【正文】 第 2章 光纖與光纜 光纖的結(jié)構(gòu)與類型 光纖傳輸原理 光纖傳輸特性 光纜1 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)光纖是用來(lái)導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維。一般可分為三層同軸圓柱形。它的剖面形式如圖 21所示。 圖 21 光纖的剖面圖纖芯由高透明材料制成外層為包層涂覆層起保護(hù)作用2纖芯的折射率為 ，直徑為 2a；包層的折射率為 ，直徑為 2b。基本結(jié)構(gòu)如圖 22所示 圖 22 光纖的基本結(jié)構(gòu)圖纖芯折射率 包層折射率 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)3 雖然光纖的基本結(jié)構(gòu)形式如圖 22 所示，但是按照折射率分布、傳輸模式多少、使用的材料或傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)等的不同，光纖可分為很多種類，下面將有代表性的幾種，簡(jiǎn)單介紹一下 1. 按照折射率分布來(lái)分一般可以分為階躍型光纖和漸變型光纖兩種 （ 1）階躍型光纖 如果纖芯折射率（指數(shù)）沿半徑方向保持一定，包層折射率沿半徑方向也保持一定，而且纖芯和包層折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖，稱為階躍型光纖，又可稱為均勻光纖。它的結(jié)構(gòu)如圖 23（ a）所示。 （ a）均勻光纖的折射率剖面分布 圖 23 光纖的折射率剖面分布2b2aa b rn(r) n1n2 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)4如果纖芯折射率沿著半徑加大而逐漸減小，而包層折射率是均勻的，這種光纖稱為漸變型光纖，又稱為非均勻光纖。它的結(jié)構(gòu)如圖 23（ b）所示。 （ 2）漸變型光纖（ b）非均勻光纖的折射率剖面分布圖 23 光纖的折射率剖面分布b rn(r) n1n2a 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)52. 按照傳輸?shù)目偰Ｊ椒?所謂模式，實(shí)際上是電磁場(chǎng)的一種場(chǎng)型結(jié)構(gòu)分布形式。模式不同，其場(chǎng)型結(jié)構(gòu)不同。根據(jù)光纖中傳輸模式的數(shù)量，可分為 單模光纖 和 多模光纖 。（ 1）單模光纖光纖中只傳輸單一模式時(shí)，叫做單模光纖。單模光纖的纖芯直徑較小，約為 8 ~10 um，通常，纖芯中折射率的分布認(rèn)為是均勻分布的。由于單模光纖只傳輸基模，從而完全避免了模式色散，使傳輸帶寬大大加寬。因此，它適用于大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信。單模光纖中的射線軌跡如圖 24（ a）所示 圖 24 光纖中的光線軌跡 （ a）單模光纖 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)6（ 2）多模光纖在一定的工作波長(zhǎng)下，可以有多個(gè)模式在光纖中傳輸?shù)?，稱為多模光纖。其纖芯可以采用階躍折射率分布，也可以采用漸變折射率分布，它們的光波傳輸軌跡如圖 23（ b），（ c）所示。多模光纖的纖芯直徑約為 50 um，由于模色散的存在使多模光纖的帶寬變窄，但其制造、耦合、連接都比單模光纖容易。（ b）多模均勻光纖 （ c）多模非均勻光纖 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)73. 按光纖的材料來(lái)分 這 種光 纖 的 纖 芯和包 層 是由 SiO2摻 有適當(dāng)?shù)?雜質(zhì) 制成。 這種光 纖 的 損 耗低， 強(qiáng) 度和可靠性 較 高，目前 應(yīng) 用做廣泛。（ 2）石英芯、塑料包層光纖這種光纖的芯子是用石英制成，包層采用硅樹(shù)脂。 （ 3）塑料光纖（ 1）石英系光纖這種光纖的芯子和包層都由塑料制成。 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)8短波長(zhǎng)光纖 ~ 短距離 ，小容量長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖 ~ 中長(zhǎng)距離，大容量超長(zhǎng)波光纖 2um 超長(zhǎng)距離， 大容量4. 按傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)來(lái)分 5. 