第3章 光纤特性测量2
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1、12.1 光波基础，光与介质的相互作用光波基础，光与介质的相互作用2.2 光纤结构、光纤结构、类型与制造工艺及传输特性类型与制造工艺及传输特性2.3 光缆的结构、类型及特性光缆的结构、类型及特性第第 2 章章 光、光纤和光缆光、光纤和光缆返回主目录22.1 光波基础、光与介质的相互作用光波基础、光与介质的相互作用 2.1.1 光波基础光波基础 光的两种特性： 1、光的波动性：、光的波动性： 光是一种电磁波，具有反射、折射、衍射、干扰、衰减等特性。单频光称为单色光。 光波用频率（波长）、传播速率来描述。 2、光的粒子性：、光的粒子性： 光可用粒子数来描述，单色光的最小单位是光子。可用能量方程来描
2、述： 能量方程 E=hf （h=6.62*10-34) 光在不同的介质中有不同的传输速度，在真空中以最大的速度直线传输，光子能量可用爱因斯坦方程描述： E=mc2 33 3 光纤传输的几何光学解释光纤传输的几何光学解释光光波动性波动性粒子性粒子性波粒二相性波粒二相性几何光学几何光学电磁场理论电磁场理论波动光学波动光学光线光学光线光学42.1.2 光与介质的相互作用光与介质的相互作用 1、反射定理：2、折射定理：3、全反射：但n1n2时，只有反射光，无折射光时，为全反射。 从射线光学的角度看，光纤是一种利用全反射原理进行光信号传递的导波介质。0被称为临界角。 4、光在两种均匀介质分界面上的行为如
3、图2.1所示1221sinsinnn201sinnn5图2.1 光的反射与折射 入射光反射光折射光MN0n1n2MN1FLASH6 图2.2 全反射过程示意图 入 射 光反 射 光折 射 光MN0入 射 光反 射 光折 射 光MN0入 射 光反 射 光折 射 光MN0入 射 光反 射 光MN0n1n21MN11NMn1n2NMNM1(a)(b)(c)(d)n1n2n1n2n1n21221sinsinnn201sinnn7可见：可见： 当入射角大于临界角时，光由两介质的界面全部反射回原介质，这种现象称为全反射。在全反射情况下，光能无损失地返回原介质。显然，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介
4、质时n1n2 ，才能产生全反射。 光纤就是依据全反射原理构造的一种光波导，为了将光信号封闭在光纤中传输，根据全反射原理，光纤从纤芯到纤芯外部，折射率应有某种递减的规律，以保证全反射现象的出现。 8图2.3 阶跃光纤的结构及折射率分布示意图 n0n折 射 率200mn2n1n2n1n2 上图为一种最基本的光纤结构，这种光纤称为阶跃光纤，其纤芯折射率n1大于包层折射率n2。光纤横截面上折射率分布如下式：12,()( ),()nran rnra92.2光纤结构、类型与制造工艺光纤结构、类型与制造工艺 2.2.1光纤结构光纤结构 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆
5、柱形细丝。见图2.4 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。纤芯材料：SiO2含量达99.999 %,极少量GeO2，为了提高折射率。 包层为光的传输提供反射面和光隔离， 并起一定的机械保护作用。包层材料：SiO2 ，为了增强光纤韧性和强度，外增加一层涂覆层。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。纤芯和包层的相对折射率差=（n1-n2）/n1的典型值，一般单模光纤为0.3%0.6%，多模光纤为1%2%。越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。10图2.4 光纤的外形包层n2纤芯n1n1n2FLASH2.5光纤
6、结构示意图112.2.22.2.2光纤类型光纤类型分类：分类： 折射率分类：阶折射率分类：阶跃型光纤（跃型光纤（SI）；渐变型光纤（）；渐变型光纤（GI） 模式分类：多模光纤（模式分类：多模光纤（MM）；单模光纤（）；单模光纤（SM） 材料分类：石英；塑料；液体材料分类：石英；塑料；液体 波长分类：短波长和长波长波长分类：短波长和长波长（0.85，1.31or1.55 m） 特种光纤：特种光纤：EDFEDF掺铒光纤；掺铒光纤；DCFDCF色散补偿光纤；保偏光纤色散补偿光纤；保偏光纤重要组合（重要组合（MM-GI）多模渐变和（）多模渐变和（SM-SI）单模阶跃）单模阶跃121、按折射率分类、按折
7、射率分类 实用光纤主要有三种基本类型，图2.5示出其横截面的结构和折射率分布，光线在纤芯传播的路径，以及由于色散引起的输出脉冲相对于输入脉冲的畸变。这些光纤的主要特征如下突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF） 渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF） 单模光纤（SingleMode Fiber, SMF）13 D:/czw%E6%96%87%E4%BB%B6%E5%A4%B9/2008%E6%95%99%E5%AD%A6/%E5%85%89%E7%BA%A4%E6%95%99%E5%AD%A6/%E5%85%89%E7%BA%A4%E8%AF%BE
8、%E4%BB%B62008(4%E7%89%88)/%E7%AC%AC2%E7%AB%A0/06-%E5%A4%9A%E6%A8%A1%E9%98%B6%E8%B7%83%E5%85%89%E7%BA%A4%E4%B8%AD%E5%85%89%E7%BA%BF%E4%BC%A0%E6%92%AD%E8%B7%AF%E5%BE%84.swf2.5（a) 突变型多模光纤的光线传播原理321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc1 突变型多模光纤突变型多模光纤（SIF） 纤芯折射率为n1保持不变，到包层突变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=5080 m，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播。特点：信
9、号畸变大，(信道）相应的带宽只有1020 MHzkm，只能用于小容量（8 Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。14 渐变型多模光纤渐变型多模光纤（GIF） 在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50m，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播。特点：具有能减小信号脉冲展宽、增加信道带宽的优点，信号畸变小，带宽可达12 GHzkm，适用于中等容量（34140 Mb/s）中等距离（1020 km）系统。 oidzrirmp纤芯n(r)r*zr0dr图 2.5(b) 渐变型多模光纤的光线传播原理 15 单模光纤单模光纤（SMF）折射率分布和突
10、变型光纤相似，纤芯直径只有810m，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤。特点：其信号畸变很小，大容量（565 Mb/s2.5 Gb/s）长距离(30 km以上)系统要用单模光纤。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平。 相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大。横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a )输入脉冲光线传播路径输出脉冲5 0 m1 2 5mrnAitAot(b ) 1 0 m1 2 5mrnAitAot(c )（c） 单模光纤16 图 2.5 三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光
11、纤 (b) 渐变型多模光纤 （c） 单模光纤 横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)返回2a=5080 m17 模式：波动方程的某一种解，表示光场的某种特定分布，这种特定分布通常称为某种模式。 传输多个模式的光纤多模光纤 传输单个模式的光纤单模光纤 多模光纤与单模光纤的性能： 因为每种模式有其特定的传播常数，各模间存在模间色散，而光纤的传输特性由所有能传输的模式叠加而定。模式数多，传输特性差，所以，单模光纤传输特性最好。 色散：指信号的群速度随频率或模式不同而引起的信号失真
