光纤-导光原理,结构与分类1

1、 光纤结构与分类、导光原理 、色散光纤的结构 纤芯位于光纤中心，直径2a为575m, 作用是传输光波。 包层位于纤芯外层，直径2b为100150m,作用是将光波限制在纤芯中。 纤芯和包层即组成裸光纤，两者采用高纯度二氧化硅（SiO2）制成，但为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1n2。 一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为 30150m。 套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。 一次涂覆层 纤芯 包层 套层一次涂覆层

2、 包层 纤芯 套层 光纤的结构示意图 光纤的分类 石英系列光纤（以SiO2为主要材料） 按光纤组成材料划分 多组分光纤（材料由多组成分组成） 液芯光纤（纤芯呈液态） 塑料光纤（以塑料为材料） 阶跃型光纤（SIF）光纤种类 按光纤纤芯折射率分布划分 渐变型光纤（GIF） W型光纤 单模光纤（SMF） 按光纤传输模式数划分 多模光纤（MMF ） 光纤的纤芯折射率剖面分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）阶跃光纤 （b） 渐变光纤 （c）W型光纤 阶跃型光纤（SIF）：纤芯折射率

3、呈均匀分布，纤芯和包层相对折射率差为1%2%。渐变型光纤（GIF）：纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界面上降至包层折射率n2。 W型光纤（双包层光纤）：在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。可以实现在1.31.6m之间色散变化很小的色散平坦光纤或把零色散波长移到1.55m的色散位移光纤。 ITU-T建议的光纤分类G.651光纤:渐变多模光纤，工作波长为1.31m和1.55m，在1.31m处光纤有最小色散，而在1.55m处光纤有最小损耗，主要用于计算机局域网或接入网。G.652光纤：常规单模光纤，也

4、称为非色散位移光纤，其零色散波长为1.31m，在1.55m处有最小损耗，是目前应用最广的光纤。G.653光纤：色散位移光纤，在1.55m处实现最低损耗与零色散波长一致，但由于在1.55m处存在四波混频等非线性效应，阻碍了其应用。G.654光纤：性能最佳单模光纤，在1.55m处具有极低损耗（大约0.18dB/km）且弯曲性能好。G.655光纤：非零色散位移单模光纤，在1.55m1.65m处色散值为0.16.0ps/（nm.km），用以平衡四波混频等非线性效应，适用于高速（10Gb/s以上）、大容量、DWDM系统。 光纤的导光原理光的反射与折射示意图 光的全反射示意图 n1 n2n2 n1 n2

5、阶跃光纤的导光原理示意图12034阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀分布， 是包层折射率， 是纤芯折射率。假设图中的阶跃型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角。由前面分析已知光纤的临界角为 2n1n)arcsin(12nnc 渐变光纤的导光原理示意图 为了分析渐变型光纤中光的传播，将纤芯划分成若干同轴的薄层

6、 ，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率从里到外逐渐减小，即有 。若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时，由于是从光密介质射向光疏介质，折射接角大于入射角，光线将折射进第二层射向与第三层的交界面，并再次发生折射进入第三层，依次第推，由于光线都是从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。当在某一界面处（图中是在第三层和第四层的界面上），入射角大于临界角时，光线将出现全反射，方向不再朝向包层而是朝向轴心。之后光线是从光疏介质射向光密介质，入射角逐渐减小，直至穿过轴心后，光线又出现从光密介质射向光疏介质，重复上述折射过程。因此，当纤芯分层数无限多，其厚度趋于零时，渐变型光纤纤

7、芯折射率呈连续变化，光线在其中的传播轨迹不再是折线，而是一条近似于正弦型的曲线。 11n12n13n14n 光纤的光学参数 相对折射率差数值孔径 NA 相对折射率差 对于阶跃型光纤，假设是 包层折射率， 是纤芯折射率，且 ， 和 的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差表示其相差程度。 对于通信光纤， ，上式简化成为 对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为 ,则相对折射率差定义为 2122212 nnn1n1n1n1n2n2n2n2n2222)0(2)0(nnn121nnn) 0(n 数值孔径 NA 对于阶跃型光纤，当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，光波在纤芯中传播轨迹为折线

