【正文】 第 1 頁(yè) X 第 2章 光纖及其導(dǎo)光原理 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 光線理論 (幾何光線理論 ) 波動(dòng)理論（光纖導(dǎo)光模式理論） 單模傳輸條件 模耦合與模功率分布 第 2 頁(yè) X 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的結(jié)構(gòu) 套塑 光纖結(jié)構(gòu)示意圖 包層 纖芯 第 3 頁(yè) X 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的結(jié)構(gòu) 圖 3 1 光纖的結(jié)構(gòu) 分層 ： 纖芯 包層 涂敷層 套塑 （二次涂敷） 材料 ： 石英 石英 環(huán)氧樹(shù)脂或硅橡膠 尼龍或聚乙 稀 作用 ： 傳導(dǎo)光波 將光波封閉在纖芯 中傳播 增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度 折射率 ： n １ n ２ 少量摻雜： 五氧化二磷（ P 2 O 5 ） 三氧化二硼（ B 2 O 3 ） 二氧化鍺（ GeO 2 ） 氟（Ｆ） （為了實(shí)現(xiàn)包層與纖芯之間的折射率差） 第 4 頁(yè) X （ 1）按組成成份來(lái)分： ?玻璃纖維 ?鹵化物玻璃纖維 ?有源玻璃纖維 ?硫?qū)倩衔锊ＡЮw維 ?塑料光纖 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的分類 第 5 頁(yè) X （ 2）光纖橫截面上折射率分布 ?突變型 （ 階躍 ） 光纖 ?漸變型 （ 梯度 ） 光纖 ?Ｗ型折射率分布光纖 ?三角形折射率分布光纖 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的分類 第 6 頁(yè) X n （ r ） n （ r ） n １ n １ n ２ n ２ n ２ n ２ r 階躍 漸變 W 型 三角型 光纖橫截面上折射率分布示意 圖 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的分類 光纖的結(jié)構(gòu)和分類－光纖的分類 g：冪律分布或分布指數(shù) 1)g ∞ ， 均勻光纖或階躍光纖 。 2)g＝２ ， 拋物光纖 。 3)g其它值 ， 漸變光纖或梯度光纖 。 * 光纖橫截面上折射率分布函數(shù) n( r)= n 0 [ 1 221])( gar? r ≤ a n 2 a r b 其中 第 8 頁(yè) X 通信常用的石英光纖： 突變型多模光纖 （ SIF） 漸變型多模光纖 （ GIF） 單模光纖 （ SMF） 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的分類 第 9 頁(yè) X 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的 分類 橫截面2 a2 brn折射率分布纖芯 包層AitAot( a )輸入脈沖 光線傳播路徑 輸出脈沖5 0 ? m1 2 5 ? mrnAitAot( b )～ 10 ? m1 2 5 ? mrnAitAot( c ) (a) 突變型多模光纖 (b) 漸變型多模光纖 （ c） 單模光纖 第 10 頁(yè) X （ 3）光纖能傳輸?shù)目偰?shù)（能允許激勵(lì)的總模數(shù)） 單模光纖 多模光纖 *每種光纖在光纖中傳輸?shù)奶囟ㄐ问降墓獠ǚQ為光纖的一個(gè)模式 . *在光纖的數(shù)值孔徑內(nèi) ， 以某一角度射入光纖端面并能在光纖的纖芯 ―― 包層界面上形成全內(nèi)反射的傳播光線的可稱為一個(gè)光的傳輸模式 。 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的 分類 第 11 頁(yè) X （ 4）工作波長(zhǎng) 短波長(zhǎng)光纖 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖 超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖 波長(zhǎng)：０ . ８ ~ ０ .9 μ m （多模） ~ μ m 2 μ m 損耗 ２ . ２ ~ ３ dB/km 1 dB /km （零色散區(qū)） 尚處研究 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 －光纖的 分類 第 12 頁(yè) X 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 － 光纜的分類 ＧＹ－野外（或室外光纜） ＧＲ－軟光纜 Ｇ J－局內(nèi)（或室內(nèi)）光纜 ＧＳ－設(shè)備內(nèi)光纜 ＧＨ－海底光纜 ＧＴ－特殊光纜 第 13 頁(yè) X 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 － 光纜的銘牌 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 分類 加強(qiáng)構(gòu)件 派生特性 護(hù)套 外護(hù)層 Ⅳ Ⅰ Ⅱ Ⅲ a bb cc Ⅴ 工 損 帶 作 耗 寬 波 系 長(zhǎng) 數(shù) 長(zhǎng) 光纖數(shù) 光纖類別 光纖尺寸參數(shù) 適用溫度范圍 第 14 頁(yè) X 光纜的剖面結(jié)構(gòu)：光纖芯線 、 加強(qiáng)構(gòu)件 、 護(hù)套 、 填料以及外護(hù)層或鎧裝等部分組成 。 