光纤光缆结构实用教案

1、主要主要(zhyo)(zhyo)章节章节3.1 3.1 光纤和光缆光纤和光缆3.2 3.2 光纤的导光原理光纤的导光原理3.3 3.3 单模光纤单模光纤3.4 3.4 光纤的损耗光纤的损耗(snho)(snho)特性特性3.5 3.5 光纤的传输特性光纤的传输特性第1页/共108页第一页，共109页。1. 1. 光纤的结构光纤的结构2. 2. 光纤的分类光纤的分类3. 3. 光缆光缆(un ln)(un ln)的结构的结构4. 4. 四类典型结构的光缆四类典型结构的光缆(un (un ln)ln)5. 5. 光缆光缆(un ln)(un ln)的型号的型号第2页/共108页第二页，共109页。

2、 一般光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺(gngy)拉制而成。结构多层同轴圆柱体 。组成纤芯、包层和涂覆层 光纤的结构(jigu)第3页/共108页第三页，共109页。n纤芯：n作用传导光波n成份高纯度SiO2+极少量的掺杂剂（如 P2O5 ）n 掺杂目的是提高纤芯对光的折射率n1。n直径3m-100mn 单模光纤：3m-10mn 多模光纤：50m左右。n包层n作用将光波限制(xinzh)在纤芯中传播n成分高纯度SiO2+极少量的掺杂剂（如B2O3）n 掺杂目的是使折射率n2略低于纤芯折射率n1。 n直径125m-140m各组成部分(z chn b fn)功能注意(zh y)：纤

3、芯n1包层n2第4页/共108页第四页，共109页。n涂敷层n 作用(zuyng)是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，n 同时增加光纤的柔韧性。n一次涂覆层丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料n缓冲层一般为性能良好的填充油膏n二次涂覆层聚丙烯或尼龙等高聚物n 涂覆后的光纤其外径约1.5mm。n 通常所说的光纤为此种光纤。涂敷层第5页/共108页第五页，共109页。裸纤 由纤芯和包层组成的光纤，强度(qingd)和柔韧性较差。 光纤芯线 经过涂敷后的光纤。基本概念第6页/共108页第六页，共109页。光纤的分类光纤的分类(fn li) 按光纤截面上折射率分布分类(fn li) 阶跃型光纤（SIF） 渐变型

4、光纤（GIF） W型光纤 阶跃型光纤：在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形 突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。 渐变型光纤：纤芯的折射率n1随着半径的增加而按一 定规律(如平方律、双正割曲线等) 逐渐减少，到纤芯 与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均 匀常数。 W型光纤（双包层光纤）：在纤芯与包层之间设有一 折射率低于包层的缓冲(hunchng)层，使包层折射率介于纤芯 和缓冲(hunchng)层之间。第7页/共108页第七页，共109页。 光纤的纤芯折射率剖面(pumin)分布 2b 2b 2b 2c 2a 2a 2a n n n n1 n1 n1 n2 n2 n

5、2 n3 0 a b r 0 a b r 0 a c b r （a）阶跃光纤 （b） 渐变(jinbin)光纤 （c）W型光纤 第8页/共108页第八页，共109页。 按传输模式(msh)的数量分类 多模光纤 单模光纤 单模光纤 只传输一种模式(msh)，纤芯直径较细，通常在3m-10m 范围内。 多模光纤 可传输多种模式(msh)，纤芯直径较粗，典型尺寸为50m左右。 包层直径都为125m-140m第9页/共108页第九页，共109页。 按光纤的工作波长分类 短波长光纤（0.8-0.9m） 长波长光纤（1.0-1.8m） 超长波长光纤（大于2m） 按制造光纤所使用(shyng)的材料分类 石

