光纤结构和基本原理
光纤工作原理
光纤工作原理
光纤是一种能够传输光信号的特殊材料，它在通信领域有着非常重要的作用。
光纤的工作原理是基于光的全反射现象，通过光的折射和反射来实现信号的传输。
光纤的工作原理涉及到光的物理特性和光纤的结构设计，下面我们来详细了解一下光纤的工作原理。
首先，光纤的工作原理基于光的全反射。
当光线从光密介质射向光疏介质时，
光线会发生折射现象，当入射角大于临界角时，光线会全部反射回光密介质中，这就是全反射现象。
光纤的核心部分是由光密介质构成的，外部是由光疏介质包裹的，这样设计可以使得光线在光纤内部发生全反射，从而实现信号的传输。
其次，光纤的工作原理还涉及到光的折射和反射。
光线在光纤中传输时，会发
生折射和反射现象。
当光线从一种介质射向另一种介质时，会发生折射，而在介质之间的边界上，光线会发生反射。
通过合理设计光纤的结构，可以使得光线在光纤内部不断地发生折射和反射，从而实现信号的传输。
最后，光纤的工作原理还与光的传输方式有关。
光纤可以实现单模传输和多模
传输，其中单模传输是指光线只能沿着一条特定的路径传输，而多模传输是指光线可以沿着多条不同的路径传输。
通过合理设计光纤的结构和使用不同的光源，可以实现不同方式的光传输，从而满足不同场景下的需求。
综上所述，光纤的工作原理是基于光的全反射现象，通过光的折射和反射来实
现信号的传输。
光纤的工作原理涉及到光的物理特性、结构设计以及传输方式等多个方面，只有充分理解和掌握光纤的工作原理，才能更好地应用光纤技术，为通信领域的发展做出贡献。
光纤结构、波导原理和制造
其中h = 6.63 10-34 J·s为普朗克常数
在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而 与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光 照频率。
2 基本的光学定律和定义
光速 c = 3 108 m/s 波长：l = c/v 当光在媒介中传播时，速度cm = c/n 常见物质的折射率：空气 1.00027；
光纤结构、波导原理和制造
主要内容
回顾光的特性、基本的光学定律和定义
介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解 释
圆波导模式及其理论简介* 单模光纤的特性、材料以及制造工艺 光纤的几种成缆方式
光的波动性 1 光的基本特性
- 17世纪意大利格里马蒂和英国胡克 观测到光的衍射现象
- 1690年海牙物理学家惠更斯提出光 的波动性学说
光纤的分类
按传输的模式数目分 • 单模光纤 • 多模光纤
按折射率的变化分 • 阶跃光纤 • 梯度光纤
ITU-T官方定义 • G.651光纤 (渐变型多模光纤) • G.652光纤 (常规单模光纤) • G.653光纤 (色散位移光纤) • G.654光纤 (衰减最小光纤) • G.655光纤 (非零色散位移光纤)
光传播的入射角条件 将s1和s2的值代入相位关系式并简化可以得到：
2pn1d sin mp l
假如只考虑波的电场分量垂直于入射面的情况，那么因发射带
来的相移为：
2arctan
cos2
n22 / n12
s in
代入简化式中可以得到：
tan pn1d
s in
kp
n12
cos2
水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介
光纤的基本理论
第一章 光纤的基本理论1、光纤的结构：光纤是截面很小的可绕透明长丝，它在长距离内具有束缚和传输光的作用。
光纤由纤芯、包层和涂覆层构成，折射率从里到外依次减小（n 纤芯>n 包层>n 涂覆层）2、光纤的分类：（1）按光纤横截面上折射率分布的不同，可以将光纤分为阶跃折射率分布光纤 (简称阶跃光纤，适用于短距离传输 )和渐变折射率分布光纤 (简称渐变光纤，适用于长距离传输 )。
（2）根据传导模式数量的不同，光纤可以分为单模光纤和多模光纤两类。
单模光纤的纤芯直径很小，为4μm~10μm ，包层直径为125μm 。
多模光纤的纤芯一般为50μm,包层的外径为125μm 。
（3）按光纤构成的原材料分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层光纤、全塑光纤。
（4）按光纤的套塑层可分为紧套光纤和松套光纤。
3、光纤的相对折射率差：其中n1为纤芯的折射率， n2为包层折射率。
4、光纤的数值孔径为：NA5、假若在长为L 的光纤中，走得最快的模式所用的时间为τmin ，走得最慢的模式所用的时间为τmax ，则最大时延差Δτmax 为6、在多模渐变折射率光纤中，相对折射率差定义为 其中n(0)、n2分别是r = 0处的和包层的折射率。
7、渐变光纤的本地数值孔径公式：其中n （r ）为渐变光纤纤芯折射率。
8、亥姆霍兹方程 方程求解方法主要有两种：标量近似解和矢量解。
9、光纤的归一化频率10、归一化截止频率Vc 可求出截止波长λc(课本P15)当λ<λc 时，该模式可传输；而当λ>λc 时，该模式就截止。
11、图1—9（P16），注意横、纵坐标所表示的含义。
12、阶跃光纤中的模数量以M 表示，则M=V^2/2(详见课本P18)13、衡量光纤损耗特性的参数为衰减系数（损耗系数） ，定义为单位长度光纤引起的光功率衰减，其表达式为 其中Pi 为输入光纤的光功率，Po 为光纤输出的光功率。
14、造成光纤损耗的因素：引起光纤损耗的因素有吸收损耗、散射损耗和其它损耗，这些损耗又可以归纳为本征损耗、制造损耗和附加损耗等。
光纤的基本知识及应用
间色散高.适用于短途低速通讯,如：工控.但单模光纤由于模间色散很 小,所以单模光纤都采用突变型.
渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小,可使高模 光按正弦形式传播,这能减少模间色散,提高光纤带宽,增加传输距离,但 成本较高,现在的多模光纤多为渐变型光纤.
5.光纤通信的优点
通信容量大 中继距离长 保密性能好 资源丰富 光纤重量轻、体积小
通信容量大
从理论上讲,一根仅有头发丝粗细的光纤可以 同时传输1000 亿个话路.虽然目前远远未达到如 此高的传输容量,但用一根光纤同时传输24 万个 话路的试验已经取得成功,它比传统的明线、同轴 电缆、微波等要高出几十乃至上千倍以上.一根光 纤的传输容量如此巨大,而一根光缆中可以包括几 十根甚至上千根光纤,如果再加上波分复用技术把 一根光纤当作几根、几十根光纤使用,其通信容量 之大就更加惊人了.
保密性能好
光波在光纤中传输时只在其芯区进行,基本上 没有光泄露出去,因此其保密性能极好.
资源丰富
制造石英光纤的最基本原材料是二氧化硅即 石英 ,而石英在大自然界中几乎是取之不尽、 用之不竭的.因此其潜在价格是十分低廉的.
光纤重量轻、体积小
光缆的敷设方式方便灵活,既可以直埋、 管道敷设,又可以水底和架空.
2、按光纤种类,光缆可以分为多模光缆、单模光缆； 按光纤套塑方法,光缆可分紧套光缆、松套光缆、 束管式新型光缆和带状多芯单元光缆.
2、按光纤芯数多少,光缆可以分为单芯光缆、双芯 光缆、多芯光缆.
4、按加强物件配置方法,光缆可以分为中心加强物 件光缆如层绞光缆、骨架光缆等、分散加强物 件光缆如束管式结构、护层加强物件光缆.
第2章光纤通信的基本原理
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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。
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。
2n12
n1
2.2光纤传光原理
数值孔径NA是表达光纤接受和传输光的能力的参数，它与 光纤的纤芯、包层折射率有关，而与光纤尺寸无关。
NA或θc越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的 耦合效率越高。对于无损耗光纤，在2θc内的入射光都能 在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤 抗弯曲性能越好。但NA越大，经光纤传输后产生的信号崎 变越大，色散带宽变差，限制了信息传输容量。
光纤通信重要知识点总结
光纤通信重要知识点总结光纤通信是指利用光纤作为传输介质进行信息传输的通信方式。
光纤通信具有高带宽、长传输距离、低损耗和抗干扰等优点，因此在现代通信领域得到广泛应用。
下面是光纤通信的重要知识点总结：1.光纤的组成与结构：光纤主要由芯、包层和包衣组成。
芯是光信号传输的区域，通常由高折射率的材料制成；包层是用低折射率材料包围芯，起到光信号在纤芯内反射传播的作用；包衣是保护光纤的外层，通常由聚合物材料制成。
2.光纤的工作原理：光信号通过光纤的内部反射传播。
当光线从纤芯射入包层界面时，根据全反射原理，光线会完全反射回纤芯内部，从而沿着光纤传输。
通过控制入射角度和光纤材料的折射率可实现光信号的传输和传播。
3.光纤的传输特性：光纤具有高带宽、低损耗和低延迟等优点。
由于采用了光的传输方式，能够实现高速率的数据传输，大大提高了通信的速度和容量。
光纤的损耗非常低，可以在长距离范围内传输信号，而且几乎不受电磁干扰和信号衰减影响。
同时，光信号在光纤中的传输速度非常快，几乎接近光速，因此具有低延迟特性。
4.光纤通信系统的组成：光纤通信系统一般由光源、调制器、光纤传输介质、光解调器和接收器等组成。
光源可以是激光器或发光二极管等，用来产生光信号。
调制器用来将电信号转换成光信号，例如使用调制技术将数字信号转换成光脉冲信号。
光解调器则将光信号转换为电信号，通常使用光电二极管或光电探测器等光电转换器件。
接收器接收到光信号后进行信号处理和解码，将其转化为原始的电信号。
5.光纤通信的调制技术：光纤通信中常用的调制技术包括直接调制和外调制两种。
直接调制是通过改变激光器的电流或电压来实现光信号的调制，简单且成本低，但调制深度较浅。
外调制则是利用外部器件（如调制器）来对光信号进行调制，可以实现高深度的调制，但需要较复杂的设备和技术。
6.光纤通信网络的结构：光纤通信网络一般采用分布式结构或集中式结构。
分布式结构中，光纤纷纱采用星型或网状拓扑结构连接各个用户，每个用户都连接到一个光纤节点。
第二章光纤的结构和种类
r≤a r＞a ＞
a为纤芯半径 ；g为纤芯折射率 为纤芯半径 为纤芯折射率 分布指数； 为相对折射率差。 分布指数；△为相对折射率差。
△是表征纤芯折射率与包层折射率 差的大小的一个物理量， 差的大小的一个物理量，这个物理量直 接影响着光纤的性能。 接影响着光纤的性能。当n1与n2差别极 趋近于n 小(n1趋近于n2)，这种光纤称弱导波光 纤。目前应用的通信光纤常为弱导波光 纤。 2 ∆ = (n12 − n 2 )/ 2 n12 弱导波光纤相对折射率差△ 弱导波光纤相对折射率差△可近似为 相对折射率差