其結(jié)構(gòu)的分類：層絞式 、 骨架式 、 束管式 、 帶狀迭層式等 。 光纖的結(jié)構(gòu)和分類－ 光纜的結(jié)構(gòu) 第 15 頁(yè) X 材料制備與提純 （ 液態(tài)鹵化物 ） 制樣 （ a） 改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法 （ MCVD） （ b） 棒外化學(xué)汽相沉積法 （ OVD） （ c） 軸向汽相沉積法 （ VAD） （ d） 微波等離子沉積法 （ PCVD） （ ｅ ） 雙坩堝法 拉絲與涂覆 （ 預(yù)制棒制成符合外徑要求的光纖 ，光纖的內(nèi)外徑比與預(yù)制棒一樣 ， n一樣 ） 套塑與成纜 （ 強(qiáng)度 ） 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 － 光纜的制作 第 16 頁(yè) X 材料純度分析 質(zhì)量檢測(cè) 特性檢測(cè) 篩選 材料制備 與提純 制 棒 拉絲 與涂覆 套塑 成纜 成品 檢驗(yàn) 光纜制作過(guò)程 *降低損耗： OH 雜質(zhì) *提高帶寬：適當(dāng)?shù)墓饫w剖面折射率分布系數(shù) g 光纖的結(jié)構(gòu)和分類 － 光纜的制作 第 17 頁(yè) X 分析光纖的導(dǎo)光原理有二種方法 : （ 1） 幾何光學(xué)法 （ 2） 波動(dòng)光學(xué)法 光纖的導(dǎo)光原理 － 幾何光線理論 第 18 頁(yè) X 光纖的導(dǎo)光原理 － 幾何光線理論 －階躍光纖中的光線軌跡 階躍光纖中的光線軌跡 （ n1 n2 ） n2 n1 Ｃ Ａ Ｂ n1 n2 第 19 頁(yè) X 光線 A： n0 ~ n1界面 ， 入射角 θ 0 ， 折射角 θ ； n1 ~ n2界面 ， 入射角 90０ － θ ； １ ） 當(dāng) 90０ － θ ＝ θ c 時(shí) ， 則發(fā)生全反射 ， 光纖的能量將全部按照反射定律返回芯區(qū) ， 并繼續(xù)以和軸夾角 θ 向前傳播 。 ２ ） 當(dāng)達(dá)到另外一側(cè)芯 /包層邊界面時(shí) ， 會(huì)發(fā)生同樣的全反射過(guò)程 ． ３ ） 光線沿著光纖以 ” 之 ” 字形折線方式向前傳播 。 光線 A稱為 傳導(dǎo)模 或 導(dǎo)模光線 ． 光纖的導(dǎo)光原理 － 幾何光線理論 －階躍光纖中的光線軌跡 第 20 頁(yè) X 光纖的導(dǎo)光原理 － 幾何光線理論 －階躍光纖中的光線軌跡 光線 B： 由于光線 B初始入射角 θ ’ 0較大 ， 在芯 /包層界面不能滿足全反射條件 ， 光線折射入包層后 ，光線的能量經(jīng)過(guò)一段不長(zhǎng)的光纖傳輸 (約幾米 )，便損失掉了 ， 光線Ｂ被稱為 “ 包層模 ” 或 “ 輻射模 ” ． 第 21 頁(yè) X 光纖的導(dǎo)光原理 － 幾何光線理論 －階躍光纖中的光線軌跡 光線 C： 由于光線 C初始入射角 θ ” 0較小 ， 在 n1 ~ n2的界面 ， 入射角 90０ － θ 大于 θ c ， 致使其在芯 /包層界面滿足全反射條件 ． 光線 C也稱為 傳導(dǎo)模 或 導(dǎo)模光線 。 第 22 頁(yè) X 光纖的導(dǎo)光原理 － 幾何光線理論 －數(shù)值孔徑 NA 光線從端面入射于芯區(qū)并形成導(dǎo)模的入射角存在一個(gè)最大值 θ 0 ： 初始入射角 θ 0 ， 光線能在芯區(qū)中長(zhǎng)距離傳輸 。 初始入射角 θ 0 ， 入射的光線則絕大部分會(huì)作為包層模損失掉 。 入射最大角稱為 孔徑角 ， 其正弦值稱為光纖的 數(shù)值孔徑 ， 用 “ NA” 表示 。 數(shù)值孔徑 NA表示光纖接收入射光的能力 ． 第 23 頁(yè) X 光纖的導(dǎo)光原理 － 光在光纖中的傳播 光纖的導(dǎo)光原理 －幾何光線理論 －數(shù)值孔徑 NA 設(shè)光纖端面外為空氣折射率為 n0≈ 1， 02112212121101090s i ns i ns i n)(1s i n1)90s i n (s i nnnnnnnnnC o snnNAccccc????????????????同時(shí)由于 ? ?? ?2122221 nnnnnnNA ?????因此 21 nn ?又因?yàn)?121????nnn 纖芯一包層相對(duì)折射率差 ????? 22 111 nnnNA 第 25 頁(yè) X 光纖的導(dǎo)光原理 － 幾何光線理論 — 子午光線、斜光線和螺旋光線 子午光線 ——光線始終在經(jīng)過(guò)光纖軸線的某個(gè)平面內(nèi) （ 光纖軸心平面 、 子午面 ） 斜光線 ——光線入射方向與子午面夾有一定角度 。 螺旋光線 －－ 光線軌跡相當(dāng)于沿著芯與