《光导纤维》PPT课件

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1、第2章　　光导纤维2.1光纤的结构和分类2.2光纤传输原理2.3用射线理论分析光纤的导光原理2.4用波动理论法分析光纤的导光原理2.5单模光纤2.6光纤的传输特性2.7光纤的非线性效应12.1光纤的结构和分类2.1.1光纤的结构2.1.2光纤的分类2光纤（OpticalFiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。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。2.1.1光纤结构32.1.1光纤

2、的结构图2-1光纤的结构4光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型，突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和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2.1.2光纤的分类5按照光纤横截面折射率分布不同来划分阶跃型光纤纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈

3、阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。渐变型光纤如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。6图2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤72.1.2光纤的分类按照纤芯中传输模式的多少来划分单模光纤光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm。适用于大容量、长距离的光纤通信。多模光纤在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。多模光纤的纤芯直

4、径约为50μm。8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1.55μm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。92.2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10光纤光学的研究方法§2.1引言11分析方法比较122.2.1几何光学方法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

5、间分布和时间分布几何光学法分析问题的两个角度•突变型多模光纤•渐变型多模光纤13分析思路14几何光学方法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•突变型多模光纤•渐变型多模光纤2.3用射线理论分析光纤的导光原理151.突变型多模光纤数值孔径为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(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，如图2.3。光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0

6、射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层(n1>n2)。16图2.3突变型多模光纤的光线传播原理17根据全反射原理，存在一个临界角θc。•当θ<θc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1。根据斯奈尔(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)•当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)，如光线2，•当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤

7、中传播。18根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯奈尔定律NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°(2.2)n0=1，由式（2.2）经简单计算得到式中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。(2.3)19NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)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θc内的入射光都能在光纤中传输。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

8、限制了信息传输容量。所以要根据实际使用