第二章光纤的结构和种类

（µm） ） 50～75 ～
∆ %
1～3 ～
带宽
(MHz·km)
传输 模式
(r ≤ a) (a < r < d)
几百 1000
多 模 多 模 单 模
(r ≤ a) (a < r < d)
(r ≤ a) (a < r < d )
50～ ～ 75
1～3 ～
SMF
n = 1 n(r ) n2
4～10 ～
一、光纤的结构 纤芯材料： 纤芯的作用是传导光波。包层的作用是将光 只有纤芯和包层构成的光纤，我们称为是裸 纤芯的作用是传导光波。 µm 2或 只有纤芯和包层构成的光纤， 纤芯材料：SiO2(主材料)+GeO。 P2O5(掺杂µm。 主材料)+GeO 光纤是用石英玻璃制成的截面很小的双层或 多模光纤的纤芯直径为50 单模光纤和多模光纤的包层直径都是125 50µ 125µ 多模光纤的纤芯直径为50单模光纤的纤芯 单模光纤和多模光纤的包层直径都是125 光纤非常细，比头发稍粗, 光纤非常细，比头发稍粗, 波封闭在光纤中传播。 波封闭在光纤中传播 光纤。 光纤 剂) 。 多层同心圆柱体。 。 多层同心圆柱体。光纤由纤芯和包层两部分 直径为10 10µ 直径为10µm。 包层材料： 主材料)+B F(掺杂剂 掺杂剂) 包层材料： SiO2(主材料)+B2O3或F(掺杂剂) 构成。 构成。
按光纤的工作波长分： 3、按光纤的工作波长分： 短波长光纤： =0.7∼0.9µm,用于短距离、 短波长光纤：λ=0.7∼0.9µm,用于短距离、小容量 用于短距离 光纤通信系统,它属于多模光纤。 光纤通信系统,它属于多模光纤。 长波长光纤： =1.1∼1.6µm,用于中 长距离， 用于中、 长波长光纤： λ=1.1∼1.6µm,用于中、长距离，大 容量光纤通信系统，单模和多模都有。 容量光纤通信系统，单模和多模都有。 超长波长光纤： 它属于单模光纤， 超长波长光纤： λ≥2µm。它属于单模光纤，是光 纤的发展方向。 纤的发展方向。
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
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。
∆ ≈ (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
a r
按照光纤中传输的总模数分： 2、按照光纤中传输的总模数分： 单模光纤和多模光纤。 单模光纤和多模光纤。 (1)单模光纤(Single Fiber)。 (1)单模光纤(Single Mode Fiber)。 单模光纤 光纤中只传输一种模式时， 光纤中只传输一种模式时，这种光纤被称 为单模光纤。单模光纤芯径极细，约为4 为单模光纤。单模光纤芯径极细，约为4～ 10μm，其折射率分布一般采取阶跃分布。 10μm，其折射率分布一般采取阶跃分布。 单模光纤由于只传输基模(最低阶模) 单模光纤由于只传输基模(最低阶模)，不 存在模式色散，传光特性较好， 存在模式色散，传光特性较好，它适用于大容 长距离的光纤通信。但由于截面尺寸小， 量、长距离的光纤通信。但由于截面尺寸小， 在制造、连接、耦合上都比较困难。 在制造、连接、耦合上都比较困难。
2、松套光纤束: 、松套光纤束 2~20根光纤 根光纤
芯线
松套管 光纤 一次涂覆层 油膏
多心型光纤更利于光缆纤芯的高密化。 多心型光纤更利于光缆纤芯的高密化。
二、光纤的种类 按光纤截面上折射率分布的不同分： 1、按光纤截面上折射率分布的不同分： 阶跃光纤(SIF)和渐变光纤(GIF)。 阶跃光纤(SIF)和渐变光纤(GIF)。 (SIF)和渐变光纤(GIF)
n2 n1
(b) 阶跃多模光纤
n2
n1Baidu Nhomakorabea
(c) 渐变多模光纤
三种光纤的主要区别
光纤 类型 SIF GIF
芯径
折射率分布
n1 n( r ) = n2
1 g 2 r n1 1 − 2∆ n( r ) = a 1 n ( − 2 ∆ ) 2 21
按照ITU ITU—T 5、按照ITU T建议分类 G.651光纤 又称为渐变型多模光纤) 光纤( ⑴ G.651光纤(又称为渐变型多模光纤) G.652光纤 光纤( ⑵ G.652光纤(又称为普通单模光纤或 1.31μm性能最佳单模光纤 性能最佳单模光纤) 1.31μm性能最佳单模光纤) G.653光纤 又称为色散位移光纤DSF) 光纤( ⑶ G.653光纤(又称为色散位移光纤DSF) G.654光纤(1.55μm性能最佳单模光纤 光纤(1.55μm性能最佳单模光纤， ⑷ G.654光纤(1.55μm性能最佳单模光纤， 1.31μm呈现多模工作状态 呈现多模工作状态) 在1.31μm呈现多模工作状态) G.655光纤 光纤( ⑸ G.655光纤(主要用于防止光纤的非线性效 包括非零色散位移光纤NZDSF NZDSF、 应，包括非零色散位移光纤NZDSF、大有效面积光 纤LEAF)