6、英系列 塑料包层石英纤芯 全塑光纤 光纤通信中主要用石英光纤，以后所说的 光纤也主要是指石英光纤。第10页/共108页第十页，共109页。 按套塑结构不同 分为紧套光纤和松套光纤。 紧套光纤在一次涂覆的光纤上再套上一层塑料套管，光纤在套管内不能自由活动(hu dng)。 松套光纤在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动(hu dng)。第11页/共108页第十一页，共109页。【课堂练习】已知某长度(chngd)为13km的单模光纤的功率传输损耗为0.195dB/km，激光器耦合进入光纤输入端的功率为1mW，那么用功率计在光纤输出端检测出的最大光功率是多少？第12页/共10

7、8页第十二页，共109页。 光纤成缆的原因 1. 增加抗冲击、抗弯曲等性能(xngnng)； 2. 根据不同使用情况可以制成不同结构形式的光缆光缆(un ln)的基本结构及类型n 对光缆的基本(jbn)要求n1. 不能因成缆而使光纤的传输特性下降n2. 在成缆过程中光纤不能断裂n3. 缆径细、重量轻n4. 便于施工和维护第13页/共108页第十三页，共109页。n组成(z chn)：缆芯、加强芯、光缆护层n1、缆芯n 由单根或多根芯线组成(z chn)。光缆的基本(jbn)结构第14页/共108页第十四页，共109页。2.加强芯加强芯 作用：用于增强光缆敷设时可承受的负荷作用：用于增强光缆敷设

8、时可承受的负荷 材料：钢丝和非金属纤维。材料：钢丝和非金属纤维。 位置：通常位置：通常(tngchng)处在缆芯中心，有时配置在护中。处在缆芯中心，有时配置在护中。3.光缆护层光缆护层 作用：防水防潮、抗拉抗压抗弯等作用：防水防潮、抗拉抗压抗弯等 材料：聚乙烯或聚氯乙烯材料：聚乙烯或聚氯乙烯(PE或或PVC)、聚氨酯、聚氨酯 聚酰胺。此外，还有铝钢等金属防潮聚酰胺。此外，还有铝钢等金属防潮 位置：由内到外可加入一层或层圆筒状护套。位置：由内到外可加入一层或层圆筒状护套。 第15页/共108页第十五页，共109页。4.填料 材料：防潮油胶 作用(zuyng)：防潮防水 位置：缆芯和护套之间。5.

9、铠装 材料：钢丝钢带 位置：最外一层 作用(zuyng)：防外力损坏。 12芯松套层绞式直埋光缆(un ln)第16页/共108页第十六页，共109页。四类典型(dinxng)结构的光缆1、层绞式结构(jigu)光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。12芯松套层绞式直埋光缆(un ln) 6芯紧套层绞式光缆第17页/共108页第十七页，共109页。第18页/共108页第十八页，共109页。第19页/共108页第十九页，共109页。12芯松套层绞式直埋防蚁光缆(un ln)第20页/共108页第二十页，共109页。12芯松套层绞式水底光缆(un ln)第21页/共108页第二十一页，共

10、109页。2、骨架式结构光缆 骨架式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围(zhuwi)的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。12芯骨架(gji)式光缆第22页/共108页第二十二页，共109页。第23页/共108页第二十三页，共109页。骨架式自承式架空(jikng)光缆第24页/共108页第二十四页，共109页。3、束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管(to un)中，加强芯配置在套管(to un)周围而构成。 12芯束管式光缆第25页/共108页第二十五页，共109页。第26页/共108页第二十六页，共109页。4、带状结构光缆 把带状光纤单元(dnyun)放入大套管中，形

11、成中心束管式结构；也可把带状光纤单元(dnyun)放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。中心(zhngxn)束管式带状光缆层绞式带状光缆(un ln)第27页/共108页第二十七页，共109页。第28页/共108页第二十八页，共109页。光缆(un ln)典型结构小结制造(zhzo)较容易，光纤数量较少（12芯以下）结构(jigu)简单，对光纤保护较好，耐压、抗弯性能较好，节省了松套管材料和相应工序，但也对放置光纤入槽工艺提出了更高的要求。体积小、重量轻、制造容易、成本低，是更能发挥光纤优点的光缆结构之一。空间利用率最高的光缆，可容纳大量光纤，每个单元的接续可一次完成。第29页/共10

