《光纤通信技术教学资料》第2章第1节.ppt
1,第二章 光纤的结构与导波特性,2,第二章 光纤的结构与导波特性 光纤是光波的传输媒质，其特性十分重要。光纤特性包括它的结构特性、光学特性及传输特性。结构特性 主要指光纤的几何尺寸(芯径等)；光学特性 主要指折射率分布、数值孔径等；传输特性 主要是指损耗及带宽特性。,3,本章介绍：光纤结构及分类用光线法分析多模光纤及平面光波导的传输原理用波动理论讨论单模光纤的模式特性分析光纤的损耗、色散及非线性特性,4,21 光纤的导光原理与结构特性的射线分析 光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤从横截面上看基本由 3 部分组成，即 折射率较高的芯区；折射率较低的包层 表面涂敷层 根据芯区折射率径向分布的不同，可分为两类光纤：折射率在纤芯与包层介面突变的光纤称为阶跃光纤；折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。不同的折射率分布，传输特性完全不同。,5,光纤的典型结构是多层同轴圆柱体(图2.1)，自内向外为纤芯、包层及涂覆层。,光纤结构,1-光纤结构示意图,6,图2.1 阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布,7,纤芯：折射率为n1，高纯度Si02，掺有少量杂剂(如Ge02等)，以提高折射率；多模光纤的芯径大多为 2a=50m；单模光纤芯径仅 2a=8-12m；包层：折射率为n2(n1)，也由高纯Si02制造，掺杂B203，及F(氟)等以降低折射率；包层外径一般为 2b=125m；涂覆层：在包层外面是5-40m；材料是环氧树脂或硅橡胶，其作用是增强光纤的机械强度；,8,光纤的导光原理与结构特性可用两种方法进行分析：射线理论-基于几何光学的射线理论方法可以很好地理解多模光纤的导光原理和特性，虽然是近似方法，但当纤芯直径2a远大于光波波长是完时全可行的。导波理论-当2a与可比拟时，应用导波理论进行分析（2.2节）。根据横截面上的折射率分布，光纤可分为：阶跃(SI)型 梯度(GI)型,9,2.1.1 阶跃型光纤(Step-Index Fiber),2-光的折射与反射,10,我们主要分析子午射线,3-子午光线在阶跃光纤中的传输,4-光纤中光的传输原理（3种射线）,图2.2 光在光纤中的传播途径,11,结论：当光线从空气入射纤芯端面的入射角：小于等于0 时，进入纤芯的光线将会在芯包界面间产生全反射而向前传播；入射角大于0 时，进入纤芯的光线将进入包层散射掉。,12,因此入射临界角 o 是个很重要的参量。它与光纤折射率的关系为,(2.1.1),(2.1.2),在光纤端面:,在芯包界面:,13,凡角度在o 以内的入射光线均可在光纤内传播，定义入射临界角o 的正弦为数值孔数值孔径NA，即(2.1.4)式,(2.1.3),利用(2.1.1)与(2.1.2)两式，可得到光纤端面入射光限制在纤芯所要求的与光纤轴线间的最大角度为,14,数值孔径是光纤的重要光学特性，它表示了光纤的集光能力。入射到光纤端面上的光线，只有与纤芯轴夹角为 o 圆锥体内的入射光线，才能在纤芯内传输。从式(2.1.4)可见:NA只决定于芯包折射率差，越大，NA越大，光纤聚光能力愈强。但过大的将引起多径色散，这是一种弥散效应导致的结果，在模式理论中称为模间色散，不能用于光纤通信系统中。,(2.1.4),15,由图2.2分析可知，对于 的光线，路径最短，正好等于长度 L；由式（）得到路径最长为,则可得到两条光线到达输出端的时差T,T值将影响信息传输容量，T TB，TB=1/B，由 上式得到信息传输容量为,(2.1.5),(2.1.6),16,上式给出了对2a 的阶跃光纤传输容量的基本限制。作为一个例子，现考察一下一种无包层的特殊光纤，n1=1.5,n2=1.0(空气)，0.33，得 BL0.4(Mb/s)km（p26）减小值，BL能提高很多。一般0.01，当=0.002时，BL100(Mb/s)km,这种光纤能以 10Mb/s 的速率将数据传输10km，适用于一些局域网。,17,2.1.2 渐变光纤,渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，它从芯区中心的最大值n1逐渐降低到纤芯包层界面的最小值n2，可用所谓的“分布”分析，其形式为,(2.1.7),式中，a为纤芯半径；参数决定折射率的分布。对阶跃光纤，=；对抛物线型光纤，=2。,18,在阶跃光纤中光线以曲折的锯齿形式向前传播，而在渐变光纤中则以一种正弦振荡形式向前传播，如图2.3所示。,5-渐变光纤中光的自聚焦传输原理,图2.3 渐变光纤中的光线轨迹,19,由图可见，类似于阶跃光纤：入射角大的光线路径长，入射角小的光线路径短。由于折射率的变化，光速在沿路径变化，虽然沿光纤轴线传播路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢；而斜光线的大部分路径在低折射率的介质中传播，虽然路径长，但传输得快。因而合理设计折射率分布，可使所有光线同时到达光纤输出端，降低了多径或模间色散。梯度光纤的自聚焦特性 自聚焦-以不同角度入射的光射线以相同的轴向速度，具有相同的空间周期 L，这种光纤称为自聚焦光纤。,20,梯度光纤中的光线要获得自聚焦特性，必须具备：使不同的光线有相同的轴向速度 在空间上具有相同的空间周期L,图示梯度光纤中的自聚焦现象,21,由经典光学理论可知，光线轨迹可用下列微分方程描述该式即为描述光线变化规律的轨迹方程。,（）,式中，为射线离轴线的径向距离。当折射率n为抛物线分布，=2时，利用式(2.1.7)，则式(2.1.8)可简化为简谐振荡方程,（）,式中，,分别为入射光线的位置和方向。,，,22,其中,显然，当 r0 时,为最大理论数值孔径。,梯度光纤的数值孔径 它可采用阶跃光纤的定义来描述，但由于梯度光纤的径向折射率分布n(r)是变化的，因此端面各点的NA也是不同的。可用局部（本地）数值孔径NA(r)来描述：,23,最大路径时差光线在长为L的渐变光纤中传输时，其最大路径时差，即为模间色散 T/L 将随 而变，图2.4给出了这种变化。,模间色散最小点：=2,图2.4 渐变光纤模间色散和BL积随的变化,24,模间色散最小点：=2,色散最小在 处，它与的关系为,（）,信息传输容量为,（）,25,p4,26,P16,