∆ ≈ (n1 − n2 )/ n1
不同g值的折射率分布 不同 值的折射率分布 n n1 2 g=1 n2 ∞
n(r)= n 1− 2∆ (r / a ) 1
[
1/2 g 1
]
g＝∞时为阶跃光纤 ＝ 时为阶跃光纤 g＝2时为平方律折射率 ＝ 时为平方律折射率 分布光纤 g=1时为三角形折射率分布 时为三角形折射率分布
二次涂覆层 一次涂覆层
··
紧套管 松套管
两种多心型芯线结构
1、带状光纤芯线 、 聚酸酯带 光纤涂覆层
裸纤
粘合剂
一个光纤带由几十至数百根光纤组成， 一个光纤带由几十至数百根光纤组成，并且 一个光纤带的接续可以一次完成，以适应大量光 一个光纤带的接续可以一次完成， 纤接续、安装的需要。特别适合用作用户光缆。 纤接续、安装的需要。特别适合用作用户光缆。
4、按光纤的材料分类 根据光纤的组成材料不同，可分为四种。 根据光纤的组成材料不同，可分为四种。 (1)石英玻璃光纤。（最常用） 石英玻璃光纤。 最常用） (2)多组分玻璃光纤(氧化物光纤)。 多组分玻璃光纤(氧化物光纤) (3)石英芯、塑料包层光纤。 石英芯、塑料包层光纤。 (4)塑料光纤。 塑料光纤。
光纤什么原理
光纤什么原理
光纤是一种通过光信号传输信息的技术。
其原理基于光在介质中的传播特性，主要包括全内反射原理和光的波导特性。
全内反射原理是光纤传输信息的核心原理。
光纤通常由两层不同折射率的材料组成，其中外层为低折射率的材料，内层为高折射率的材料。
当光在高折射率内层中垂直入射时，会发生折射现象。
而当入射角度超过临界角时，光就会发生全内反射，完全被反射回高折射率内层内部。
这样可以使光信号通过不断地全内反射而沿着光纤一直传输下去。
光的波导特性是指光在光纤中传播时集中在中心部分进行传输的特性。
光纤内层材料的高折射率和外层材料的低折射率导致了光在光纤内部几乎完全集中在高折射率部分。
这样可以有效减少光信号的损耗和干扰，提高传输效率和质量。
综上所述，光纤传输信息的原理主要包括全内反射原理和光的波导特性。
全内反射保证了光信号在光纤中的传输，而光的波导特性使光信号能够集中在光纤的中心部分进行传输。
这些原理的相互作用使得光纤在信息传输领域有着广泛的应用。
光纤光缆的基本知识
光纤光缆的基本知识一、内容描述首先让我们先来了解一下光纤光缆是什么，光纤光缆简单来说，就是一种用光信号来传输信息的线缆。
它是由玻璃或者塑料制成的一根细细的线，里面隐藏着强大的能量和信息传输能力。
就像我们生活中的快递小哥一样，光纤光缆是信息传输的快递员，快速、稳定地把我们的数据、声音、图像等送到目的地。
接下来我们就来详细说说光纤光缆的一些基本知识。
1. 光纤光缆的概念与重要性光纤光缆这个词，听起来好像很高科技，但其实它已经成为我们生活中不可或缺的一部分了。
光纤光缆是什么？简单来说就是一种用光信号传递信息的通信线路，它里面藏着一根细细的玻璃丝或者塑料丝，通过这丝“光的高速公路”，信息就像光一样快速地传输着。
你可能想不到，无论我们打电话、上网冲浪，还是看电视节目，背后都有光纤光缆在默默支撑着我们的通信需求。
那么光纤光缆的重要性体现在哪里呢？首先它的传输速度非常快，能够迅速传递大量的信息。
其次光纤光缆的抗干扰能力强，不容易受到电磁干扰或天气的影响。
因此它在我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，光纤光缆技术的发展让信息的传递变得更快更方便，也给我们的生活带来了更多乐趣和便利。
每一次的拨通电话、每一条的信息传递背后，都是光纤光缆的默默付出。
现在你是不是对光纤光缆有了更深的认识和感慨呢？接下来我们将更深入地探讨光纤光缆的其他基本知识。
2. 光纤光缆的应用领域简介好的接下来让我为您撰写关于《光纤光缆的基本知识》中的“光纤光缆的应用领域简介”的部分：您知道吗？如今我们生活中的许多地方，都离不开小小的光纤光缆呢。
咱们一起来看看它们究竟应用在哪些地方吧！光纤光缆的广泛应用真可谓是无处不在呢！从城市的高楼大厦到偏远山区的小村落，都有它们的身影。
首先最明显的应用就是在通信领域了，无论是电话、手机还是互联网，光纤光缆都扮演着传输信息的角色，它们像信息的超级快递员一样，将信息快速准确地送达千家万户。
不仅如此光纤光缆还广泛应用于有线电视信号的传输，让我们的电视节目更加清晰稳定。
光纤-导光原理,结构与分类1
光纤的导光原理
光的反射与折射示意图
光的全反射示意图
n2
2
1
3
n1
n2
0
①②
n1 n2
4
阶跃光纤的导光原理示意图
阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀 n2是包层折射率， n1是纤芯折射率。假设图中的阶跃 分布， 型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并 与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向 前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入 纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发 生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线 在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角 。由前面分析已知光纤的临界角为 n2 c arcsin( ) n1
多模传输的模式数
• 对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为
V2 Ns 2
• 对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为
V2 Ns 4
截止波长
• 截止波长是单模光纤特有的参数，是对应于第 一高阶模的归一化截止频率 Vc 2.405 时的 波长。即 2a
V
c
n1
2 2.405
故
2an1 2 c 2.405
阶跃型光纤中模式色散示意图
图中，沿光纤轴线传播的光线①传播路径最短，经过长度为L的 光纤传播时延t1最小,等于
Ln1 Ln1 t1 = C C
光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线②，它所产生的时 延t2是最大时延，等于：
L / sin 0 t2 = C / n1
Ln1 C sin 0
传播常数β
• 传播常数 β 是描述光纤中各模式传输特性的 一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以 由该参数决定。 • 光纤通信中信息就是由传导模传送的 。传导 模的传播常数是限制在到之间的，即 k0 n1 ＜β＜ k0 n2 。 • 当β＞ k0 n2时，包层中的电磁场不再衰减，而成 为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤 芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模 截止。 2 • 当β= k0 n 时，传导模处于临界截止状态，光线 在纤芯和包层的界面掠射。
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。
精品课件-光纤通信原理
由此可知，全内反射只能发生在光由光密介质入射到与光疏介质的
界面上，对于圆柱形光波导（纤），如果使纤芯中心部分的折射率 高于外包层的折射率，就有可能在纤芯和包层之间满足全内反射， 从而使光线“限制”在芯层内并以锯齿形连续反射光纤形式在光纤 中向前传输，直至传播到信息终端。
单模光纤和多模光纤
在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤 纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射 光的一个传播模式
由动画可以直观地看出：在阶跃多模光纤中，
不同模式的光信号到达终点所需的时间不相等。
时延
时延产生的后果会使输入脉冲信号发生“脉冲展宽”，产生多路径色散 或模间色散，在接收端信号会产生码间干扰。
由于时延（模间色散）的原因，阶跃多模光纤的工作带宽会受到严重影 响。
举例：P39 最大时延公式
2.梯度多模光纤
当β= 900 时，光纤会沿着平 行于两介质的界面传播，如图 2-3所示的光线②。这时的入 射种角介写质成 的临α界0 角，，我如们式称（它2为-3两） 所示。
即临界角由两种介质的折射 率n1和n2的比值决定的。
对于入射角α大于临界角α0
的所有光线，在光疏介质中没 有对应的折射光线存在，这些 光线在界面上全部被反射回光 密介质中，这种现象称为全内 反射，如图2-3所示的光线③。
3. 相对折射率差
举例：P36 例2-1
单模玻璃光纤的相对折射率差是0.2%； 多模玻璃光纤的相对折射率差是1%；
熟料光纤的相对折射率差是0.22～12%
但要注意： Δ与数值孔径和光纤的接受角也存在着一定的
数量关系。
表2-2列出了几种不同光纤纤芯的折射率是1.50时，Δ与数值孔径 和光纤的接收角的关系。
光纤的基本结构与分类
第二章光纤理论基础本章内容2.1 光纤的基本结构与分类（1）光纤的基本结构与导波原理（2）全反射相移，穿透深度与Goos-Haenchen位移（3）光纤折射率分布的类型（4）单模光纤与多模光纤2.2 阶跃折射率光纤2.3 光纤的传输特性2.4 光纤制造技术和光缆2.5 特种光纤2光纤的导光原理包层光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向阶跃折射率分布光纤：光纤芯子和包层的折射率都是均匀的渐变型光纤折射率分布是渐变的，包层的折射率是均匀的材料及几何尺寸：1.SiO 2密度：2.2g/cm32.光纤外径：125 microns3.裸纤重量：27g/km4.不溶于水5.受OH-影响，必须防水6.抗酸碱性能较差7.绝缘性好8.承受轴向应力能力强，承受径向作用力弱光纤的物理化学特性7光纤的物理化学特性描述光在光纤中的传输特性时有两种分析方法：⏹射线光学（几何光学）方法⏹从几何光学出发，用射线光学理论分析光纤中的光传输特性。
