光纤技术及应用---第三章

在工作波长一定的情况下，光纤中存在有 多个传输模式，这种光纤称为多模光纤。
单模(Single-Mode)光纤SMF ：
在工作波长一定的情况下，光纤中只一种 传输模式，这种光纤称为单模光纤。
光纤的尺寸
外径一般为125um(一根头发平均100um) 内径：单模9um
多模50/62.5um
12 9 5
12 5 50
1 62 2 .5 5
(3)按材料分类：
玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长， 成本高；
胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤 差不多，成本较低；
塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短 ，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。
3.1 光纤的射线光学理论
光纤技术及应用
Optical Fiber Technology and Its Application
2020/4/9
1
第3章
光
纤
Optic fiber
2020/4/9
2
引言
1、光纤（optic fiber）----是指能够传导光波的圆柱形介质波 导。它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引 导光波沿着光纤轴线方向传播。
与光芯线轴，(沿z）轴成向传播z 的的
速度为：
光波 ：是高频率的电磁波，其频率为1014HZ量级，波 长为微米量级。
圆波导（ Circular Waveguide ）的优点：
（1）从力学和应力平衡角度，机加工圆波导更为有利；
2020/4/9
3
（2）根据微波传输线的研究发现：功率容量和衰减是十分重要 的两个指标。这个问题从广义上看：
功率容量 衰减 a
此外： 多种特殊光纤也层出不穷，如双折射光纤、衰减场光纤、
掺稀土元素光纤及光子晶体光纤等。这些具有不同性能的光纤， 不仅用于信号的传输，还广泛应用于信号的处理和信号的获取。
光纤的基本特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。 结构特性主要指光纤的几何尺寸（芯径等）；光学特性包括折 射率分布、数值孔径等；传输特性主要是损耗及色散特性。
kr2
(n22k02
2)
r
2 2
2020/4/9
15
光纤芯层中-----光纤包层中----如果：
kr2
(n12k02
2)
r
2 2
kr2Biblioteka (n22k022)
r
2 2
n22k02 2 0
n12k02
2
2
r2
则表明在光纤包层中，光波场沿r方向迅速衰 减
表明在芯层区域内，光波场沿r方向为驻波 分布
（µm），Δ为相对折射率差，又称为光纤的结构参数，
其定义为：
n12 n22 2n12
n1 n2 n1 n2
n1
n2
f (r / a) 为折射率分布函数，其值在0~1之间连续单调变化，
光纤的分类
纤芯 包层 涂覆层
阶跃型 梯度型
（2）按传输的模式数量来分
多模(Multi-Mode)光纤 MMF：
如图所示：P36 若在光纤中某一点r处有一个本地平面波，它的波矢量为：
K1 n1K0
沿着z方向的分量为 沿r方向的分量为 kr
沿 方向的分量为 / r （其中 为方位角模数）
在光纤芯层中，波矢量各个分量之间的关系为：
kr2
r
2 2
2
n12k02
kr2
(n12k02
2)
2
r2
在包层中，波矢量各个分量之间的关系为：
0 电磁场随方位角变化，光线轨迹为空间折线，即 斜光线
2020/4/9
17
光纤中的光线 （a）子午光线 （b）斜光线
（2）延迟时间
由于阶跃光纤的新层折射率为常数，因此光线从光纤一 端传播到另一端的延迟时间完全取决于光所走过的路程或光 沿轴线的传播速度。由于斜光线的情况很复杂，只讨论子午 光线。
0
n12k02
2
2
r2
在芯层区域内的光波场为衰减形式。
对应于
n12k02
2
2
r2
的区域为临界面，称为 焦散面，其半径为：
2020/4/9
16
焦散面半径为：
r
n12k02 2
a0
在焦散面与芯层边界之间，光电磁场周期性振荡； 在焦散面以内和包层中，光电磁学迅速衰减。
0 光线轨迹为子午面内的折线，即子午光线；
纤芯 包层
保护套
2020/4/9
7
光纤的分类
（1）按折射率分布来分 阶跃光纤（包层光纤）：
n(r)
n1
n2
(r a) (r a)
(纤芯) (包层)
梯度光纤（渐变光纤）：其芯层折射率沿径向为渐
变形式，可表示成：
n(r) n1
1 2f ( r ), a
0ra
n2 ,
ra
式中：r为离开光纤轴心的距离， α为纤芯半径
本章介绍光纤的结构与分类、光波在光纤中的传输原理。 第四章讲光纤的传输特性（损耗、色散、偏振、非线性效应）
2020/4/9
6
3、光纤的结构、分类 纤芯（芯层）core：其折射率较高 , （用来导光）.
包层coating：其折射率较低，提供在纤芯内发生光全反射的条 件.
保护层jacket——保护光纤不受外界微变应力的作用、防水等作 用。 光纤横截面半径为几十至几百微米，长度从几十厘米到 上千千米。
1、阶跃（均匀）光纤 （1）光线轨迹
光线在光纤中存在不同形式的光线轨迹: 平面折线——子午光线; 空间折线——斜光线 (1)子午面：经过光纤轴线的平面。 特点：子午面在光纤横截面上的投影为一过轴心的直线。 (2)子午光线：在子午面内传播的锯齿型折线； (3)斜光线: 指与芯轴既不相交也不平行的空间折线.
Pmax S(其中S是截面) L(其中L是周长)
很容易引出一个品质因数F F Pmax S aL
很明显，数字研究早就指出：在相同周长的条件下，圆面积 最大
可见，要探索小衰减，大功率传输线，想到圆波导是自然 的。
2、光纤优点
与电缆相比，光纤（束）具有信息传输容量大、中继距离 长、不受电磁场干扰、保密性好和使用轻巧等特点。 1966年7 月，英国标准电话研究所的英籍华人高锟博士在一篇具有划时 代意义的论文中提出，利用带有包层材料的石英玻璃光学纤维 作为传光介质，其损耗可低于20 dB／km。在这一理论指导下， 1970年美国康宁公司宣布研制成功传输损耗为20 dB／km的光 导纤维。采用这种光纤，每传输1km的长度，光功率将下降到 原来的1／l00，可以用做传输介质。目前，石英光导纤维的损 耗已降至0.2 dB／km以下。所以光纤被用作长距离的信息传递。