3.2.1 光纤的结构及分类(课件）-高二《通信技术》同步教学（电子工业版）

1 3.2 光纤与光缆 3.2.1 光纤的结构及分类 1．光纤的结构 ：光纤是用石英玻璃（SiO2) 制成的横截面积很小（D=0.1mm）的双层圆柱体，两层折射率不同，如图所示，取n2 < n1，于是，按照光学的全反射原理，光线在光纤芯中传播，经过弯曲的路由也不会射出光纤之外。 n1 n2 入射 出射 2 纤芯 包层 一次涂敷 二次涂敷 （套塑） 光纤芯线剖面构造 3 2. 光纤的分类： 1.按材料不同分： ·石英光纤，其衰耗约为0.2~6dB/Km; ·多组分玻璃光纤，其衰耗约为4~20dB/Km; ·全塑光纤，衰耗约为100~500dB/Km。 石英光纤衰耗最小，适用于长距离大容量传输。全塑光纤价格便宜，可用于某些特殊短距离场合。 2.按折射率不同分： ·阶跃光纤：其纤芯和包层的折射率呈突变的形式 ，带宽较窄，适合用于小容量短距离通信。 4 n1 n2 n1 n2 光纤的折射率分布示意图 5 ·渐变光纤：其纤芯折射率分布近似呈抛物线型， 频带较宽，适合于中容量、中距离通信使用。 3.按光波的模式不同分： 多模光纤：纤芯内可传输多个模式的光波，即允许多个传导模通过。其纤芯直径较大（50m--75 m),包层直径（100-200  m）。其传输性能较差，带宽较窄，传输容量小。 单模光纤：纤芯中只能传输光的基模。其芯径（4-10μm），外径是125μm，目前用得最多的1.31μm单模光纤。其传输性能较好，带宽很大，传输容量大，适于远距离的传输。 6 单模光纤 输入光脉冲 阶跃型多模光纤 渐变型多模光纤 下图画出了阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤、单模光纤的结构、传输方式以及光脉冲扩散的情况。 7 4.按照工作波长分： *短波长（0.8 ~ 0.9  m）光纤 *长波长（1.0 ~ 1.7  m）光纤 *超长波长（ >2  m）光纤 光纤的种类虽然很多，在实际最为普遍的是长波长石英系的单模光纤。 8 3.2.2 光纤的导光原理； 1．光学原理 光是电磁波，具有粒子和波动两重性。电磁波波长愈短，其粒子性表现得愈明显。 光的特性主要有： （1）光沿直线前进，并且有一定的速度。真空中的光速C＝3×108m/s； （2）光在传播中碰到两种媒质的交界处时会发生反射，且反射角θ1′等于入射角 θ1 （3）光从第一种媒质进入第二种媒质时，传播方向会改变，如图3.5所示。从光疏到光密光线靠近法线，反之光线远离法线。入射角θ1与折射角θ2的关系服从折射定律： 9 n1 n2 入射光 折射光 θ2 θ1 根据折射定律： n1Sin θ1 = n2Sin θ2 因为n1 >n2，所以θ2 >θ1，当入射角增加到某一角度θc时，则折射角θ2=900，此时光不再进入折射率n2的界面，而沿介质界面传播-------全反射。 Sin θc = n2 n1 θc = n2 n1 Sin-1 θc ----临界角 10 全反射的条件： n1 >n2， 900 > θ1 >θc 3．光在光纤中的传播 一般说来，光纤中传播的光可存在两种不同的形式。一种是光线在过轴心的平面内传播，这种光线称为子午光线，它是在一个平面内弯曲进行传播的光线，在一个周期内和光线的轴线相交两次，如图3.7（a）所示。另一种是不交轴的光线，如图3.7（b）所示。这种光线不在一个平面内，是不经过光纤轴线的空间折线。从光纤的端面观察，其光线的轨迹是一组构成多边型的折线，如图3.7（c）所示。 11 图3.7 均匀光纤中的光射线 图3.7 均匀光纤中的光射线 12 光在均匀光纤中的传播 均匀光纤是指纤芯的折射律n1为一常数的光纤，相当于光线在一均匀介质中传输。 当从光源输出的光通过光纤端面进入光纤时，入射在光纤端面上的光，其中一部分是不能进入光纤的，而能进入光纤端面的光，也不一定能在光纤中传播，只有符合某一特定条件的光才能在光纤内发生全反射而传播到远方，此时光从低折射率到高折射率介质传播，所以入射角θ1总是大于折射角θ2。要使光线在光纤中发生全反射而实现远距离传输，则在光纤中的最大折射角.θ2。要使光线在光纤中发生全反射而实现远距离传输，则在光纤中的最大折射角，根据折射定理： ，根据折射定理： ， 13 因为从空气中射入光纤，所以, 所以得 将的正弦函数定义为光纤的数值孔径，用“NA”表示。则 其中 ， 称为相对折射率差。 数值孔径NA是用来计量光纤接收光能量的重要参数。 ， 14 2.光在非均匀光纤中的传