⏹包含了光的直线传播定律、光的反射定律和光的折射定律三个基本定律。
⏹射线光学分析方法简单、直观但不够完整准确。
⏹波动光学方法⏹从麦克斯韦（Maxwell ）方程组出发，用波动光学理论精确、严密地分析光在光纤中的传输特性。
光纤传输特性的分析方法9两种分析方法的对比10模式分布光线轨迹研究内容边界条件折射/反射定律研究方法波导场方程射线方程基本方程模式光线研究对象λ~dλ<<d （几何尺寸远大于光波长——多模光纤）适用条件波动光学方法射线光学（几何光学）ϕθiθi22sin NA n n n ϕ==−（2）横向谐振——相干加强条件1232(AD BC)2,0,1,2,πϕϕπλ−−−==n m m 01232cos 2θϕϕπ−−=k n h m (AD BC)2cos h θ−=光纤的基本结构与导波原理全反射相移，穿透深度与Goos-Haenchen 位移光纤折射率分布的类型单模光纤与多模光纤16k h什么样的光线可以在光纤中有效传输？在光纤中有效传输的光线需要满足什么条件？（1）满足全反射条件；（2）满足横向谐振条件。
光纤基础知识
多模光纤
常用的多模光纤主要有IEC－60793－2光纤产品 规范中的A1a类（50／125μm）和A1b类（62．5／ 125μm）两种； 为满足10Gbit／s以太网传输的要求，现在出现 了新型50／125μm多模光纤。与62．5／125μm光纤 相比，50／125μm光纤的数值孔径和芯径较小、传 导模的数目较少、带宽较高而成本较低。
分光器原理
熔锥型分路器的制作
熔锥型分路器的制作
熔锥法就是将两根（或两根以上）除去涂覆层的光纤以一定 的方法靠扰，在高温加热下熔融，同时向两侧拉伸，最终在 加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，通过控制光纤扭转 的角度和拉伸的长度，可得到不同的分光比例。最后把拉锥 区用固化胶固化在石英基片上插入不锈铜管内，这就是光分 路器。这种生产工艺因固化胶的热膨胀系数与石英基片、不 锈钢管的不一致，在环境温度变化时热胀冷缩的程度就不一 致，此种情况容易导致光分路器损坏，尤其把光分路器放在 野外的情况更甚，这也是光分路失效的最主要原因。
光纤分类
多模光纤的纤芯直径为50~62.5m，包层外直径125m； 单模光纤的纤芯直径为8.3m，包层外直径125m； 光纤的工作波长有短波长0.85m、长波长1.31m和1.55m； 光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85m的损耗为 2.5dB/km,1.31m的损耗为0.35dB/km，1.55m的损耗为 0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65m以上的损耗趋 向加大。
G.652C光纤参数指标
支持 10Gbit/s速率的传输
光纤类型
G.654光纤：1550nm损耗最小光纤，主要用于长再生中继 距离的海底光缆。 G.655光纤：克服了G.652光纤在1550nm处色散受限和 G.653光纤在1550nm处出现四波混频效应的缺陷，适用于 WDM系统。
光纤结构和基本原理
光纤结构和基本原理光纤是一种通过光信号传输信息的传导介质，其基本原理是利用光的全内反射现象将光信号沿光纤传输。
光纤结构主要包括纤芯、包层和衬套三部分，下面将详细介绍光纤的结构和基本原理。
光纤的结构主要由纤芯、包层和衬套组成。
纤芯是光信号传输的核心部分，通常由高折射率材料构成；包层是纤芯的外部，折射率低于纤芯，用于控制光信号传输时的泄漏；衬套是包层的外层，主要起到保护纤芯和包层的作用。
在光纤中，光信号的传输主要依赖光的全内反射现象。
当光从纤芯进入包层时，如果入射角小于一个临界角，光就会被全内反射回纤芯中，继续沿光纤传输。
该临界角由光纤的结构和折射率决定，通常在光纤制造时通过控制纤芯和包层的折射率来实现。
光纤的工作原理与光信号传输的方式紧密相关。
光信号通常通过光源产生，可以是激光二极管、发光二极管等。
光源发出的光经过适当的调制和放大后，被输入到光纤的纤芯中。
光信号在纤芯中沿纤轴方向传输，受到包层的包围和保护。
在光纤传输过程中，光信号会发生一定的衰减和色散，但相对于传统的电信号传输方式，光纤的传输损耗和衰减要小得多。
光纤的结构和基本原理决定了其具有很多优点。
首先，光纤具有高带宽和大容量的特点，在信号传输中可以传输更多的信息。
其次，光纤的传输距离较远，可达到几十公里或者更远的范围，适用于长距离通信和数据传输。
此外，光纤传输信号不受电磁干扰的影响，可以提供更稳定和可靠的通信质量。
