同 模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽
2.1光纤的结构与分类
单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。 优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模
间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对 于高码速长途传输是非常重要的。 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需 要使用半导体激光器激励。
光纤结构示意图
2.1光纤的结构与分类
2.1.2光纤的类型
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分 布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使 用的材料或传输的工作波长来分类。
2.1光纤的结构与分类
1.按光纤材料分类
①石英光纤。石英光纤是 目前应用最广泛的光纤， 其主要材料为二氧化硅， 并掺有少量改变折射率的 掺杂剂。具有损耗低、频 带宽的特点，现在已广泛 应用于有线电视和通信系 统。
2.1光纤的结构与分类
3.按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分
布的不同可以将光纤分为阶跃 型光纤(Step-Index Fiber， SIF)和渐变型光纤(GradedIndex Fiber，GIF)，其折射 率分布如右图所示。
光纤的折射率分布
2.1光纤的结构与分类
阶跃型光纤是由半径为a、折 射率为常数n1的纤芯和折射率 为常数n2的包层组成，并且 n1>n2, n1=1.463~1.467, n2=1.45~1.46。
渐变型光纤与阶跃型光纤的 区别在于其纤芯的折射率不 是常数，而是随半径的增加 而递减直到等于包层的折射 率。
2.1光纤的结构与分类
4.按工作波长分
短波长光纤：0.8～0.9µm（目前实用波长为0.85μ m）
长波长光纤：1.0～1.7µm（主要有1.31μ m和1.55μ m两 个窗口）
2.1光纤的结构与分类
②多组份玻璃光纤。是以二氧化硅为主体材料，掺有较 多碱金属、碱土金属氧化物的玻璃光纤。具有制造工艺 简单，但机械强度低、可靠性差的特点，目前已基本不 再使用。
2.1光纤的结构与分类
③塑料光纤（POF）。塑料光纤 是由高透明聚合物如聚苯乙烯 （PS）、聚甲基丙烯酸甲酯 （PMMA）、聚碳酸酯（PC）作 为芯层材料，PMMA、氟塑料等 作为皮层材料的一类光纤（光 导纤维）。它的特点是制造成 本低廉，相对来说芯径较大， 与光源的耦合效率高，耦合进 光纤的光功率大，使用方便。 但由于损耗较大，带宽较小， 这种光纤只适用于短距离低速 率通信，如短距离计算机网链 路、船舶内通信等。
2.1光纤的结构与分类
2.按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模
光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数目 决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的 结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。
光纤结构示意图
2.1光纤的结构与分类
包层：包层位于纤芯的周围。 直径d2=125μ m，其成分也是
含有极少量掺杂剂的高纯度 SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的 作用则是适当降低包层对光 的折射率（n2），使之略低于 纤芯的折射率，即n1＞n2，从 而使得光信号封闭在纤芯中 传输。
光纤结构示意图