12、8页第二十九页，共109页。第30页/共108页第三十页，共109页。光缆光缆(un ln)型号（补）型号（补） 光缆型号由它的型式代号和规格(gug)代号构成，中间用一短横线分开。1、光缆型式代号 由五个部分组成，如下图所示。GYGZL03-12T50/125第31页/共108页第三十一页，共109页。 ：分类代号及其意义为（应用环境) GY通信用室（野）外光缆； GR通信用软光缆； GJ通信用室（局）内光缆； GS通信用设备(shbi)内光缆； GH通信用海底光缆； GT通信用特殊光缆。 ：加强构件代号及其意义为： 无符号金属加强构件； F非金属加强构件； G金属重型加强构件； H非金属重

13、型加强构件。第32页/共108页第三十二页，共109页。 ：派生特征代号及其意义为： D光纤带状结构； G骨架槽结构； B扁平式结构； Z自承式结构。 T填充式结构。 ： 护层代号及其意义为；（护层使用材料） Y聚乙烯护层； V聚氯乙烯(j l y x)护层； U聚氨酯护层； A铝-聚乙烯粘结护层； L铝护套； G钢护套； Q铅护套； S钢-铝-聚乙烯综合护套。第33页/共108页第三十三页，共109页。 ：外护层的代号及其意义为： 外护层是指铠装(ki zhun)层及其铠装(ki zhun)外边的外护层，外护层的代号及其意义如下。 代 号铠装层（方式）代 号外护层（材料）0无0无11纤维层2

14、双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝5单钢带皱纹纵包第34页/共108页第三十四页，共109页。2、光缆规格 由五部分七项内容(nirng)组成，如下图所示。光缆的规格(gug)组成部分第35页/共108页第三十五页，共109页。 光纤成缆的原因 1. 增加抗冲击、抗弯曲等性能(xngnng)； 2. 根据不同使用情况可以制成不同结构形式的光缆光缆的基本(jbn)结构及类型n 对光缆的基本要求n1. 不能因成缆而使光纤的传输特性下降n2. 在成缆过程中光纤不能断裂(dun li)n3. 缆径细、重量轻n4. 便于施工和维护第36页/共108页第三十六页，共109页。n组成：缆芯、加

15、强元件(yunjin)、光缆护层n1、缆芯n 由单根或多根芯线组成。光缆(un ln)的基本结构第37页/共108页第三十七页，共109页。2.加强芯加强芯 作用：用于增强光缆敷设作用：用于增强光缆敷设(fsh)时可承受的负荷时可承受的负荷 材料：钢丝和非金属纤维。材料：钢丝和非金属纤维。 位置：通常处在缆芯中心，有时配置在护中。位置：通常处在缆芯中心，有时配置在护中。3.光缆护层光缆护层 作用：防水防潮、抗拉抗压抗弯等作用：防水防潮、抗拉抗压抗弯等 材料：聚乙烯或聚氯乙烯材料：聚乙烯或聚氯乙烯(PE或或PVC)、聚氨酯、聚氨酯 聚酰胺。此外，还有铝钢等金属防潮聚酰胺。此外，还有铝钢等金属防潮

16、 位置：由内到外可加入一层或层圆筒状护套。位置：由内到外可加入一层或层圆筒状护套。 第38页/共108页第三十八页，共109页。4.填料 材料：防潮油胶 作用：防潮防水(fn shu) 位置：缆芯和护套之间。5.铠装 材料：钢丝钢带 位置：最外一层 作用：防外力损坏。 12芯松套层绞式直埋光缆(un ln)第39页/共108页第三十九页，共109页。四类典型结构(jigu)的光缆1、层绞式结构(jigu)光缆 把经过套塑的光纤绕在加强芯周围绞合而构成。12芯松套层绞式直埋光缆(un ln) 6芯紧套层绞式光缆第40页/共108页第四十页，共109页。第41页/共108页第四十一页，共109页。

