第二章光纖與光纜(1)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)2光纖的分類光纖的導(dǎo)光原理

光纖的結(jié)構(gòu)特性本節(jié)內(nèi)容2025/10/17光纖通信系統(tǒng)3多姿多彩的光纖2025/10/17光纖通信系統(tǒng)4光纖的物理結(jié)構(gòu)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)5光纖材料

目前，通信光纖的纖芯和包層的主體材料都是石英玻璃，也就是SiO2。為了制作兩種具有相似特性、而折射率只有一個很小差異的材料以便形成纖芯和包層，可以在SiO2中摻入各種氧化物。GeO2纖芯，SiO2包層；P2O5纖芯，SiO2包層；SiO2

纖芯，B2O3-

SiO2包層；GeO2-B2O3-

SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層。

注意：重要！2025/10/17光纖通信系統(tǒng)6階躍光纖與漸變光纖為什么采用這樣的結(jié)構(gòu)？2025/10/17光纖通信系統(tǒng)7光纖的導(dǎo)光原理(射線分析)2025/10/17光纖通信系統(tǒng)8全反射定義：當(dāng)入射角增大到某一角度，使折射角達(dá)到90o時，折射光線完全消失，只剩下反射光線，這種現(xiàn)象叫做全反射。理解：全反射現(xiàn)象是光的折射的特殊現(xiàn)象，折射光線的能量等于零，光線只按反射路線傳播，且遵循光的反射定律。條件：光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，且入射角大于或等于臨界角。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)9模式色散的衡量及影響L=L/sin-L=L(n1/n2-1)=L(n1/n2)()T=L

/

v

=

L

n1/c=(L/c)(n12/n2)()根據(jù)

T<TB=1/BBL=L/TB<L/T

=(c/)·(n2/n12)n2θ1θrφn1n0

是什么?2025/10/17光纖通信系統(tǒng)10習(xí)題例1：已知n1=1.5，n2=1.0，試求其BL。

解：BL<(c/

)·(n2/n12)=0.4(Mb/s).km

例2：已知n1=1.5，

=0.002。試求其BL。

。

解：BL<(c/

)·(n2/n12)=100(Mb/s).km2025/10/17光纖通信系統(tǒng)11漸變光纖的引入

群時延差限制了光纖的傳輸帶寬。為了減少多模階躍折射率光纖的脈沖展寬，人們制造了漸變折射率光纖。漸變折射率光纖的折射率在纖芯中連續(xù)變化。適當(dāng)選擇折射率的分布形式，可以使不同入射角的光線有大致相同的光程，從而大大減小群時延差。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)12漸變光纖的光學(xué)特性f(r)=(r/a)

，是一個描述光纖剖面折射率分布的函數(shù)；a是纖芯半徑；r是光纖中任意一點到軸心的距離。使群時延差減至最小的最佳的

在2左右，稱為拋物線分布。

光學(xué)特性決定于它的折射率分布。漸變型光纖的折射率分布可以表示為2025/10/17光纖通信系統(tǒng)13漸變光纖分析2025/10/17光纖通信系統(tǒng)14子午光線與斜光線2025/10/17光纖通信系統(tǒng)15漸變光纖的群時延差NA

sin

i=(

n12

-n22)1/2T/L=n1

2/(8c)BL<8c/(n1

2)

最優(yōu)的設(shè)計能使100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸100km,其BL積約達(dá)10（Gb/s）·km，比階躍光纖提高了3個數(shù)量級。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)16數(shù)值孔徑NA

在光纖中，把接收角的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑，即NA＝sinθmax

2025/10/17光纖通信系統(tǒng)172025/10/17光纖通信系統(tǒng)18

NA大小僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對折射率差。從物理上看，光纖的數(shù)值孔徑表示光纖接收入射光的能力。NA越大，則光纖接收光的能力也越強(qiáng)。但是NA太大時，光纖的模式色散加大，會影響光纖的帶寬。標(biāo)準(zhǔn)多模光纖的NA公稱值一般為0.2，對應(yīng)的孔徑角約為11.5o。標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的NA公稱值一般為0.1～0.15，對應(yīng)的孔徑角約為5.7o～8.6o。NA的取值2025/10/17光纖通信系統(tǒng)19階躍光纖的波動光學(xué)分析2025/10/17光纖通信系統(tǒng)20麥克斯韋方程組2025/10/17光纖通信系統(tǒng)21亥姆霍茲方程2025/10/17光纖通信系統(tǒng)22階躍光纖的矢量解法（1）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)23階躍光纖的矢量解法（2）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)24階躍光纖的矢量解法（3）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)25階躍光纖的矢量解法（4）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)26階躍光纖的矢量解法（5）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)27階躍光纖的矢量解法（6）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)28階躍光纖的矢量解法（7）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)29階躍光纖的矢量解法（8）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)30光纖的模式（1）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)31光纖的模式（2）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)32光纖的模式（3）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)33光纖的模式（4）2025/10/17光纖通信系統(tǒng)34單模條件2025/10/17光纖通信系統(tǒng)35光纖的分類按剖面折射率分布不同分類；按傳播模式分類；按工作波長分類；按套塑類型分類；按光纖組分分類。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)36尺寸：光纖的纖芯直徑尺寸擴(kuò)展到幾個波長（通常是8～12個波長），并且使纖芯包層折射率差很小，只允許傳輸一個基模的光纖。纖芯直徑2a=8～10μm(無實際意義)，包層直徑2b=125μm。優(yōu)點：帶寬極寬。應(yīng)用：適用于大容量的光纖通信。單模光纖2025/10/17光纖通信系統(tǒng)37多模光纖尺寸：遠(yuǎn)大于光波波長，能傳輸多個模式的光纖。纖芯直徑2a=50μm，包層直徑2b=125μm。優(yōu)點：制造簡單、接續(xù)容易。缺點：存在模式色散，帶寬窄。應(yīng)用：適應(yīng)于較小容量的光纖通信。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)38階躍光纖、漸變光纖與單模光纖2025/10/17光纖通信系統(tǒng)39短波長光纖與長波長光纖光纖的三個窗口；短波長光纖：在600～900nm范圍內(nèi)呈現(xiàn)低損耗的光纖。屬早期產(chǎn)品，因其衰耗與色散都比較大，目前很少采用。長波長光纖：工作在1000～2000nm范圍的光纖。具有低衰耗、寬帶寬的特點，適合長距離、大容量的通信。目前使用的光纖全部是長波長光纖。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)40小結(jié)階躍光纖的導(dǎo)光特性基于光射線在纖芯和包層界面上的全反射，使光線限制在纖芯中傳輸。為了傳導(dǎo)光，光纖纖芯的折射率必須比包層高。階躍型光纖在纖芯和包層交界處的折射率呈階梯形突變，纖芯的折射率和包層的折射率是均勻常數(shù)。模間色散高，傳輸頻帶不寬，傳輸速率不能太高。數(shù)值孔徑NA為最大入射角的正弦值，表示光纖接受入射光能力的大小，取值需兼顧集光能力與帶寬限制。2025/10/17光纖通信系統(tǒng)41思考題典型光纖由幾部分組成?各部分的作用是什么?1什么是階躍光纖?什么是漸變光纖?2教材習(xí)題2-5、2-6、2-73ThankYou!202