透光和导光材料
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刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆 弱的。为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品 提供的光纤都在刚拉制后经过一道套塑工序，在其 外表涂覆上一层甚至几层塑料层。通常光纤的套塑 方式有松套和紧套两种。涂覆可以提高光纤的抗拉 强度，同时改善其抗水性能。
纤芯 core：折射率较高，用来传送光；
包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形 成全反射条件；
光纤结构示意图 光纤芯线结构
光导纤维传输点光源示 意图
光纤的构造
纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：9~50μm 包层：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125 μm 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙 纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的
●传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的 放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下 光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百 公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继 器只能传输几公里。在理论上，光纤可以传送 107路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆 储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕， 其容量比金属同轴电缆大5个数量级。
n1 n11 n12 n13 n2
光线理论
理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：
(z) Asin
2 a1
Z
n 2 光在渐变光纤
以不同角度入
n1
射的光线族皆 以正弦曲线轨
迹在光纤中传
播，且近似成
聚焦状
波动理论
光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传 输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了解 光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。尤 其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能正 确处理单模光纤的问题。
光线理论
包层
θ2
n2
n1
纤芯
θ1 1'
入射光
折射光 反射光
n2 sin2 n1 sin1
光的反射与折射
n2
n1
入射光
θ2=90o θc
折射光
c sin1(n2 / n1)
光的全反射现象
光线理论
光在阶跃光纤中的传播轨迹
n0 sina n1 sin n1 cos1
1 c sinc n2 / n1
●光纤材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常丰 富。
光纤的传输原理
光线理论（几何光学方法）
把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解 释光在光纤中传播的物理现象
波动理论 （波动光学方法）
把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分 布的模式来解释光在光纤中的传播现象
几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光纤 的传输特性和传输原理有更精确的分析
保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击， 保护光纤。
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
125 9
125 50
125 62.5
光纤传输信息具有许多优点：
●载频为3×1014Hz，约为电视通信所用超高频 的100000倍，从而使信息载带容量或带宽激增；
n12 n22 2n12
2n12
n1
2
θ
接收锥
数值孔径
NA表示光纤接收和传输光的能力。 NA（或θa）越大，表示光纤接收光的能力越强，光
源与光纤之间的耦合效率越高。
NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯
曲特性越好。
NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更
1966年，英籍华人高昆(K．C．Kao)和他的同事 Hockham以及法国的Werts根据介质波导理论提出光 纤传输线的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达 1000dB／km，但他们指出如采用石英玻璃等作介质， 可使其损耗降低到20dB ／km。（光纤的损耗:损耗指光
信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示 ）
n0 sina n12 n22
光学参数
折射率差 (n12 n22 ) / 2n12
数值孔径 NA n0 sina
源自文库
n12 n22
n12 n22 2n12
2n12
n1
2
数值孔径（Numeric Aperture）
NA n0 sina
n12 n22
大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须 适当选择NA。
单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。
输入 NA
输入 NA
低数值孔径NA 高数值孔径NA
输出 输出
光线理论
光在渐变光纤中传播的定性解释
n2 n15 n14 n13 n12 n11 n1
将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:
基本光纤系统方框图：
发送单元
传输单元
接收单元
信号
电E/光O转换
光发 射机
光源
光纤
中继器
光O/电E转换
检测器
光接 收机
信号
连接器件
●光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体 产生杂散电场的影响。因此不受干扰，基本上 能防范电子间谍。
● 尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的 芯径仅为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直 径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样可 以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥 挤问题。
光纤通讯
Electrical to Light
Input
Light to Electrical
Output
目标：电输出 = 电输入
1 光导纤维材料
光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤 芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有 极高的透过率。目前应用的光纤是以SiO2为主要原料 的纤维，其纤芯芯径为数µm到数百µm。光线进入光 纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信 息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。
掺杂来实现。 纤芯掺入Ge和P 折射率 包层掺入B 折射率
纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封 闭在光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯 材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。目前通信 应用的光纤主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折 射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往 往在石英中掺入比石英折射率低的杂质。
纤芯 core：折射率较高，用来传送光；
包层 coating：折射率较低，与纤芯一起形 成全反射条件；
光纤结构示意图 光纤芯线结构
光导纤维传输点光源示 意图
光纤的构造
纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：9~50μm 包层：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125 μm 涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙 纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的
●传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的 放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下 光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百 公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继 器只能传输几公里。在理论上，光纤可以传送 107路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆 储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕， 其容量比金属同轴电缆大5个数量级。
n1 n11 n12 n13 n2
光线理论
理论上，光在渐变光纤的传播轨迹：
(z) Asin
2 a1
Z
n 2 光在渐变光纤
以不同角度入
n1
射的光线族皆 以正弦曲线轨
迹在光纤中传
播，且近似成
聚焦状
波动理论
光线理论分析法虽然可简单直观地得到光线在光纤中传 输的物理图像，但由于忽略了光的波动性质，不能了解 光场在纤芯、包层中的结构分布以及其他许多特性。尤 其是对单模光纤，由于芯径尺寸小，光线理论就不能正 确处理单模光纤的问题。
光线理论
包层
θ2
n2
n1
纤芯
θ1 1'
入射光
折射光 反射光
n2 sin2 n1 sin1
光的反射与折射
n2
n1
入射光
θ2=90o θc
折射光
c sin1(n2 / n1)
光的全反射现象
光线理论
光在阶跃光纤中的传播轨迹
n0 sina n1 sin n1 cos1
1 c sinc n2 / n1
●光纤材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常丰 富。
光纤的传输原理
光线理论（几何光学方法）
把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解 释光在光纤中传播的物理现象
波动理论 （波动光学方法）
把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分 布的模式来解释光在光纤中的传播现象
几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光纤 的传输特性和传输原理有更精确的分析
保护套 jacket：强度大，能承受较大冲击， 保护光纤。
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
125 9
125 50
125 62.5
光纤传输信息具有许多优点：
●载频为3×1014Hz，约为电视通信所用超高频 的100000倍，从而使信息载带容量或带宽激增；
n12 n22 2n12
2n12
n1
2
θ
接收锥
数值孔径
NA表示光纤接收和传输光的能力。 NA（或θa）越大，表示光纤接收光的能力越强，光
源与光纤之间的耦合效率越高。
NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯
曲特性越好。
NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更
1966年，英籍华人高昆(K．C．Kao)和他的同事 Hockham以及法国的Werts根据介质波导理论提出光 纤传输线的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达 1000dB／km，但他们指出如采用石英玻璃等作介质， 可使其损耗降低到20dB ／km。（光纤的损耗:损耗指光
信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示 ）
n0 sina n12 n22
光学参数
折射率差 (n12 n22 ) / 2n12
数值孔径 NA n0 sina
源自文库
n12 n22
n12 n22 2n12
2n12
n1
2
数值孔径（Numeric Aperture）
NA n0 sina
n12 n22
大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须 适当选择NA。
单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。
输入 NA
输入 NA
低数值孔径NA 高数值孔径NA
输出 输出
光线理论
光在渐变光纤中传播的定性解释
n2 n15 n14 n13 n12 n11 n1
将径向r方向连续变化的折射率分为不连续变化的若干层表示:
基本光纤系统方框图：
发送单元
传输单元
接收单元
信号
电E/光O转换
光发 射机
光源
光纤
中继器
光O/电E转换
检测器
光接 收机
信号
连接器件
●光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体 产生杂散电场的影响。因此不受干扰，基本上 能防范电子间谍。
● 尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的 芯径仅为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直 径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样可 以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥 挤问题。
光纤通讯
Electrical to Light
Input
Light to Electrical
Output
目标：电输出 = 电输入
1 光导纤维材料
光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤 芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有 极高的透过率。目前应用的光纤是以SiO2为主要原料 的纤维，其纤芯芯径为数µm到数百µm。光线进入光 纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信 息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。
掺杂来实现。 纤芯掺入Ge和P 折射率 包层掺入B 折射率
纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封 闭在光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯 材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。目前通信 应用的光纤主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折 射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往 往在石英中掺入比石英折射率低的杂质。