【《全反射原理在光纤中的应用浅析》10000字（论文）】

PAGEPAGEIV全反射原理在光纤中的应用浅析摘要光纤作为现代通讯中一种非常重要的传输媒介，由于它的高带宽和低功耗而备受关注。然而，随着我国现代无线通讯技术的不断发展与应用，人们对光纤作为一种新型的传输载体的质量提出了更高的要求。光通信技术发展到今天，主要的传输介质是光纤，这就是所谓的光纤通信技术。1880年，贝尔发明了一种光通信手机，这一技术在现代科学中被广泛地视为是一种具有重大现代性和历史性意义的光学通信技术。光纤通信技术与光纤的出现，仅仅是从中学教科书里的“光的完全反射”理论开始的。本文从光的全反射理论出发，介绍了光纤通信技术和光纤的产生，并介绍了光纤通信技术和光纤的各种应用。关键词：光的全反射原理；光纤；光纤通信目录202121引言 1130311.1研究背景 192641.2研究意义 1144241.3主要的研究内容 2278972光纤通信技术的基础原理 2295652.1光的全反射原理 2276071.2光纤的传光原理 3284881.2.1射线光学理论分析法 3120131.2.2波动光学理论分析法 491543光纤的概述 5135393.1光纤的结构 5209503.2光纤的分类 6277563.2.1光纤折射率分类 6248463.2.2按纤芯结构 6112403.2.3按光纤的二次涂覆层分类 7121023.2.4按光纤构成材料 778993.3光纤制造工艺 8129883.4光纤的接续 882344光纤通信系统 9107154.1光纤通信系统的基本结构 9284874.2光纤通信系统的组成 9118344.2.1光纤 9244934.2.2光源 9278064.2.3光检测器 10239054.2.4无源器件 1046114.2.5光放大器 10139064.3光纤通信的特点 10158624.3.1传输容量大 10224704.3.2传输损耗小，中继距离长 1132774.3.3信号泄露小，保密性好 11266904.3.4抗电磁干扰性能好 1183124.4光纤通信的应用 11106285总结 1211151参考文献 14PAGEPAGEIV1引言1.1研究背景香港中文大学前任校长高锟，是随著时代和技术进步而首次提出在现代通讯中使用光纤的构想，并且证实了以光纤为媒介进行光通信的可行性。随着我国现代无线通讯技术的发展与应用，在当今通讯技术中具有举足轻重的作用的光纤，其技术要求也越来越高。近年来，光纤的应用越来越广泛，它不仅在网络通信中得到了广泛的应用，而且在医疗行业中也得到了广泛的应用。汽车行业中的夜视传感器测量与机器视觉、照明、成像、电荷耦合等器件的生产和应用，极大地方便了我们的生活。光纤通信是一种极具发展前景和发展前景的通讯工具，它已经成为现代通讯的主要支柱，因而它在人类社会中的地位日益凸显。在我国，随着信息技术的发展，光纤已成为一种新型的、复杂的信息传递与分析工具，它已经在互联网和信息网络中起到了革命性的作用。光纤是当今信息社会中最重要的通信基础设施，其发展前景十分广阔。光的全反射性是指光在光通过光介质向其与光分解媒质之间的边界处的入射角度大于或等于阈值时产生的全反射光。在光纤上施加了完全的光反射。主要是在光纤通信领域，比如光纤通信、网络加速、医疗、汽车、商业等领域。与传统的通讯光纤相比，光纤具有较高的传输速率，采用完全反射的光的原理，对光纤的制作提出了更高的要求。只有在光学光纤上进行全面的研究，我们的生活将会更方便，也将会促进人类的文明发展。1.2研究意义随着通讯技术的不断发展，传统的电子信号传输模式已不能适应用户的需求，特别是在互联网的广泛使用下，出现了许多的高清晰度视频等内容。