17、第42页/共108页第四十二页，共109页。12芯松套层绞式直埋防蚁光缆(un ln)第43页/共108页第四十三页，共109页。12芯松套层绞式水底光缆(un ln)第44页/共108页第四十四页，共109页。2、骨架(gji)式结构光缆 骨架(gji)式结构光缆是把紧套光纤或一次涂覆光纤放入加强芯周围的螺旋形塑料骨架(gji)凹槽内而构成。12芯骨架(gji)式光缆第45页/共108页第四十五页，共109页。第46页/共108页第四十六页，共109页。骨架式自承式架空(jikng)光缆第47页/共108页第四十七页，共109页。3、束管式结构光缆 把一次涂覆光纤或光纤束放入大套管(to u

18、n)中，加强芯配置在套管(to un)周围而构成。 12芯束管式光缆第48页/共108页第四十八页，共109页。第49页/共108页第四十九页，共109页。4、带状结构光缆 把带状光纤单元(dnyun)放入大套管中，形成中心束管式结构；也可把带状光纤单元(dnyun)放入凹槽内或松套管内，形成骨架式或层绞式结构。中心(zhngxn)束管式带状光缆层绞式带状光缆(un ln)第50页/共108页第五十页，共109页。第51页/共108页第五十一页，共109页。光缆典型(dinxng)结构小结制造较容易，光纤数量(shling)较少（12芯以下）结构简单(jindn)，对光纤保护较好，耐压、抗弯性

19、能较好，节省了松套管材料和相应工序，但也对放置光纤入槽工艺提出了更高的要求。体积小、重量轻、制造容易、成本低，是更能发挥光纤优点的光缆结构之一。空间利用率最高的光缆，可容纳大量光纤，每个单元的接续可一次完成。第52页/共108页第五十二页，共109页。第53页/共108页第五十三页，共109页。光缆光缆(un ln)型号（补）型号（补） 光缆(un ln)型号由它的型式代号和规格代号构成，中间用一短横线分开。1、光缆(un ln)型式代号 由五个部分组成，如下图所示。GYGZL03-12T50/125第54页/共108页第五十四页，共109页。 ：分类代号(diho)及其意义为（应用环境) G

20、Y通信用室（野）外光缆； GR通信用软光缆； GJ通信用室（局）内光缆； GS通信用设备内光缆； GH通信用海底光缆； GT通信用特殊光缆。 ：加强构件代号(diho)及其意义为： 无符号金属加强构件； F非金属加强构件； G金属重型加强构件； H非金属重型加强构件。GYGZL03-12T50/125第55页/共108页第五十五页，共109页。 ：派生(pishng)特征代号及其意义为： D光纤带状结构； G骨架槽结构； B扁平式结构； Z自承式结构。 T填充式结构。 ： 护层代号及其意义为；（护层使用材料） Y聚乙烯护层； V聚氯乙烯护层； U聚氨酯护层； A铝-聚乙烯粘结护层； L铝护套；

21、 G钢护套； Q铅护套； S钢-铝-聚乙烯综合护套。第56页/共108页第五十六页，共109页。 ：外护层的代号及其意义(yy)为： 外护层是指铠装层及其铠装外边的外护层，外护层的代号及其意义(yy)如下。 代 号铠装层（方式）代 号外护层（材料）0无0无11纤维层2双钢带2聚氯乙烯套3细圆钢丝3聚乙烯套4粗圆钢丝5单钢带皱纹纵包第57页/共108页第五十七页，共109页。2、光缆规格 由五部分七项内容组成(z chn)，如下图所示。光缆(un ln)的规格组成部分第58页/共108页第五十八页，共109页。 ： 光纤数目用1、2、，表示光缆内光纤的实际数目。 ： 光纤类别的代号及其意义 J二

