第七讲光纤的传输

光纤的光传输理论21.3光纤的光传输理论31.3光纤的光传输理论1.3.1光纤中光波的传播轨迹根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将光纤中传播的光线分为两类：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线41.3光纤的光传输理论1.3.1光纤中光波的传播轨迹根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将光纤中传播的光线分为两类：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面。51.3光纤的光传输理论另一种是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。71.3光纤的光传输理论1.3.2阶跃型多模光纤中的光波传播理论目前，在通信领域最常用的多模光纤有两种类型：阶跃型多模光纤和渐变型（梯度型）多模光纤。光纤的折射率分布9子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播10

若使子午光线在多模阶跃型光纤中以全反射形式向前传播，必须保证三点：（1）芯层折射率n1必须大于包层折射率n2，即：n1>n2。（2）光线在芯/包界面上必须发生全反射，包层内折射光线的折射角大于或等于90°，则对应的芯层的入射光线的入射角θ1必须大于或等于临界角θc，即：θ1≥θc。（3）对应光纤入射端面上的入射光线的入射角Φ

（又称孔径角）必须小于或等于临界孔径角Φc，即：Φ

≤Φc。11

光纤端面的光线最大入射角Φc（又称临界孔径角或最大接收角）是一个非常重要的参数，为描述光纤这种集光和传输光的能力与光线最大入射角Φc的关系，在这里引入一个物理量—数值孔径N·A。对光纤而言，这个最大的孔径角Φc只与光纤的折射率n1

、n2有关。因此，将它的正弦值定义为光纤的数值孔径NA：N·A=sinΦc数值孔径（NumericAperture）

θ接收锥NA=SINΦcRayPictureofOpticalFibers(N.A)A:NumericalAperture:反映了光纤搜集射线的能力14斜射线在阶跃型多模光纤中的传播斜射线在阶跃型多模光纤中的传播17子午射线在弯曲圆柱形纤维中的传播

在纤维的弯曲部位，光线有两种传播途径。一种在弯曲部位仍能很好的发生全反射，传送到另一端面；另一种在弯曲部位穿透纤维而散失。

可用一个简化公式来判断能否发生全反射：

R≥4dR为曲率半径，d为纤维的直径。18子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播子午射线在渐变折射率多模光纤中的传播1.3.3渐变型多模光纤中的光波传播理论19

渐变型光纤的导光原理示意图1.3.3渐变型多模光纤中的光波传播理论20n(0)为光纤轴线处的折射率；nc为包层折射率；

为渐变光纤的相对折射率差。1.3.3渐变型多模光纤中的光波传播理论21斜射线在渐变型多模光纤中的传播斜射线在渐变型多模光纤中的传播22斜射线在渐变型多模光纤中的传播斜射线在渐变型多模光纤中的传播231.3.4.1模式及其基本性质“模”来源于电磁场的概念，指光场的模式。从几何光学的观点比较容易理解。以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯—包层界面上形成全反射的传播光线就可以称为一个光的传输模式。1.3.4光纤中的模式传输24高次模基模低次模

在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传播模式。25模式及其基本性质这束光可看作是沿光纤轴向传播的行波和垂直于该射线的驻波的合成。波长为λ的光波在纤芯与包层界面上的场强为零，场强的分布是周期地重复波峰与波谷。图中λx是波峰与波峰之间的间距，根据λ/λx，得到场强的波峰数目为1、2、3……，按顺序称呼这些传输的模式为基模、一次模、二次模等，基模以外都属于高次模。26多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输1.3.4.3多模光纤与单模光纤（1）多模光纤27模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽。28单模光纤和多模光纤

一根光纤是不是单模传输，与(1)光纤自身的结构参数和(2)光纤中传输的光波长有关。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种