第2章光纤与光缆课件.ppt

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1、第2章　　光纤与光缆2.2阶跃型光纤渐变型光纤2.6光纤的温度特性和机械特性2.7光缆的结构与种类2.8简单介绍几种特殊光纤1第2章　　光纤与光缆光纤通信与电通信的主要差异之一，即是利用光导纤维来传输光波信号。目前用于通信的光纤大多数是石英光纤，而石英材料本身脆弱容易断裂，因此，在实际通信线路中，都是将光纤制成不同结构形式的光缆在各种环境条件下使用。本章内容可看为是光纤通信系统中的光传输部分，将对光纤的结构和分类、光纤的导光原理、光纤的传输特性以及光缆的结构与分类等进行分析。22.1光纤的结构和

2、分类2.1.1光纤的结构2.1.2光纤的分类32.1.1光纤的结构光纤有不同的结构形式。通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。图2-1光纤的结构42.1.2光纤的分类1.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阶梯型变化的光纤称为阶

3、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。图2-2光纤的剖面折射率分布52.1.2光纤的分类2.按照纤芯中传输模式的多少来划分所谓模式，实质上是电磁场的一种场型结构分布形式。模式不同，其场型结构不同。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多模光纤.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

4、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。多模光纤的纤芯直径约为50μm。62.1.2光纤的分类图2-3光纤中的光射线轨迹72.1.2光纤的分类3.按光纤的材料来划分石英系光纤-纤芯和包层是由高纯度的掺有适当的杂质制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性高，目前应用广泛。石英芯、塑料包层光纤-纤芯是用石英制成，包层采用硅树脂。多成分玻璃纤维-用钠玻璃掺有适当杂质制成。塑料光纤-纤芯和包层都由塑料制成。82.2阶跃型光纤2.2.1阶跃型光

5、纤光射线的理论分析2.2.2阶跃型光纤的标量近似解法92.2阶跃型光纤阶跃型光纤的折射指数分布已在图2-2（a）中给出，下面将从几何光学角度出发，分析光在光纤中传输时的某些特性。主要讨论阶跃型光纤中的射线种类、子午线的数值孔径以及影响光纤性能的主要参量——相对折射指数差。102.2.1阶跃型光纤光射线的理论分析1．相对折射指数差光纤的纤芯和包层采用相同的基础材料SiO2，然后各掺入不同的杂质，使得纤芯中的折射指数n1略高于包层中的折射指数n2，它们的差极小。n1和n2差的大小直接影响着光纤的性能

6、。相对折射指数（Δ）：n1和n2的相差程度（2-1）11弱导波光纤：n1与n2差别极小（2-2）2.2.1阶跃型光纤光射线的理论分析122．阶跃型光纤中的光射线种类阶跃型光纤中的光射线主要有子午线和斜射线。（1）子午射线子午面：过纤芯的轴线可做许多平面，这些平面均称为子午面。子午面上的光射线在一个周期内和该中心轴相交两次，成为锯齿形波前进。这种射线称为子午射线，简称为子午线。子午线是平面折线，它在端面上的投影是一条直线。2.2.1阶跃型光纤光射线的理论分析图2-4阶跃光纤中的子午线13（2）斜

7、射线斜射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的射线。斜射线是限制在一定范围内传输的，这个范围称为焦散面。斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据全反射原理，使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的。2.2.1阶跃型光纤光射线的理论分析图2-5阶跃光纤中的斜射线14斜射线的情况比较复杂，下面只对阶跃光纤中的子午线做一分析3．子午线的分析导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。什么样的子午线才

8、能在纤芯中形成导波：必须能在纤芯和包层的界面上发生全反射的子午线才能形成导波。2.2.1阶跃型光纤光射线的理论分析15图2-6光纤剖面上的子午射线根据折射定律得（2-3）2.2.1阶跃型光纤光射线的理论分析16为了在纤芯中产生全反射，θ1必须大于θc，从图2-6中可看出，如果θ1增大，θ2必减少，则外面激发的射入角Φ也必减少，即上式改为由于n0=1，则(2-4)只有能满足式（2-4）的射线，才可以在纤芯中形成导波（即满足了全反射条件）。2.2.1阶跃型光纤光射线的理论分析174．数值孔径的概念由