光纤光学基础

1、光纤原理：光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料 做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的 媒体。一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。光纤有两项主要特性：即 损耗和色散。光纤每单位长度的损耗或者衰减dB/km，关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。光纤的色散反响时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。每单位长度的脉冲展宽ns/km，影响到一定传输距离和信息传输容量。光纤的结构:光纤的结构：纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。 掺杂的作用是

2、提高材料的光折射率。纤芯直径约575卩m。光纤外面有包层，包层有一 层、二层内包层、外包层或 多层称为多层结构，但是总直 径在100200 I m上下。包层的 材料一般用纯二氧化硅，也有掺 极微量的三氧化二硼，最新的方 法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。掺杂的作用是降低材料的光折射率。这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。涂料的作用是保护光纤不受外来的损 害，增加光纤的机械强度。lb，慣秋姑吗 门“芯光纤的最外层是套层， 它是一种塑料管，也是起保护作用的， 不同颜色的塑料管还可以

3、 用来区别各条光纤。光纤的折射率：光纤的结构一般用折射率沿光 纤径向的分布函数来表征，这种 分布函数成为光纤的折射率刨 面。在圆柱坐标系，、z 中n ，来表示。在理论分析中，折射率剖面 nr就是光纤的数学模型：对于 单包层光纤，纤芯直径为d，设纤芯轴心处的折射率 n0=n i,包 层折射率为匕,为了简略地表示的剖面特征，引入纤芯包层相对 折射率差作为剖面参数，其中定义为ni 2 门22ni射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。因此，典型的阶越光纤是由折射率nJ稍高的纤芯和折射率 n2稍低的包层构成。纤芯和包层之间有良好的光学界面。假设光线以某一角度进入光线端面时，入射光线与光线轴线

4、之间的夹角&称为光线端面入射角；光线进入光纤后又射到纤芯和包层之间的界面上，形成包层界面入射角 ，如图a所示。图中，光线1垂直光 线端面射入，并与光纤轴 心线重合时，光线1沿轴 心线向前传播。由于n i n 2,所以 包层界面有一个全反射 的临界角 c,与其相对应 的光线端面有一个临界 入射角a。如果端面入射 角&W&如图a中的 光线2进入光纤后，当射 到光纤的内包层界面时， 入射角?，满足全反 射条件，光线2将在纤芯和包层的界面上不断的产生全反射而向前传播。一般，这种光线在光纤内需经过几千、几万、甚至更屡次的全反射，全反射次数与光纤长度、直径有关，才能从光纤的一段传到另一端。光线1、2的特点

5、是光在光纤中传播路径始终在同一平面内，这种光线称为受到光线；在纤维光学中又称为子午光线。子无光的是平面曲线，包含子午光线的面称为子无面。另一种光线不在一个平面内，不经过光的轴心线。当入射光纤后碰到边界时，作内部全反射， 如图b中光线3所示。这类光线运动范围是在边界和有虚线所示的焦散面之间。光线在断面上的投影为折线。光线3称为斜光线，它是一空间曲线，除子午线和斜光线外，还有种不受到光线，它不能在光纤中传播，射线理论无法解释这种光线。光纤的分类光纤正处在新产品的不断涌现的开展时期，种类不断增多，而且千变万化。近年来 用于传感器的特殊光纤开展尤迅速。目前一般分类方法如下：1. 按制作材料分：1高纯度

6、石英玻璃光纤。这种材料损耗低，在波长时，最低达 0。47db/km。用锗硅材料作芯子，硼硅材料作包层的多模光纤，损耗最低为0.5db/km和类似的损耗-波谱曲线。采用三元化合材料，可能获得最好的损耗-波谱曲线。2多组分玻璃光纤。通常用更常规的玻璃制成，损耗也很低，如Sodium-borosilica-te 玻璃光纤在，=0.84微米最低损耗为 3.4db/km 。(3) 塑料光纤。它与石英光纤相比具有重量轻，本钱低，柔软性好，加工方便等特点，但损耗在r=0.63微米到100-200db/km。2. 按传输模分：(1) 单模光纤。单模光纤纤芯直径仅几个厘米，加包层和涂敷层后也仅几十个微米到 12

7、5微米。纤芯直径接近波长。(2) 多模光纤。多模光纤纤芯直径有50微米，加包层和涂敷层有50微米。纤芯直径远远大于波长。根据光纤的折射率沿径向分布函数不同又进一步分为多模阶跃光纤，单模阶跃光 纤和多模梯度光纤3. 按用途分：(1) 通信光纤。(2) 非通信光纤-特殊光纤。有低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤，液芯光 纤，激光光纤和红外光纤等。4. 按制作方法分：(1) 化学气相沉积法(CVD或改良化学气相沉积法(MCV)。用来制作高纯度石英玻 璃光纤。(2) 双坩埚法或三坩埚法。用来制作多组分玻璃光纤。光纤技术的应用光纤传 感技术 是伴随 着光通 讯技术 和半导 体技术 开展而 衍生的 一种

8、新 的传感 技术， 是光传 感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五重点支持开展的信息产业的重要组成局部。因此光纤技术在很多方面都有很大的应用，现简单介绍如下:、光纤液位传感器在我国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易 燃易爆液体类物质的储存、检测和平安管理一直是个难题。长期以来, 大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性,储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采用光纤光缆采集和传输信号，做 到现场无电检侧，本质平安防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。 即将投产的光纤液位传感器价调查和分析说明，目前全国年需求量应 在1万台以上，而1日市场需求仍在快鹏长如。一、接入网技术所谓光接入网OAN就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或局部采用光纤通信的系统。通常，OAN旨采用基带数字