光纖通信第2講光纖(已修改)
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【正文】 2022/6/4 1 第二講 (1) 光 纖 Fiber 2022/6/4 2 主要內(nèi)容 本講對(duì)光纖的結(jié)構(gòu)和分類，光纖的導(dǎo)光原 理，光纖的傳輸特性作一介紹。 對(duì)于導(dǎo)光原理，將采用射線法進(jìn)行分析。 ☆ 分析影響光纖傳輸性能的兩大因素： 損耗及色散。 ☆ 單模光纖和多模光纖。 光纜及其制造。 2022/6/4 3 回憶一下 —— 光基礎(chǔ)知識(shí) ? 1. 光是一種電磁波 。 可見(jiàn)光部分波長(zhǎng)范圍是： 390~760nm(毫微米 ).大于 760nm部分是紅外光，小于 390nm部分是紫外光。光纖中應(yīng)用的較多是： 850nm， 1310nm， 1550nm三種。 ? ，反射和 全反射 。 因光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，所以光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時(shí)，在兩種物質(zhì)的 交界面處會(huì)產(chǎn)生折射和反射 。而且，折射光的角度會(huì)隨入射光的角度變化而變化。當(dāng)入射光的角度達(dá)到或超過(guò)某一角度時(shí)， 折射光會(huì)消失， 入射光全部被反射回來(lái)，這就是光的 全反射 。不同的物質(zhì)對(duì)相同波長(zhǎng)光的折射角度是不同的 (即不同的物質(zhì)有不同的光折射率 )， 相同的物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的折射角度也是不同 。光纖通信就是基于以上原理而形成 的。 2022/6/4 4 表中給出了一些介質(zhì)的折射率。 材料 空氣 水 玻璃 石英 鉆石 折射率 ～ 光的折射 光的反射 2022/6/4 5 3．光的偏振 光波屬于 橫波 ，即光的電磁場(chǎng)振動(dòng)方向與傳播方向垂直。如果光波的振動(dòng)方向始終不變，只是光波的振幅隨相位改變，這樣的光稱為 線偏振光 (完全偏振光） ，如下圖所示， “ 旋光現(xiàn)象 ” 。 從 普通光源 發(fā)出的光不是偏振光，而是自然光，如 下 圖所示。 自然光在傳播的過(guò)程中，由于外界的影響在各個(gè)振動(dòng)方向的光強(qiáng)不相同，某一個(gè)振動(dòng)方向的光強(qiáng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)，這種光稱為 部分偏振光 ，如 下 圖所示。 2022/6/4 6 光的偏振 2022/6/4 7 4．光的色散 如圖所示，當(dāng)日光通過(guò)棱鏡或水霧時(shí)會(huì)呈現(xiàn)按紅橙黃綠青藍(lán)紫順序排列的彩色光譜。這是由于棱鏡材料（玻璃）或水對(duì)不同波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)于不同的顏色）的光呈現(xiàn)的折射率 n不同，從而使光的傳播速度不同和折射角度不同，最終使不同顏色的光在空間上散開(kāi)。 2022/6/4 8 名詞解釋 波導(dǎo) waveguide： 微波或光波的傳輸裝置。 能夠沿著平行于其軸的路徑導(dǎo)引電磁場(chǎng)能流，同時(shí)使能量包含在其內(nèi)或于其表面相鄰區(qū)域的任何 結(jié)構(gòu) 。在媒質(zhì)中，給定折射率的一層材料，在它的兩邊用較低折射率材料層加以限制，從而將波限制在較高折射率的材料里。 導(dǎo)波 guided wave： 傳輸媒質(zhì)的分層將波的能量限制在導(dǎo)體中（例如：光纖、波導(dǎo)管）傳播的方法。一種由于特有的材料特性，其能量被限制在材料的表面之間或表面附近的 波 。其傳播方向與材料邊界實(shí)際上是并行的。 2022/6/4 9 導(dǎo)波的形成 A C B ? ? 波的形成必須與自身發(fā)生 相長(zhǎng)干涉 ，否則波就會(huì)與自身發(fā)生 相消干涉 而消失； 波的相位不僅在波行進(jìn)時(shí)會(huì)變化，而且從介質(zhì)界面反射時(shí)也要變化； 因此，當(dāng)波路徑 ABC時(shí)所產(chǎn)生的總相位移必須等于 2?的整數(shù)倍。 2022/6/4 10 名詞解釋 (續(xù) ) 模 mode:傳輸媒質(zhì)中電磁波的一種電磁場(chǎng)分布樣式。由與電磁波傳播方向垂直的平面內(nèi)一種特殊的場(chǎng)圖形所表征。光纖中的傳播模是由必須滿足麥克斯韋方程組和一定邊界條件所決定的。 混合模 hybrid mode :電磁波傳播方向上既有電場(chǎng)分量又有磁場(chǎng)分量的傳播模。一般用 HE?；?EH模表示。光纖中一般傳輸這種類型的模式。 2022/6/4 11 第一節(jié) 光纖結(jié)構(gòu)和分類 概述： 光纖和同軸電纜相似，只是沒(méi)有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的 玻璃芯 。在多模光纖中，芯的直徑是 15um50um，大致與人的頭發(fā)的粗細(xì)相當(dāng)。而單模光纖芯的直徑為 8um10um。芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套，以使光線保持在芯內(nèi)。再外面的是一層薄的塑料外套，用來(lái)保護(hù)封套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護(hù)纖芯通常是由 石英玻璃 制成的橫截面積很小的 雙層同心圓柱體 ，它質(zhì)地脆 ,易斷裂 ,因此需要外加一保護(hù)層。其結(jié)構(gòu)如下圖： 2022/6/4 12 第一節(jié) 光纖結(jié)構(gòu)和分類 （續(xù)） 包層n 2纖芯n 1光纖的結(jié)構(gòu) 2022/6/4 13 第一節(jié) 光纖結(jié)構(gòu)和分類 （續(xù)） 光纖的結(jié)構(gòu) 2022/6/4 14 第一節(jié) 光纖結(jié)構(gòu)和分類（續(xù)） : 纖芯與包層 : 外護(hù)層 纖芯 包層 一次涂敷 二次涂敷 2a 2b 2022/6/4 15 第一節(jié) 光纖結(jié)構(gòu)和分類（續(xù)） : 按照光纖折射率分布 (1) 階躍型光纖 SIF 也稱突變型 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 n1和包層的折射率 n2是均勻常數(shù)。 (2) 漸變型光纖 GIF 也稱梯度型 漸變型光纖纖芯的折射率 n1隨著半徑的增加而按一定規(guī)律（如平方律、雙正割曲線等）逐漸減少，到纖芯與包層交界處為包層折射率 n2 ，纖芯的折射率不是均勻常數(shù)。 2022/6/4 16 (a) 階躍
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