在此背景下，为了适应不断增加的用户需求，必须采取更加先进的通信技术。早在六十年代，已有学者提出光纤可以作传讯介质，并对其进行了理论论证，但由于当时技术条件所限，未能研制出光纤，因而未能引起足够的重视。随着科学技术的进步和通讯领域的需求，低功率光纤的应用越来越受到重视。到90年代，光纤已用于实际的通讯基础设施，并于2009年获得诺贝尔物理大奖。从这一点可以看出，光纤通信的本质，就是通过光的完全反射，让光线在光纤中不断的折射，直至光纤的末端，再加上一定的频率，就能起到传递讯号的作用。由于光纤在现代通讯中的重要作用，因此，国内对其进行了大量的研究。目前的科学研究，一般认为光是一种波长在39-760nm之间的电磁波。由于光线在现实中的传播，必须有对应的媒介，并且由于媒介的不同，其传播速率也会有很大的差别。当光线在介质中传播时，会产生反射和折射，当光线通过一个特定的角度到达一个特定的角度时，所有的光线都会被反射，从而产生完全的反射。光纤的基本原理就是基于这种原理，它先选用传输速率高的光纤为媒介，再用双层结构，让光线在两层之间产生完全的反射，使得光线可以在光纤中无限地反射，直至光纤的末端。从这一点可以看出，全反射原理的实施相对简单，通过光纤传输，就是一个连续的全反射的过程。因为媒体不会发生改变，所以在实际的传输过程中，光信号本身的损失很小，并且大部分都是由光本身完成的，不需要外部的能源，所以它的功率消耗很低，比普通的同轴电缆要好得多。在现有的通讯基础设施中，光纤是主要的传输介质。随着现代通讯技术的不断发展，对通讯媒体的需求也越来越大。传统的传输媒体如同轴电缆已不能满足实际需求，而光纤技术的出现正好可以弥补这种不足，因为它具有低功耗、高带宽的传输特性。国内认识到光纤的重要意义，八十年代以来，一直在进行光纤通信技术的研发，目前国内的光纤年产量，已超过两亿多千米。全反射原理是光纤通信的基本原理，相信随着光纤通信技术的不断发展，它将会得到更好的应用。1.3主要的研究内容文章介绍了光纤的基本理论，介绍了光纤的结构、分类、制造工艺、接续等基本理论，并着重介绍了光纤的结构和全反射原理在光纤通讯中的应用。2光纤通信技术的基础原理2.1光的全反射原理十七世纪20年代，荷兰的物理学家斯涅耳首先提出了斯涅耳定律。斯涅尔定律的基本内容包括：反射法则和折射法则。当光线的轨道始终处于一个不变的折射率范围内时，斯涅尔定律可用如下两种形式来表达：光线的折射法则：光线的入射角度一定等于它的反射角度，它的公式如下：θ入=θ反折射法则：当光线入射角的正弦波与前一种媒介的折射率之积等于它的折射角与第二种媒介的折射率之积，其公式如下：n1在1-1、1-2两个式子中，n1和n2表示的是两种不同介质所对应的折射率，而θ入、θ反、θ折则分别图2.1入射光线从光密介质进入光疏介质当θ入增加时，θ折也随之增加；在θ入增加到一定的角度（θc）的时候，θ折等于90°，这时候如果继续增加θn1sinθcsinθc=n在上述式子中，θc1.2光纤的传光原理cosα+cos光是一种具有波粒二象性的特定频率的电磁波。本文从理论上探讨了光纤的传光机理，并对其进行了理论上的探讨。射线光学分析法是一种近似的方法，它是对光纤的透射机理作了定性的探讨；波动光学的理论分析是一种准确的方法，它可以定量地分析光纤的传光机理。1.2.1射线光学理论分析法其中一些射线光学分析的方法主要集中在光的全反射原理上，本文以一种阶跃折射率光纤为例，简要介绍了它的光传递机理。从芯部到包层的光射线的完全反射，可以看出：图2.2阶跃折射率光纤的全反射图中n0=1，是空气折射率，n1为纤芯折射率，n2在光纤的入射端面，与光纤轴线夹角为θ的入射光线，由光纤端面首先进入纤芯，发生折射，由于n0<n1,因此入射角n0sinθ=在芯部和包层之间的交界处，为了避免光的折射，导致能量的衰减，在芯部和包层的交界处必然会出现完全的反射。φ>θc（sinφ>n2通过简单的数据分析可以发现，在光纤的入射端表面满足公式（1-9）时，在纤芯-包层界面处，射入光纤的光可以完全反射：