22、氧化硅系多模渐变型光纤； T二氧化硅系多模突变型光纤； Z二氧化硅系多模准突变型光纤； D二氧化硅系单模光纤； X二氧化硅纤芯塑料包层光纤； S塑料光纤。 ： 光纤主要(zhyo)尺寸参数 用阿拉伯数（含小数点数）及以m为单位表示多模光纤的芯径及包层直径，单模光纤的模场直径及包层直径。GYGZL03-12T50/125第59页/共108页第五十九页，共109页。 ：带宽、损耗、波长表示光纤传输特性的代号由a、bb及cc三组数字代号构成。 a表示使用波长的代号，其数字代号规定如下： 1波长在0.85m区域； 2波长在1.31m区域； 3波长在1.55m区域。 注意，同一光缆适用(shyng)于两

23、种及以上波长，并具有不同传输特性时，应同时列出各波长上的规格代号，并用“/”划开。 bb表示损耗常数的代号。两位数字依次为光缆中光纤损耗常数值（dB/km）的个位和十位数字。 cc表示模式带宽的代号。两位数字依次为光缆中光纤模式带宽分类数值（MHzkm）的千位和百位数字。单模光纤无此项。GYGZL03-12T50/125第60页/共108页第六十页，共109页。 ：适用温度(wnd)代号及其意义。 A适用于40+40 B适用于30+50 C适用于20+60 D适用于5+60例如光缆是由12根芯径/包层直径为50/125m的二氧化硅系列多模突变型光纤组成，且在1.31m波长上，光纤的损耗(snh

24、o)常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于800MHzkm；光缆的适用温度范围为20+60。其光缆规格型号为？GYGZL03-12T50/125第61页/共108页第六十一页，共109页。 光缆中还附加金属导线（对、组）编号，如下图所示。其符合有关电缆标准中导电(dodin)线芯规格构成的规定。 例如，2个线径为0.5mm的铜导线单线可写成210.5；4个线径为0.9mm的铝导线四线组可写成440.9L；4个内导体直径(zhjng)为2.6mm，外径为9.5mm的同轴对，可写成42.6/9.5。第62页/共108页第六十二页，共109页。（3）光缆型号例题设有金属重型加强构件、自承式、铝护

25、套和聚乙烯护层的通信用室外光缆，包括12根芯径/包层直径为50/125m的二氧化硅系列多模突变型光纤和5根用于远供及监测的铜线径为0.9mm的四线组，且在1.31m波长上，光纤的损耗常数不大于1.0dB/km，模式带宽不小于800MHzkm；光缆的适用温度范围(fnwi)为20+60。 该光缆的型号应表示为： GYGZL03-12T50/125（21008）C+540.9。第63页/共108页第六十三页，共109页。 双坩埚法（直制光纤） 将熔融态的纤芯玻璃放入内层容器中，熔融态的包层玻璃放在外层容器中。两种玻璃在外容器底部混合。形成(xngchng)光纤结构，然后拉制成光纤。 管中棒法（直制

26、光纤） 将玻璃纤芯棒放在玻璃包层玻璃管中。二者长度都为1m，纤芯棒的直径为几厘米，而包层管的内直径要大一点。然后加热组合体的尾端，使玻璃变软，从而能拉制出很细的光纤。光纤的制造(zhzo)第64页/共108页第六十四页，共109页。n间接(jin ji)方法n 预制棒-拉丝-光纤n 预制棒横截面积是光纤的许多倍。典型的长1m，直径2cm。这种尺寸的预制棒可几千米n 长的光纤。n制造预制棒方法n 外部沉积法n 内部沉积法光纤的制造(zhzo)第65页/共108页第六十五页，共109页。n制造过程n 材料提存、熔炼、拉丝、套塑等工艺步骤。n材料提存n 原料：SiCl4、GeCl4、BCl3n 液体