按套塑結(jié)構(gòu)來(lái)分 松套光纖緊套光纖 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)9光的波粒二象性電磁波 麥克斯韋方程式粒子流 幾何光學(xué)（結(jié)論精確，計(jì)算復(fù)雜抽象）（簡(jiǎn)單直觀） 光纖傳輸原理10 幾何光學(xué)分析法是用射線光學(xué)理論分析光纖中光傳輸特性的方法。這種分析方法的前提條件是光的波長(zhǎng)要遠(yuǎn)小于光纖尺寸。1. 基本光學(xué)定義和定律光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，描述介質(zhì)對(duì)光這種作用的參數(shù)就是折射率，折射率與光之間的關(guān)系為 （ ）式中， c是光在真空中的傳播速度， c＝ 3108m/s，是光在介質(zhì)中的傳播速度， n是介質(zhì)的折射率?？諝獾恼凵渎式茷?1。折射率越高，介質(zhì)材料密度越大，光在其中傳播的速度越慢。 幾何光學(xué)分析法幾何光學(xué)分析法11 在均勻介質(zhì)中，光是直線傳播的，當(dāng)光由一種折射率介質(zhì)向另一種折射率介質(zhì)傳播時(shí)，在介質(zhì)分界面上會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，見(jiàn)圖 。 由斯奈爾定律可知，入射光、反射光以及折射光與界面垂線間的角度滿足下列關(guān)系 （ ）式中， 、 和 分別稱為入射角、折射角和反射角。 將折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，折射率較小的稱為光疏介質(zhì)。當(dāng)光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角；反之，折射角小于入射角。 在 n1n2，隨著入射角的增大，折射角也增大，當(dāng) 時(shí)，折射光將沿著分界面?zhèn)鞑ィ藭r(shí)對(duì)應(yīng)的入射角稱為臨界入射角，記為 。 由（ ）式可求得臨界入射角： ，即 （ ） 幾何光學(xué)分析法幾何光學(xué)分析法12入射光 反射光折射光θ1θ2θ3n1n2界面(光疏介質(zhì) )(光密介質(zhì) )入射光 反射光折射光θ1θ2θ3n1n2界面(光密介質(zhì) )(光疏介質(zhì) )θ1增加入射光 反射光折射光θ1θ2＝ 900θ3n1n2界面(光密介質(zhì) )(光疏介質(zhì) )θ1＝ θC入射光 反射光θ1 θ3n1n2界面(光密介質(zhì) )(光疏介質(zhì) )θ1θC圖 光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)的入射13 如果入射光的入射角，所有的光將被反射回入射介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱之為全反射，光纖就是利用這種折射率安排來(lái)傳導(dǎo)光的：光纖纖芯的折射率高于包層折射率，在纖芯與包層的分界面上，光發(fā)生全內(nèi)反射，沿著光纖軸線曲折前進(jìn)，如圖 。光纖中光的傳播 我們將光纖內(nèi)的光線分成兩類：一類是子午光線，見(jiàn)圖 （a）。另一類是斜光線，見(jiàn)圖 （ b）。子午光線是在與光纖軸線構(gòu)成的平面（子午面）內(nèi)傳輸，斜光線則在傳播的過(guò)程中不固定在一個(gè)平面內(nèi)。(b) 斜光線（ a) 子午光線n1n2圖 子午光線和斜光線 幾何光學(xué)分析法幾何光學(xué)分析法14圖 光源出射光與光纖的耦合θc包層 n2纖芯 n1包層 n2θ0 αc光 源空氣 n0＝ 1光纖端面 數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑是光纖一個(gè)非常重要的參數(shù)，它體現(xiàn)了光纖與光源之間的耦合效率。圖 。 幾何光學(xué)分析法幾何光學(xué)分析法15 光源與光纖端面之間存在著空氣縫隙，入射到光纖端面上的光，一部分是不能進(jìn)入光纖的，而能進(jìn)入光纖端面內(nèi)的光也不一定能在光纖中傳輸，只有符合特定條件的光才能在光纖中發(fā)生全內(nèi)反射而傳播到遠(yuǎn)方。由圖可知，只有從空氣縫隙到光纖端面光的入射角小于 ，入射到光纖里的光線才能傳播。實(shí)際上 是個(gè)空間角，也就是說(shuō)如果光從一個(gè)限制在 2 的錐形區(qū)域中入射到光纖端面上，則光可被光纖捕捉。 設(shè)空氣的折射率為