第七讲光纤的传输

1、231.3.1 1.3.1 光纤中光波的传播轨迹光纤中光波的传播轨迹 根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将光纤中传播的根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将光纤中传播的光线分为两类：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心光线分为两类：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线次，这种光线称为子午射线41.3.1 1.3.1 光纤中光波的传播轨迹光纤中光波的传播轨迹 根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将光纤中传播的根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将光纤中传播的光线分为两类：一种情形是光线始

2、终在一个包含光纤中心光线分为两类：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面。面称为子午面。5另一种是光线在传播过程中不在一个固定的平面另一种是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。内，且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。71.3.2 1.3.2 阶跃型多模光纤中的光波传播理论阶跃型多模光纤中的光波传播理论 目前，在通信领域最常用的多模光纤有两

3、种类型：目前，在通信领域最常用的多模光纤有两种类型：阶跃型多模光纤和渐变型（梯度型）多模光纤。阶跃型多模光纤和渐变型（梯度型）多模光纤。光纤的折射率分布光纤的折射率分布9子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播10 若使子午光线在多模阶跃型光纤中以全反射形式向若使子午光线在多模阶跃型光纤中以全反射形式向前传播，必须保证三点：前传播，必须保证三点：（1）芯层折射率）芯层折射率n1必须大于包层折射率必须大于包层折射率n2，即：，即：n1n2。（2）光线在芯）光线在芯/包界面上必须发生全反射，包层内折射包界面上必须发生全反射，包层内折射光线的折射角大于或等于光线的折射

4、角大于或等于90，则对应的芯层的入射光，则对应的芯层的入射光线的入射角线的入射角1必须大于或等于临界角必须大于或等于临界角c，即：，即：1c。（3）对应光纤入射端面上的入射光线的入射角）对应光纤入射端面上的入射光线的入射角 （又称（又称孔径角）必须小于或等于临界孔径角孔径角）必须小于或等于临界孔径角c，即：，即： c。11 光纤端面的光线最大入射角光纤端面的光线最大入射角c（又称（又称临界孔径角或临界孔径角或最大接收角最大接收角）是一个非常重要的参数，为描述光纤这种）是一个非常重要的参数，为描述光纤这种集光和传输光的能力与光线最大入射角集光和传输光的能力与光线最大入射角c的关系，在这的关系，在

5、这里引入一个物理量里引入一个物理量数值孔径数值孔径NA。对光纤而言，这个。对光纤而言，这个最大的孔径角最大的孔径角c只与光纤的折射率只与光纤的折射率n1 、n2有关。因此，有关。因此，将它的正弦值定义为光纤的数值孔径将它的正弦值定义为光纤的数值孔径NA：NA=sinc数值孔径（Numeric Aperture）n接收锥接收锥NA=SIN cRay Picture of Optical Fibers (N.A)A:Numerical Aperture:A:Numerical Aperture:反映了光纤搜集射线的能力反映了光纤搜集射线的能力220020001)/(1sin1cossinsincl

6、adcorecorecladcoreccoreicorecoreextnnnNAnnnnnnnnannNAcorencladncladnextinii10n14斜射线在阶跃型多模光纤中的传播斜射线在阶跃型多模光纤中的传播17子午射线子午射线在弯曲圆柱形纤维中的传播在弯曲圆柱形纤维中的传播 在纤维的弯曲部位，光线有两种传播途径。一种在在纤维的弯曲部位，光线有两种传播途径。一种在弯曲部位仍能很好的发生全反射，传送到另一端面；另弯曲部位仍能很好的发生全反射，传送到另一端面；另一种在弯曲部位穿透纤维而散失。一种在弯曲部位穿透纤维而散失。 可用一个简化公式来判断能否发生全反射：可用一个简化公式来判断能否

7、发生全反射： R4d R为曲率半径，为曲率半径，d为纤维的直径。为纤维的直径。18子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播子午射线子午射线在渐变折射率多模光纤中的传播在渐变折射率多模光纤中的传播19221sincnn 2021PsPb2R2R（a)正弦分布（a)螺旋分布hsh斜射线斜射线在渐变型多模光纤中的传播在渐变型多模光纤中的传播22PsPb2R2R（a)正弦分布（a)螺旋分布hsh斜射线斜射线在渐变型多模光纤中的传播在渐变型多模光纤中的传播2324高次模高次模基模基模低次模低次模252627模间色散：模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲

8、在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽。不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽。28 一根光纤是不是单模传输，与一根光纤是不是单模传输，与 (1) (1) 光纤自身的结构参光纤自身的结构参数和数和 (2) (2) 光纤中传输的光波长有关。光纤中传输的光波长有关。 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d d）远大于光波波长时）远大于光波波长时（约（约1m1m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。传输模式，即多模传输。 当光纤的几何尺寸（主要是芯径当光纤的几何尺寸（主要是芯径d d）较小，与光波长在）较小，与光波长在同一数量级，如芯径同一数量级，如芯径d d在在4m4m10m10m范围，这时，光纤只允范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全部截止。模全部截止。 因此，对于给定波长，单模光纤的芯径