光纤结构和类型课件

2.1.2 光纤类型
1、光纤的主要成分 目前通信用的光纤主要是石英系光纤，其 主要成分是高纯度石英玻璃，即二氧化硅 ( SiO2 ) 。 如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂 剂，就可以制作光纤的纤芯。同样，如果在石 英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，就可以作 为包层材料。
2、光纤分类
（1）按照制造光纤所用的材料分类有：
渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳 数百个模式，所以称为多模光纤。 渐变型多模光纤和单模光纤，包层外 径2b都选用125μ m。
特种单模光纤
最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结
构和折射率分布下图所示：
n1 n2
n3
2a ′ 2a
(a)
(b)
(b)
(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯
三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。
难点：
光纤传输的波动理论
2.1 光纤结构和类型
2.1.1 光纤结构 光纤（Optical Fiber）的典型结构是 多层同轴圆柱体，如图所示，自内向外 由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。
光纤结构图
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更 低，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并 起一定的机械保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能 量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。 涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦 伤。
• 突变型多模光纤
• 渐变型多模光纤
一、突变型多模光纤 为简便起见，以突变型多模光纤的交
轴光线(子午光线)为例，进一步讨论光纤
的传输条件。
设纤芯和包层折射率分别为 n1 和 n2 ， 空气的折射率 n0=1 ，纤芯中心轴线与 z 轴
一致。
二. 突变型多模光纤导光原理
突变型多模光纤导光原理图
与内光线入射角的临界角 θc 相对应，光 纤入射光的入射角 θi 有一个最大值 θmax 界角）。
双包层光纤:
色散平坦光纤（DFF）
色散移位光纤（DSF）
三角芯光纤: 改进的色散移位光纤
椭圆芯光纤:
双折射光纤或偏振保持光纤。
主要用途：
突变型多模光纤 只能用于小容量短距 离系统。 渐变型多模光纤 适用于中等容量中等 距离系统。
单模光纤 用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信 系统的水平:
纤的数值孔径为：
NA= n0 sin (θmax)
得光纤的数值孔径为：
NA= n0 sin (θmax) =
n n
2 1
2 2
光纤的数值孔径 NA仅决定于光纤的折 射率n1和n2 ，与光纤的直径无关。
光纤的数值孔径 NA表示光纤接收和传
输光的能力， NA( 或θmax) 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θmax内的入射光
突 然 变 为 n2 。 这 种 光 纤 一 般 纤 芯 直 径
2a=50~80μ m ，光线以折线形状沿纤芯中
心轴线方向传播，特点是信号畸变大。
突变型多模光纤
(多模阶跃折射率光纤)
渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF）
在纤芯中心折射率最大为n1 ，沿径向r向
外围逐渐变小，直到包层变为 n2 。这种光纤 一般纤芯直径 2a 为 50μ m ，光线以正弦形状 沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变 小。
。
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θmax 称为光纤端面入射临界角（简称入射临
光纤端面入射临界角
当θi<θmax时，相应的光线将在交界面发
生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传
播，如光线3。
由此可见，只有在半锥角为θi ≤θmax的圆 锥内入射的光束才能在光纤中传播。
半锥角
三、数值孔径
根据这个传播条件，定义入射临界角的正
弦为数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光
1.55μ m 色散移位光纤实现了 10Gb/s 容量的 100km 的超大容量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统， 这种系统可以把传输容量提高几倍到几 十倍。
三角芯光纤有效面积较大，有利于提 高输入光纤的光功率，增加传输距离。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相 干光系统，这种系统最大优点是提高接收 灵敏度，增加传输距离。
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。
（2） 按折射率分布情况分类：光纤主 要有三种基本类型：
突变型多模光纤（多模阶跃折射率光纤） 渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤）
单模光纤
突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF） 纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层
第2章
2.1 2.1.1
光纤
光纤结构
光纤结构和类型
2.1.2
2.2
光纤类型
光纤传输原理 2.2.1 2.2.2 几何光学方法 光纤传输的波动理论
2.3 光纤传输特性 2.3.1 2.3.2 2.3.3 光纤色散 光纤损耗 光纤标准和应用
教学重点及难点 重点:
一、分析光纤的导光原理； 二、理解光纤损耗和色散的概念 ；
都能在光纤中传输，如图。
光纤的数值孔径 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
畸变越大，因而限制了信息传输容量。
所以要根据实际使用场合，选择适当的 NA。
四、相对折射率差Δ
n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，
为此引入相对折射率差这样一个物理量来表示 它们相差的程度，用Δ表示，即
2.2 光纤传输原理
分析光纤传输原理的常用方法：
几何光学法 麦克斯韦波动方程法
2.2.1
几何光学方法
用几何光学方法分析光纤传输原理，
我们关注的问题主要是光束在光纤中传
播的空间分布和时间分布，并由此得到 数值孔径和时间延迟的概念。
几何光学法分析问题的两个出发点: • 数值孔径 • 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和 时间分布。 几何光学法分析问题的两个角度：
渐变型多模光纤 (多模渐变射率光纤)
单模光纤（Single Mode Fiber, SMF） 折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径 只有8~10 μ m，光线以直线形状沿纤芯中心轴 线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式 （只传输主模），所以称为单模光纤，其信号 畸变很小。
单模光纤
相对于单模光纤而言，突变型光纤和