光纤通信技术第2章光纤课件.pptVIP

第2章 光纤 学习目标 1.了解光纤基本结构。 2.掌握光波导理论研究意义。 3.了解光纤制造方法特点。 4.掌握研究光纤传输特性实际意义。 5.掌握各种通信光纤性能特点和适用场所 知识要点 2.1 光纤基本结构 2.1.1 光纤基本结构 通信光纤是由石英玻璃或塑料或其它导光材料组成的圆柱形线性的导光纤维（简称光纤）。光纤的剖面结构，如图2-1所示。通常，光纤是由两个同心均匀介质所组成。如果我们用r表示光纤直径，那么在r＜a的纤芯半径区域内，纤芯的折射率是n1，而在位于纤芯外面的材料被称为包层，其折射率为n2。 如果光纤满足弱波导条件（n1与n2的数值非常接近），那么可以利用式（2-1）求得光纤的相对折射率差Δ。商用光纤产品的纤芯与包层的折射率数值确实相差无几。一般，单模光纤的相对折射率差Δ大约为0.2%；而多模光纤的相对折射率差Δ大约是1%。 国际电信联盟标准化部门ITU-T和国际电工委员会IEC都对大多数单模光纤和多模光纤产品的几何尺寸、传输性能和测量方法做了详细的技术规范。例如，各种通信光纤的几何尺寸要求中所规定的光纤包层直径都是125μm，对单模光纤的纤芯直径为8-10μm，而对于多模光纤的纤芯直径一般为50或62.5μm。 光纤的导光原理是由芯/包折射率、相对折射率差所构成的光波导结构所决定的。光纤常用的折射率剖面结构有：梯度折射率分布和阶跃折射率分布等。 2.1.2 光纤特点 与电磁波通信方式相比，光纤通信是以激光为信息载波，光纤作为传输介质的通信。因此，光纤通信具有以下极为显著的优点： 1 巨大的工作带宽 通信技术发展史是一部载波波长由长波长变为短波长、微波，一直到今天使用光波频谱的历史。究竟其原因是，信息理论认定，波长越短，载波频率越高，通信容量就越大。光纤通信使用的电磁波频率是1014Hz。因此，仅所用的电磁波频率而论，光纤具有的通信容量是最大的。 2 优异的传输性能 光纤通信技术之所以位居各种通信方式之首，究其原因是光纤在其设计的工作波长范围具有优异的传输性能，如极小的衰减、合理的色散、极好的传输质量等。 3 杰出的使用性能 众所周知，石英玻璃光纤具有极好的机械性能、化学稳定性、热稳定性和抗电磁干扰能力。 4 丰富的原料来源 尽管石英玻璃光纤所需要高纯度的SiCl4、GeCl4等液体或固体原材料，一般是采用气相沉积先制棒后拉丝工艺，产品尺寸精度高，但是其主要原料（SiO2）在地壳蕴藏数量非常丰富。 目前，国际期货市场铜、铝等金属材料价格不断上涨，而光纤的价格日渐走低，从而光纤接入网的建设带来了极好的契机。 5 独特的接继技术 常用的单模光纤的纤芯直径仅为10μm左右，为光缆线路的施工中的光纤对准和熔接操作带来了极大的困难。光缆施工人员需要接受专门的技术培训之后，在掌握他们才能够达到了正确切割光纤、端面对准和光纤端面熔接等一系列接续操作，才能够顺利完成光纤接继工作。 2.2 光波导理论 2.2.1 几何光学 1.全内反射 现在，我们借助于几何光学解释光纤中的光（线）传输理论。当光线射到两种介质之间的界面上时，一部分光线被反射，形成反射光线，而一部分被折射，而形成折射光线，如图2-2所示。对于反射光有如下规律：1. 反射光线保持在由入射光线与法线所构成的入射平面中；2. 相对于入射光线来说，反射光线位于法线的相反侧；3. 反射光线和入射光线分别与法线形成的夹角α1=α2。 对于折射光线而言，如果是在各向同性的介质（如玻璃）中，则由式（2-2）菲涅尔折射定律可得出：光的入射角正弦sinα与折射角正弦sinβ之比与其各自入射介质的折射率n1与折射介质的折射率n2成反比。 当光线以愈来愈大入射角α入射到光密介质n1和光疏介质n2的界面时，在某一入射角α0时折射角β0=900，如图2-3所示。在这种情况下，光线②平行于两介质的界面而传播。这时的入射角α0称为两种介质的临界角，如式（2-3）所示。 即临界角由两种介质的折射率n1和n2的比值决定的。对于入射角α大于临界角α0的所有光线，在光疏介质中没有对应的折射光线存在，这些光线在界面上全部被反射回光密介质中，这种现象称为全内反射，如图2-3所示的光线③。 由此可知，全内反射只能发生在光由光密介质入射到与光疏介质的界面上，对于圆柱形光波导（纤），如果使纤芯中心部分的折射率高于外包层的折射率，就可以将满足全内反射的光线“限制”在芯层内并以锯齿形连续反射光纤形式在光纤