8、，相应的端面入射角记为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于。为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：22210sinnnNA由于 ，上式简化成为可见，光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若纤芯和包层的折射率差越大，NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因

9、此渐变型光纤数值孔径定义为：2122212 nnn21nNA2)()()(222rnnrnrNA 光纤中的模式电磁波的传播遵从麦克斯维尔方程，而在光纤中传播的电磁场，还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式有横电波、横磁波和混合波。（1）横电波纵轴方向只有磁场分量，没有电场分量；横截面上有电场分量的电磁波。中下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波纵轴方向只有电分量，没有磁场分量；横截面上有磁场分量的电磁波。中下标m表示磁场沿圆周方向的变化周数，n表示磁场沿径向方向的变化周数。（3）混合波 或纵

10、轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。mnEHmnHEmnTMmnTE 光纤的归一化频率 归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。 其定义为： 其中， 是光纤的纤芯半径； 是光纤的工作波长； 和 分别是光纤的纤芯和包层折射率； 真空中的波数； 光纤的相对折射率差。22102221anknnaVa1n2n0k 传播常数 传播常数是描述光纤中各模式传输特性的 一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。 光纤通信中信息就是由传导模传送的 。传导模的传播常数是限制在到之间的，即 。 当 时，包层

11、中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模截止。 当= 时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。20nk20nk20nk10nk归一化传播常数/k0与归一化频率V的关系曲线0 1 2 3 4 5 6 n1/k0 n2221naVcHE11TE01HE12HE41HE31TE01HE21HE22EH11TM01TM02EH21单模传输条件 当0 2.405时,光纤中除主模（或基模） 模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。V11HE 多模传输的模式数 对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为 对于渐变型光纤，光纤中的传

12、输模式数为22VNs42VNs 截止波长 截止波长是单模光纤特有的参数，是对应于第一高阶模的归一化截止频率 时的波长。即 故 通常可用它判断是否单模传输。405.2221naVc405.2221anc405.2cV 模场直径 由于单模光纤的边界没有明确的边界，包层之外有相当大的光场存在，故不能象多模光纤一样用纤芯表示横截面的导光范围，只能用模场直径 表示。它表示了单模光纤的基模能量集中的程度。CCITT规定，单模光纤1331nm处的模场直径应在910m,偏差不应超过10%。dd 光纤的色散特性色散的定义 光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展

13、宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。二、色散的种类模式色散材料色散波导色散 模式色散 模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。只有多模光纤才存在模式色散，它主要取决于光纤的折射率分布。 阶跃型光纤的模式色散 在阶跃型光纤中，当光线端面的入射角小于端面临界角时，将在纤芯中形成全反射。若每条光线代表一种模式，则不同入射角的光线代表不同的模式，不同入射角的光线，在光纤中的传播路径不同，而由于纤芯折射率均匀分布，纤芯中不同路径的光线的传播速度相同

14、，均为，因此不同路径的光线到达输出端的时延不同，从而产生脉冲展宽，形成模式色散。阶跃型光纤中模式色散示意图 图中，沿光纤轴线传播的光线传播路径最短，经过长度为L的光纤传播时延t1最小,等于 = 光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线，它所产生的时延t2是最大时延，等于： = 所以阶跃型光纤中不同的模式的最大时延差t为： CLnt11CLn1102/sin/nCLt01sinCLnCLnnnCLCLnCLnttt12110112) 1(sin 渐变型光纤中光线的传播路径是近似于正弦形曲线，其中正弦幅度大的光线传播距离长，而正弦幅度小的光线传输路程短，但由于渐变型光纤纤芯折射率分布在轴心处最大并沿径向逐渐减小，所以正弦幅度最大的光线由于离轴心远，折射率小而传播速率高，而正弦幅度最小的光线由于离轴心近，折射率大而传播速率低，结果在到达输出端时相互之间的时延差近似为零，从而使渐变型多模光纤的模式色散较小。一般渐变型多模光纤的每公里长度上的最大时延差为2)0(21Cnm渐变型光纤的模式色散 材料色散材料色散是由于光纤的折射率随波长变化而使模式内不同波长的光时间延迟不同产生的色散。取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。对于谱线宽度为的光波，经过长度为L的光纤后