27、原料中的杂质：采用反复蒸馏的办法(bnf)n 气体原料中的杂质：采用多级分子筛的办法(bnf)n熔炼工艺n 目的：合成具有一定折射率分布的预制棒。n 采用技术：气相沉积工艺n 拉丝工艺n 目的：将预制棒拉成高质量的光纤光纤的制造(zhzo)第66页/共108页第六十六页，共109页。分析光纤导光原理(yunl)有两种基本的研究方法：1.射线理论法（射线法，几何光学法） 当光波波长远小于光纤芯径时，光可以用一条 表示光波传播方向的几何线即光射线表示-简 单、直观。2.波动理论法（波动光学法） 根据电磁场理论对光波导的基本问题求解-严格全面，复杂。第67页/共108页第六十七页，共109页。n全反

28、射定律(fn sh dn l)光的全反射示意图光的全反射示意图光的全反射条件：光的全反射条件： arcsin(n2/n1) 光是从光密介质到光疏介质光是从光密介质到光疏介质c1n1n2n1 n2n1n2临界角临界角900临界角临界角n1n2全反射全反射入射角入射角=反射角反射角12 回顾(hug)第68页/共108页第六十八页，共109页。 光纤中的光射线(shxin)1、子午射线 光线(gungxin)始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个周期内与光纤轴线相交两次。这种光线(gungxin)称作子午射线。子午面包含光纤轴线的平面。子午(z w)射线图第69页/共108页第六十九页，

29、共109页。2、斜射线 光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称作斜射线。 （相当于在一棱柱(lngzh)的表面传播）斜射(xish)线图第70页/共108页第七十页，共109页。子午光线(gungxin)在单模光纤中的传播 光在单模光纤中的传播轨迹是以平行于光纤轴线的形式(xngsh)以直线方式传播 。光在单模光纤中的传播(chunb)轨迹第71页/共108页第七十一页，共109页。阶跃型多模光纤导光原理(yunl)分析 阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数(chngsh)n1的纤芯和折射率为常数(chngsh)n2的包层组成，并且n1n2。第72页/共108

30、页第七十二页，共109页。问题问题(wnt)： 将光限制在纤芯中传输，端面入射角应满将光限制在纤芯中传输，端面入射角应满足什么条件？足什么条件？阶跃型多模光纤导光原理(yunl)分析第73页/共108页第七十三页，共109页。阶跃型多模光纤导光原理(yunl)分析发生(fshng)全发射的临界状态第74页/共108页第七十四页，共109页。阶跃型多模光纤导光原理(yunl)分析n 当光线以 入射到纤芯端面上时n 内光线将以小于 的入射角投射到纤芯和包层界面上。 这样(zhyng)的光线在包层中折射角小于90度， 该光线将射入包层，很快就会漏出光纤。第75页/共108页第七十五页，共109页。多

31、模阶跃型光纤导光原理(yunl)分析n 当光线以 入射到纤芯端面上时 n 内光线将以大于 的入射角投射到纤芯和包层界面上。 这样(zhyng)的光线在包层中折射角大于90度，该光线将在纤芯和包层界面产生多次全反射， 使光线沿光纤传输。故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于 。n 第76页/共108页第七十六页，共109页。阶跃型多模光纤导光原理(yunl)分析第77页/共108页第七十七页，共109页。 确定入射角最大值 ，对于芯包界面，有 第78页/共108页第七十八页，共109页。 相对(xingdu)折射率差物理意义(yy) 表示阶跃型光纤 和 的相差程度。定义式对于