第二章
光纤光缆
第一节 光纤的结构和种类 第二节 光纤的导光原理 第三节 光纤的主要特性 第四节 现代新型光纤
第一节 光纤的结构和种类 光纤的结构：纤芯、包层、 一、光纤的结构：纤芯、包层、涂覆层 二、光纤的种类：按折射率分布、传输 光纤的种类：按折射率分布、 模式、 模式、工作波长和光纤材料几种分类标 准来分。 准来分。
0.1～ ～ 0.5
1×104～ × 1×105 ×
作 业 1、光纤有几个部分组成？各部分作用如何？ 、光纤有几个部分组成？各部分作用如何？ 2、光纤有几种分类方法？写出在各种分类方 、光纤有几种分类方法？ 法下分得的种类。 法下分得的种类。 3、相对折射率差∆的物理意义是什么？它的定 、相对折射率差 的物理意义是什么 的物理意义是什么？ 义式是什么？ 义式是什么？ 4、已知阶跃光纤的纤芯和包层折射率分别是 、 n1 =1.5, n2=1.45,求光纤的相对折射率差。 求光纤的相对折射率差。 求光纤的相对折射率差
6、按套塑管与光纤的位置分类 、 （1）紧套光纤 ） （2）松套光纤 ）
现在实用的石英光纤通常分为三种： 现在实用的石英光纤通常分为三种： 阶跃多模光纤(SIF) (SIF)、 阶跃多模光纤(SIF)、渐变多模光纤 (GIF)、单模光纤(SMF) (GIF)、单模光纤(SMF)
n2 n1
(a) 单模阶跃型光纤
125µm 125µ 50μm 10μm
纤芯
包层
优点：机械性能好， 优点：机械性能好 温度特性好，防水性能好。 涂覆层仅起保护作用，不参与导光。在成缆时， 一次涂覆层外是管状套塑，称为二次涂覆层。 优点：结构相对简单，测量使用方便。 根据二次涂覆层与光纤相对位置的不同， 。， 涂覆层仅起保护作用，不参与导光。在成缆时 一次涂覆层外是管状套塑，称为二次涂覆层 优点：结构相对简单 温度特性好，防水性能好 根据二次涂覆层与光纤相对位置的不同，二次涂 包层外面涂有一层很薄的化学材料， 包层外面涂有一层很薄的化学材料， 。 对于紧套光纤， ，，测量使用方便称为一次 对于松套光纤，在光纤与套管之间有一缓冲层 。 对于松套光纤，在一次涂覆层与二次涂覆层之间 对于紧套光纤 在光纤与套管之间有一缓冲层， 缺点：测量不方便。 缺点：测量不方便。 为便于区分，可以染成各种颜色。 其原料大都是尼龙。 覆层有紧套管和松套管之分。 。 。 缺点：抗侧压能力较差， 为便于区分，可以染成各种颜色 其原料大都是尼龙。 ， 缺点：抗侧压能力较差 覆层有紧套管和松套管之分。光纤也相应地分为 涂覆层。 涂覆层。 该化学材料通常是硅酮树脂或聚氨基 光纤不能在套管中移动。 温度特性差。 充满油膏，光纤能在套管中活动。 充满油膏，光纤能在套管中活动 光纤不能在套管中移动。 温度特性差 紧套光纤和松套光纤。 紧套光纤和松套光纤。 甲酸乙酯。 甲酸乙酯。
多模光纤(Multi (MultiFiber)。 (2) 多模光纤(Multi-mode Fiber)。 光纤中在一定的工作波长上， 光纤中在一定的工作波长上，当有多个模式 在传输时，则这种光纤称为多模光纤。 在传输时，则这种光纤称为多模光纤。多模光纤 截面折射率的分布有均匀和非均匀的。 截面折射率的分布有均匀和非均匀的。前者称为 阶跃型多模光纤；后者称为渐变型多模光纤， 阶跃型多模光纤；后者称为渐变型多模光纤，目 前多采用渐变型多模光纤。 前多采用渐变型多模光纤。 多模光纤的纤芯直径为50μm， 多模光纤的纤芯直径为50μm，包层直径为 50μm 125μm。由于多模光纤存在着模式色散， 125μm。由于多模光纤存在着模式色散，使得其 带宽较窄，传输特性较差，传输容量也较小， 带宽较窄，传输特性较差，传输容量也较小，但 由于截面尺寸大，在制造、连接、 由于截面尺寸大，在制造、连接、耦合上都比单 模光纤容易得多。 模光纤容易得多。
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。
纤芯折射率 纤芯折射率 n n
阶跃光纤 r 包层折射率 包层折射率
渐变光纤 r
折射率表达式
1、阶跃光纤 、 n1 n（r）＝ （ ）＝ n2 2、渐变光纤 、 r≤a r＞a ＞ a为纤芯半径 为纤芯半径
n 1− 2∆ (r / a ) g 1 n( r ) = n2
[
]
1 1/2