最后，光纤具有较小的尺寸和重量，方便安装和维护。
总之，光纤的结构和基本原理是利用光的全内反射现象将光信号通过纤芯传输的。
光纤的结构由纤芯、包层和衬套组成，其原理是通过控制光的入射角来实现光信号的全内反射。
光纤具有高带宽、大容量、长传输距离、抗干扰等优点，在通信和数据传输中有着广泛的应用前景。
光纤束结构
光纤束结构
光纤束是由多根光纤组成的结构，用于将光信号从一个位置
传输到另一个位置。
光纤束的结构可以按照不同的要求和应用
设计。
光纤束的结构通常由以下几个部分组成：
1.光纤芯：光纤芯是光信号传输的核心部分，由高折射率材
料制成，通常是光纤中心的圆心区域。
光信号被注入光纤时，
会沿着光纤芯传输。
2.光纤包层：光纤包层是光纤芯的外层，由低折射率材料制成，其作用是避免光信号从光纤中逃逸。
光纤包层通过全反射
的原理将光信号限制在光纤芯中传输。
3.光纤外包层：光纤外包层是包裹光纤包层的外层保护层，
由聚合物材料或涂层材料制成，用于保护光纤不受外界环境的
影响和损坏。
4.光纤结构设计：光纤束的结构设计可以根据具体的应用需
求进行调整。
例如，对于高功率激光传输，可以采用双壁光纤
结构，其中光纤芯周围还有一层较低密度的空气或气体。
光纤束的结构中还可以有其他组件，如光纤连接头、护套等。
光纤连接头用于连接不同的光纤束或光纤设备，护套则用于增
加光纤束的机械强度和保护性能。
光纤结构和基本原理
光纤基本结构及原理2011-08-16 12:042.6.1 光纤通信的概念与基本原理多种多样的通信业务迫切需要建立高速率的信息传输网。
在传输网，特别是骨干网中，高速数字通信的速率已迈向每秒G（109）比特级，正在向T（1012）比特级迈进。
要实现这样高速的数字通信，依靠无线媒质或是以传统电缆为代表的有线媒质均是不可想象的。
这一难题直到光纤作为一种传输媒质被人们发现之后才得以破解。
光纤的潜在容量可达数百T，要比传统电缆的容量至少高出5个数量级。
纵观通信发展史，不难发现，人们一直在不断开拓电磁波的各个频段，把如何利用电磁波作为通信技术的重要研究方向。
在大学物理课程中我们已经学到，光可以看作是可见光波段的电磁波。
因此，开发光波作为通信的载体与介质是很自然的。
在光通信的发展历史中，两大主要的技术难点是光源和传输介质。
在上世纪60年代，美国开发了第一台激光器，相对于其他普通光源，激光器具有亮度高、谱线窄、方向性好的特点，可以产生理想的光载波。
另一方面，激光如果在大气中传播，会受到变幻无常的气候条件的影响。
因此人们设想利用可以导光的玻璃纤维——光纤进行长距离的光波传输。
1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/1km的石英玻璃光纤，达到了实用水平。
目前实用的光纤直径很小，既柔软又具有相当的强度，是一种理想的传输媒质。
目前，在朗迅（Lucent）、北电（Nortel）、阿尔卡特（Alcatel ）、西门子（Siemens）等公司的实验室中，光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。
光纤通信的定义：光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的一种通信方式。
光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制，在接收端以直接检波的方式来完成光/电变换。
2.6.2 光纤的工作窗口1．工作窗口的定义光波可以看作是电磁波，不同的光波就会有不同的波长与频率。
我们知道，透明的彩色玻璃之所以有颜色，是因为它只允许一种颜色的光波通过，而其他颜色的光波通过较少。
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光纤基本结构及原理2011-08-16 12:042.6.1 光纤通信的概念与基本原理多种多样的通信业务迫切需要建立高速率的信息传输网。
在传输网，特别是骨干网中，高速数字通信的速率已迈向每秒G（109）比特级，正在向T（1012）比特级迈进。
要实现这样高速的数字通信，依靠无线媒质或是以传统电缆为代表的有线媒质均是不可想象的。
这一难题直到光纤作为一种传输媒质被人们发现之后才得以破解。
光纤的潜在容量可达数百T，要比传统电缆的容量至少高出5个数量级。
纵观通信发展史，不难发现，人们一直在不断开拓电磁波的各个频段，把如何利用电磁波作为通信技术的重要研究方向。
在大学物理课程中我们已经学到，光可以看作是可见光波段的电磁波。
因此，开发光波作为通信的载体与介质是很自然的。
在光通信的发展历史中，两大主要的技术难点是光源和传输介质。
在上世纪60年代，美国开发了第一台激光器，相对于其他普通光源，激光器具有亮度高、谱线窄、方向性好的特点，可以产生理想的光载波。
另一方面，激光如果在大气中传播，会受到变幻无常的气候条件的影响。
因此人们设想利用可以导光的玻璃纤维——光纤进行长距离的光波传输。
1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/1km的石英玻璃光纤，达到了实用水平。
