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光纤结构与类型
第 2 章 光纤
2.1 光纤结构和类型
2.1.1 光纤结构
2.1.2 光纤类型
2.2 光纤传输原理
2.2.1 几何光学方法
2.2.2 光纤传输的波动理论;2.3 光纤传输特性
2.3.1 光纤色散
2.3.2 光纤损耗
2.3.3 光纤标准和应用; 教学重点及难点
重点:
一、分析光纤的导光原理;
二、理解光纤损耗和色散的概念 ;
三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。
难点:
光纤传输的波动理论; 光纤(Optical Fiber)的典型结构是多层同轴圆柱体,如图所示,自内向外由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。;光纤结构图 ; 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n1n2。
涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。 ; 2.1.2 光纤类型
1、光纤的主要成分
目前通信用的光纤主要是石英系光纤,其主要成分是高纯度石英玻璃,即二氧化硅( SiO2 ) 。
如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂,就可以制作光纤的纤芯。同样,如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂,就可以作为包层材料。 ;2、光纤分类
(1)按照制造光纤所用的材料分类有:
石英系光纤;
多组分玻璃光纤;
塑料包层石英芯光纤;
全塑料光纤。;(2) 按折射率分布情况分类:光纤主要有三种基本类型:
突变型多模光纤(多模阶跃折射率光纤)
渐变型多模光纤(多模渐变射率光纤)
单模光纤;突变型多模光纤(Step Index Fiber, SIF)
纤芯折射率为 n1 保持不变,到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸变大。 ; 突变型多模光纤
(多模阶跃折射率光纤);渐变型多模光纤(Graded Index Fiber, GIF)
在纤芯中心折射率最大为n1 ,沿径向r向外围逐渐变小,直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播,特点是信号畸??小。 ; 渐变型多模光纤
(多模渐变射率光纤); 单模光纤(Single Mode Fiber, SMF)
折射率分布和突变型光纤相似,纤芯直径只有8~10 μm,光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式(只传输主模),所以称为单模光纤,其信号畸变很小。 ;单模光纤; 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。
渐变型多模光纤和单模光纤,包层外径2b都选用125μm。 ; ; 双包层光纤:
色散平坦光纤(DFF)
色散移位光纤(DSF)
三角芯光纤:
改进的色散移位光纤
椭圆芯光纤:
双折射光纤或偏振保持光纤。 ;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。; 三角芯光纤有效面积较大,有利于提高输入光纤的光功率,增加传输距离。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统,这种系统最大优点是提高接收灵敏度,增加传输距离。;2.2 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;2.2.1 几何光学方法
用几何光学方法分析光纤传输原理,我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布,并由此得到数值孔径和时间延迟的概念。; 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。
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