32、通信光纤， ，上式简化成为 2122212 nnn1n1n2n2n121nnn弱 导光 纤包层折射率纤芯折射率第79页/共108页第七十九页，共109页。 光纤的数值孔径数值孔径角max数值孔径12221max2sinnnnNA物理意义 表示光纤的集光能力。 即凡是入射到圆锥角 以内的所有(suyu)光线都可以满足全反射条件，在芯包界面发生全反射，将光线束缚在纤芯内沿轴向传播。max 第80页/共108页第八十页，共109页。n与关系n NA光纤集光能力。n光纤的数值孔径的决定因素n 仅决定于光纤的折射率，与其几何尺寸无关n光纤的NA并非越大越好。n 原因：n NA模式色散(ssn)光纤的传输

33、容量n 故CCITT建议：说明(shumng)NA=0.18-0.23。第81页/共108页第八十一页，共109页。多模渐变型光纤的导光原理(yunl)分析提问：光线在渐变型光纤中的传播轨迹是直线、折线还是(hi shi)曲线？第82页/共108页第八十二页，共109页。u将纤芯划分成若干同轴的薄层 ，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率从里到外逐渐减小，即有 u 。u由于光线都是从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。u之后光线是从光疏介质射向光密介质，入射角逐渐减小，直至(zhzh)穿过轴心后，光线又出现从光密介质射向光疏介质，重复上述折射过程。11n12n13n14n分层法分析

34、其传播分层法分析其传播(chunb)轨迹轨迹第83页/共108页第八十三页，共109页。u当纤芯分层数无限多，其厚度趋于零时，渐变型光纤纤芯折射率呈连续(linx)变化，光线在其中的传播轨迹不再是折线，而是一条近似于正弦型的曲线。光在渐变(jinbin)型光纤中的传播第84页/共108页第八十四页，共109页。自聚焦性从光纤端面上同一点发出(fch)的近轴子午光线经过适当的距离后又重新汇集到一点，也就是说，它们有相同的传输时延。22222220)0(2)0(2)0()0(sinnnnnnnNA数值孔径第85页/共108页第八十五页，共109页。多模阶跃型光纤的波动光学(gungxu)理论第86

35、页/共108页第八十六页，共109页。模式：波动理论的概念。波动理论一种电磁场的分布(fnb)称之为一个模式。射线理论一个传播方向的光线对应一种模式。导波：携带(xidi)信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。 传导(chundo)模：能从高光纤的一端传到另一端，在光纤中长距离传播的模式称为导模。 注意：模式不等价于导模辐射模：从纤芯向外辐射的模式。基本概念第87页/共108页第八十七页，共109页。第88页/共108页第八十八页，共109页。等相面/相位(xingwi)一致条件相位一致条件(tiojin)如果图中所示的两个波在A、B处的相位相等，则经过一段传播

36、距离后，在A、B处的相位也应该相等或相差 的整数倍。2光纤中光波相位(xingwi)的变化情况图k0n1A传播常数ABBCDCD第89页/共108页第八十九页，共109页。n相位突变n 全反射时的反射光相对于入射光将发生相位n突变 ， 的大小与入射角、分界面两面的折n射率及电场的分布(fnb)情况有关。n纤芯内传播常数k0n1 n 物理意义n 光传播单位距离时其相位(xingwi)变化量的大小。n光传播一段距离后的相位(xingwi)变化量n =k0n1 * 光在传播方向上的距离n n 基本概念第90页/共108页第九十页，共109页。A AAAk k0 0n n1 1横向横向k k0 0n

37、n1 1coscos纵向纵向k k0 0n n1 1sinsin2a2a从从A A点出发，传播一个周期到达点出发，传播一个周期到达AA点，横向相位点，横向相位(xingwi)(xingwi)变化为变化为4ak0n1cos-24ak0n1cos-2。 A A与与A A之间必须相差之间必须相差22的整数倍，这的整数倍，这样迭加才会相干加强形成驻波，否则相干抵消。因此，要样迭加才会相干加强形成驻波，否则相干抵消。因此，要形成驻波，或说这个模式要在光纤中存在就必须满足：形成驻波，或说这个模式要在光纤中存在就必须满足：4ak0n1cos-2=2N4ak0n1cos-2=2N（N=0N=0，1 1，22）