目前实用的光纤直径很小，既柔软又具有相当的强度，是一种理想的传输媒质。
目前，在朗迅（Lucent）、北电（Nortel）、阿尔卡特（Alcatel ）、西门子（Siemens）等公司的实验室中，光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。
光纤通信的定义：光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的一种通信方式。
光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制，在接收端以直接检波的方式来完成光/电变换。
2.6.2 光纤的工作窗口1．工作窗口的定义光波可以看作是电磁波，不同的光波就会有不同的波长与频率。
我们知道，透明的彩色玻璃之所以有颜色，是因为它只允许一种颜色的光波通过，而其他颜色的光波通过较少。
石英光纤也具有类似的选择特性，对特定波长的光波的传输损耗要明显小于其它波长的光波，这些特定的波长就是光纤的工作窗口。
工作窗口是随着原材料工艺的不断发展和对光纤传输特性研究的不断深入而一个接一个被打开的。
2．三个工作窗口（1）0.8~0.9 μm，最低损耗2.5dB/km，采用石英多模光纤，主要应用于近距通信，目前在传输网中已很少使用；（2）1.31 μm，最低损耗0.27 dB/km，采用石英单模光纤，目前已获得大规模应用；（3）1.55 μm，最低损耗0.16 dB/km，采用石英单模适当色散光纤。
目前主要用于长距离传输系统，如跨海光缆等。
2.6.3 光纤的相关概念1．光在光纤中的传播在物理课中学过，光在空气中是沿直线传播的，光射向镜面时会发生反射，而从一种介质进入另一种介质时，会发生折射。
当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，如果入射角大于临界值就会发生全反射。
不难看出如果在玻璃纤维外包裹一定的材料，就可以由全反射来保证光波只在玻璃纤维中传播，这即是光导纤维的工作原理。
2．光纤的结构实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，通信用光纤的外径一般为125~140 μm。
一般所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。
工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。
图2-7、图2-8给出了光纤和光缆的一般结构。
图2-8四芯光缆剖面示意图3．光纤的分类（1）根据光纤横截面上折射率的不同，可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤，阶跃型光纤的纤芯和包层间的折射率分别是一个常数，在纤芯和包层的交界面，折射率呈阶梯型突变。
渐变式光纤纤芯的折射率随着半径的增加按一定规律减小，在纤芯与包层交界处减小为包层的折射率。
纤芯的折射率的变化近似于抛物线；（2）按传输模式分：分为单模光纤（Single Mode Fiber）和多模光纤（Multi Mode Fiber）。
光以一特定的入射角度射入光纤，在光纤和包层间发生全发射，从而可以在光纤中传播，即称为一个模式。
当光纤直径较大时，可以允许光以多个入射角射入并传播，此时就称为多模光纤；当直径较小时，只允许一个方向的光通过，就称单模光纤。
由于多模光纤会产生干扰、干涉等复杂问题，因此在带宽、容量上均不如单模光纤。
实际通信中应用的光纤绝大多数是单模光纤。
二者的区别如图2-9所示。
图2-9 单模光纤与多模光纤其中，单模光纤又可以按照最佳传输频率窗口分为：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。
常规型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在单一波长的光上，如1.31 μm，相关国际标准为ITU-T G.652。
色散位移型单模光纤是将光纤传输频率最佳化在两个波长的光上，如：1.31 μm和1.55 μm，相关国际标准为ITU-T G .653。
设计色散位移型单模光纤的目的是使光纤较好地工作在1.55 μm处，这种光纤可以对色散进行补偿，使光纤的零色散点从1.31μm处移到1.55 μm附近。
这种光纤也称为1.55 μm零色散单模光纤，是单信道、超高速传输的极好的传输媒介。
现在这种光纤已用于通信干线网，特别是用于海缆通信类的超高速率、长中继距离的光纤通信系统中。
色散位移光纤虽然用于单信道、超高速传输是很理想的传输媒介，但当它用于波分复用多信道传输时，又会由于光纤的非线性效应而对传输的信号产生干扰。
特别是在色散为零的波长附近，干扰尤为严重。
因此，又出现了一种非零色散位移光纤，这种光纤将零色散点移到1.55 μm 工作区以外的1.60 μm以后或在1.53 μm以前，但在1.55 μm波长区内仍保持很低的色散，相关国际标准为ITU-T G.655。
