光缆通信工程设计、施工与维护 教学课件 作者 程毅 任务一 光纤的识别.doc

提 要 教 学 内 容 任务一 光纤的识别 1．光纤的结构和分类 1）光纤的结构： 组成：由纤芯、包层和涂敷层三部份组成的圆柱体。 纤芯：传导光的作用。 包层：隔断光的作用。 涂敷层：保护光纤不受水汽的侵蚀，机械擦伤，增加柔韧性。 2）光纤的分类： a、按材料分类： a 石英系光纤 b 多组份玻璃纤维 c 塑料包层光纤 d 全塑光纤 b、按折射率分类：a 阶跃型光纤（均匀光纤）SI b 渐变型光纤（非均匀光纤）GI 阶跃型光纤：光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2都为一常数，且前者大于后者 n1 n2。 渐变型光纤：光纤纤芯的折射率n1随着半径的增加而按一定规律减少，到纤芯与包层交界处为包层的折射率n2。而纤芯中折射率的变化近似呈抛物线型。 c、按传输模式分类：a 单模光纤 b 多模光纤：多模均匀光纤、多模非均匀光纤 模式：是电磁场分布的一种形式，模式不同，其分布也不同。单模光纤：只传输一种模式，即主模、基模。纤芯直径4-10um。 特点：频带宽，传输容量大，适用于长距离光纤通信，一般采用均 匀光纤。 多模光纤：有多个模式在光纤中传输。纤芯直径50-75um，包层100-200um。 特点：多模均匀光纤：传输性能差，带宽较窄，容量较小； 多模非均匀光纤：传输性能较差，带宽较宽，容量较大。 综合：石英光纤分三种：单模均匀光纤、多模均匀光纤、 多模非均匀光纤。 d、按工作波长分类：a 短波长波段：0.8um b 长波长波段：1.31um,1.55um c 超长波段：72um 提 要 教 学 内 容 2.光纤的导光原理 1）斯涅尔定律：入射波、反射波、折射波之间的角度关系。 反射定律： 反射角和入射角的关系。 折射定律：折射角和入射角的关系。 折射率定义为光在真空中传播的速度与在介质中传播的 速度之比。 2）菲涅尔公式：反射波、折射波与入射波的复数振幅之间的关系。 3. 平面波的全反射 1）全反射：当n1 n2，即光从光密媒质进入光疏媒质时， θ1 θ2 n1sinθ1 n2sinθ2 ，当θ2＝90°时， sin90° 1, θ1sinθ1 n2, sinθ1 n2/n1, 若θ1继续增大，能量将全部返回第一媒质，这种现象叫全反射。 2）临界角：开始产生全反射的入射角叫临界角 sinθc n2/n1 θc are sin（ n2/n1） 3）产生全发射的条件： 1）n1 n2 2 θc θ1 90° 4、均匀光纤中光射线的分析 子午面：过光纤轴线的平面，MN； 子午线：在子午面上的射线，ABCD； 子午线是与光纤轴相交的平面折线，它在端面上的投影是一条过轴的直线。 斜射线：不经过光纤轴线的空间折线，它不是一条平面曲线，而是一条空间折线。 焦散面：与射线相切的圆柱面称焦散面。入射角不同，焦散面也不同。斜射线是在界面与各自的焦散面之间传播的。 a0 a,焦散面和纤芯界面重合，光线沿着纤芯面传播， 折线变成螺旋线。a0 0，斜射线变成子午线。 5、均匀光纤中主要特性参数的定义 1）相对折射指数差： 2）数值孔径NA：表示光纤捕捉光射线能力。 含义为：由光源射出的光射线，并不是所有射向光纤端面的光都能在纤芯中满足全反射条件，只有满足全反射条件形成导波的光线，才能够被光纤捕捉到而在纤芯中传输。 设：端面入射角： 轴向角 入射角 n1与n2差别小，称这两项为光纤的数值孔径。 结论：n1,n2差别越大，则Δ越大，则捕捉射线的能力越强，实际Δ并不 NA也较小。 3）最大时延差Δτmax： 时 延τ：某一条子午线在纤芯中传输一定长度所需要的时间称为时延；max：在空间长度为L的光纤中，走得最快的射线与走得最慢的射线在时间上的差别称为最大时延差。 θi 90°时速度最快，用的时间最短τmin＝L/V1 Ln1/c； θi θc时速度最慢，用的时间最长τmax＝L/V1sinθc Ln1/Vn2； ∴Δτmax τmax－τmin Ln1/Vn2－L/V1 Ln1/V1n2－1＝Ln1Δ/c 结论：Δ越小，最大时延差也越小，有利于减小模式色散。 6．非均匀光纤中主要特性参数的定义 1）相对折射指数差Δ 2）本地数值孔径 是指某点的数值孔径，它表示光纤剖面上该点捕捉射线的能力。 3）最大时延差Δτmax n r 为正割分布时，＝0 小结：1、讲叙了非均匀光纤的导光原理和运行轨迹，如何使非均匀光纤得到自聚焦，并介绍了非均匀光纤的相对折射指数差和本地数值孔径； 2、比较均匀光纤和非均匀光纤的主要参数。 均匀光纤 是一个常数 非均匀光纤 n r 为正割分布时，＝0 是一个变量 7、光纤的特性 1）光纤的损耗特性 （1）传输损耗：光波在光纤中传输，随着传输距离的增加而光功 率逐渐下降