38、导波的特征方程相位(xingwi)一致条件证明第91页/共108页第九十一页，共109页。导波模式(msh)的阶数u 模式的阶数：N的取值=模式的阶数。u N=0对应的模称为(chn wi)基模；u N=1,2,对应的模称为(chn wi)一阶模、二阶模、u N越大，则其芯内入射角越小/光纤端面的入u 射角越大。, 2 , 1 , 0cos210NNank，导波的特征方程第92页/共108页第九十二页，共109页。 在阶跃型多模光纤中，模数越高的芯包界面的入射角越小，则在光纤中折射的次数就越多，传播的路径(ljng)就越长。阶跃型光纤中的模式(msh)传播结论：结论： 在阶跃型多模光纤中，高阶

39、模的折射次数在阶跃型多模光纤中，高阶模的折射次数(csh)多于低阶模。多于低阶模。高阶模高阶模第93页/共108页第九十三页，共109页。渐变(jinbin)型多模光纤中的模式传播 在渐变型多模光纤中，低阶模由于靠近光纤轴线，其传播路程短，但靠近轴线处的折射率大，该处光线(gungxin)传播速度慢；高阶模远离轴线，它的传播路程长，但离轴线越远折射率越小，该处光线(gungxin)的传播速度越快，从而弥补了时延差。高阶模高阶模结论：结论： 在渐变型多模光纤中，高阶模远离光纤轴线在渐变型多模光纤中，高阶模远离光纤轴线传播，低阶模靠近传播，低阶模靠近(kojn)光纤轴线传播。传播光纤轴线传播。传播

40、一段距离后，聚焦于一点（自聚焦特性）。一段距离后，聚焦于一点（自聚焦特性）。第94页/共108页第九十四页，共109页。光纤导波模式的精确(jngqu)解（了解）一、理论计算的三大(sn d)步骤1. 利用圆柱坐标系中的赫姆霍兹方程求出Ez、Hz 022zizEkE022zizHkH2222222211zEErrErrEZZZZ光纤中的圆柱(yunzh)坐标 坐标系i=1,2 第95页/共108页第九十五页，共109页。)()()()(areeWrBKareeUrAJEzjjmmzjjmmz光纤导波模式(msh)的精确解)()()()(areeWrDKareeUrCJHzjjmmzjjmmz数

41、阶第二类修正贝塞尔函：阶第一类贝塞尔函数：m)(m)(WrKUrJmm纤芯包层纤芯包层WrmmeWrWrKmUrUrUrJ2)()24cos(2)(纤芯内为震荡波W大于0时包层内为衰减(shui jin)波第96页/共108页第九十六页，共109页。结论：当结论：当W大于大于0，U大于大于0时包层内为衰减波时，纤芯内的震时包层内为衰减波时，纤芯内的震荡波才能保持充足荡波才能保持充足(chngz)的光功率，实现远距离传输。的光功率，实现远距离传输。第97页/共108页第九十七页，共109页。光纤导波模式(msh)的精确解归一化变量(binling)2212221022aknnnaaWUVankU

42、2212ankW2222导波的径向(jn xin)归一化衰减常数导波的径向归一化相位常数归一化频率物理意义：U表明了在纤芯中，场沿半径方向的分布规律。物理意义：W表明了在包层中，场沿半径方向的衰减规律。V与光纤的工作波长及其结构参数有关。物理意义能够确定出光线传输的导波模式数。弱导波光纤第98页/共108页第九十八页，共109页。cVUaV归一化截止频率(pnl)（W=0时的归一化频率(pnl)）导波存在(cnzi)的条件：导波截止(jizh)的临界条件cVaWUV22导波截止 当光线中出现辐射模时，即认为导波截止。2kn光纤导波模式的精确解第99页/共108页第九十九页，共109页。12knkn射线理论推导102010110121011sin1