这种非零色散位移光纤不仅可用于现在的单信道、超高速传输，而且还可适应于将来用波分复用来扩容，是一种既满足当前需要，又兼顾将来发展的理想传输媒介；（3）按照制造光纤所用的材料分：可以分为石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。
其中，塑料光纤是用高度透明的聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）制成的。
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，如短距离计算机局域网链路、船舶内通信等。
目前通信中普遍使用的是石英系光纤。
4．光纤的损耗（1）损耗：当光波通过光纤后，光的强度会被衰减，这说明光纤中存在某种物质或是由于某种原因阻挡光波信号通过，这就形成了光纤的传输损耗。
损耗是影响光纤通信传输距离的重要因素。
选择“工作窗口”即是选择损耗小的工作波长；（2）固有损耗和附加损耗：根据引起损耗的原因，可以把损耗分为固有损耗和附加损耗。
固有损耗是光纤本身具有的损耗，由光纤本身的特点决定，一般又可以分为散射损耗、吸收损耗和由于波导结构不完善引起的损耗。
附加损耗是指由于使用条件引起的损耗。
需要特别说明的是，在不同的工作波长下，光纤的固有损耗是不同的；（3）吸收损耗：制造光纤的材料会在一定程度上吸收光能，材料中的粒子吸收光能后，会产生振动发热等现象而将能量散失掉，这就产生了吸收损耗。
根据常用光纤的工作波长，这种粒子吸收能量主要以紫外吸收和红外吸收的形式存在；（4）散射损耗：如果光纤材料粒子的固有振动频率与入射光波的频率相同，就会产生共振，该粒子就会把入射光向各个方向散射，从而衰减了入射光的能量。
另外，光纤中的杂质、如气泡，以及粗细不均匀等现象也会引起散射；（5）使用损耗：光纤的附加损耗主要是由使用损耗构成的。
在光纤的连接处，微小弯曲、挤压、拉伸受力均会引起使用损耗。
使用损耗的机理是：光纤在这些情况下，传输模式发生了变化。
施工工艺的提高可以最大限度的减小使用损耗。
5．光纤的带宽与色散（1）色散：光信号经光纤传输，到达输出端时会发生时间上的展宽，这种现象称为色散。
色散产生的原因是因为光信号的不同频率分量和不同传播模式造成的传输速度的差异，使信号到达终点所用时间不同，即由于群时延而引入了色散。
色散会导致信号波形产生畸变，从而导致误码，这对于高速数字通信的影响尤为明显；（2）带宽与色散的关系：色散现象限制了光纤对高速数字信号的传输，从而也就限制了光纤的带宽。
从另一方面理解，线路的带宽越宽，脉冲波形的展宽就越小，可传送的信号频率就越高。
实际上这两个定义从不同角度描述了光纤的同一种特性；（3）色散的分类：① 模式色散：多模光纤中，不同的传输模式其传输路径不同，到达终点的时间也不同，从而引起光脉冲被展宽，由此产生的色散称为模式色散；② 材料色散：严格来讲，石英玻璃对不同波长的光波的折射率是不同的，而光源所发出的光也并不是理想的单一波长，因此它们的传输速度不同，由此而引起的色散称为材料色散；③ 波导色散：在纤芯与包层交界处发生全发射时，部分光波会进入包层传输，其中又有光波会传回纤芯。
由于这部分的光波与原有光信号的传输路径不同也会引起色散，称为波导色散。
（4）色散问题的解决：一般来说，模式色散>材料色散>波导色散，在限制带宽方面起主要作用的是模式色散。
因此应用单模光纤和窄谱线的激光器就可以有效地减小色散。
实用的1.31 μm单模光纤,总色散接近零。
而如果将总色散零点移至1.55 μm处，则将同时具有最小色散和最小损耗；（5）光纤的传输带宽：带宽主要受限于色散，一般光纤出厂时会标明其传输带宽。
通常单模光纤的传输带宽在10GHz以上。
2.6.4 光纤作为传输介质的主要特点1．传输频带宽更宽的带宽就意味着更大的通信容量和更强的业务能力，一根光纤的潜在带宽可达T比特级（1012）。
目前，160Tbit/s的密集波分复用（DWDM）设备在部分制造商的实验室已经试制成功。
可以看出，通信媒质的通信容量大小不是由导线（媒质）本身的体积大小决定的，而是由它传输电磁波的频率高低来决定的，频率越高，带宽就越宽。
2．传输距离长在一定线路上传输信号时，由于线路本身的原因，信号的强度会随距离增长而减弱，为了在接收端正确接收信号，就必须每隔一定距离加入中继器，进行信号的放大和再生。
常用的同轴电缆的中继距离只有数公里，而光纤的传输损耗可低于0.2dB/km，理论上光纤的损耗极限可达0.15dB/km，目前已试制成功数千公里无需中继的光纤。
3．抗电磁干扰能力强一是由于光纤是绝缘体，不存在普通金属导线的电磁感应、耦合等现象；二是光纤中传输的信号频率非常高，一般干扰源的频率远低于这个值，因此光纤抗电磁干扰的能力非常强。
此外，光纤对于湿气等环境因素也具有很强的抵抗能力。
这一特性使它非常适用于沿海区域和越洋通信。
4．保密性好由于金属导线存在电磁感应现象，同时屏蔽不好导线本身就可以看作是一段天线，因此其保密性较差。