n0sinθ<由纤芯与包层分界面处的全反射临界角θc，可推导出光纤端面处入射角的临界角θa，即

θa=arc使在光纤端面入射的光线的入射角θ入≤θa，在纤芯中就可以产生全反射传输。定义端面入射临界角θaNA=n0sinθ在式中，n0数值孔径（NA）是一种能够接收和传输光线的光纤，其NA越大，则说明其对外部光线的吸收能力越强；然而，NA值越大，入射的光越多，模色散越大，对传输的信息量越大，就越要适当地选取NA。1.2.2波动光学理论分析法光线光纤理论的光学分析很好地用直观的语言描述了光线在光纤中的传播机理，但这些理论分析都建立在假定光线的波长为0的情况下，不能准确地用光学定性和定量的方法来研究光线在光纤中的传播和运动。波导光学波导方程的准确解是波导光学系统中的重要工作，由于其光纤外形应为小型圆柱体，因此将其视为具有较高折射率和较低效率的弹性石英光纤。所以，我们可以将这种抽象的介质光纤转换成一个典型的轴向波导，它就像是一个典型的轴向波导，它的轴向是一种具有不同轴向的波形，它代表了光学的轴向运动。用此方法求解介质波形方程，能够研究出该光在整个媒质光纤中的轴向传输和辐射的波形，即六个参数：Er、Eφ、Ez和HEr=−jKEz=−jKHz=−jKHz=−jK式中，K2∂2Ez∂∂2Hz∂若1-16、1-17两式有解，就可解的光纤中任一处的Ez和H3光纤的概述光纤网络是整个无线通讯网络的主要载体，其物理特性、结构、数据的传递等都将对其性能产生很大的影响。3.1光纤的结构在现代通讯系统中，光纤的基本构成是：纤芯、包层和表面涂层（也称一次涂层），在这种情况下，纤芯具有较高的折射率，而包层具有较低的折射率，在图3-1中可以看出：图3-1光纤的基本结构二氧化硅是芯部和包层的主要组成成分，采用不同的掺杂材料制作，会产生折射率的差别。一般采用热固性聚酯、树脂等材料为原料，将它们用作光纤的基础保护层，而去除这些表面涂层的其余部分称为裸露光纤。在实际使用中，为了提高光纤的各种性能，通常会在一次涂层外面加上一层二次涂层，即所谓的塑料套管。在现有的通讯光纤中，单模光纤的芯数约为7~9um，多模光纤的芯数为50~80um，而包层的直径都在125um左右。3.2光纤的分类光纤的种类繁多，目前国际上将其归类为IATO和IEC。ITU-T的通讯光纤标准以G.65x为目标，IEC专注于60793。根据IEC的规定，光纤分为A类和B类，A类是多模光纤，B类是单模光纤。A级光纤可分为A1a型、A1b型、A1d型；B级光纤包括B1.1,B1.2,B2,B4。3.2.1光纤折射率分类根据光纤芯折射率和包层折射率的不同，可以将其划分为阶梯型折射率（SI）和渐变折射率（GI）。在阶跃折射率光纤中，光纤芯部的折射率处处是等长的，而芯部的折射率是一个固定的数值。渐变折射率光纤芯部的折射率表现为（3-1）的指数分布，其结构见图3-2：nr=n01−2∆式中，nr为距离纤芯轴线r处的折射率，n0为纤芯轴线处的折射率，a为纤芯半径，r为距离光纤轴线的距离，∆=图3-2阶跃折射率光纤结构图3-3渐变折射率光纤结构3.2.2按纤芯结构按纤芯结构划分的方法，是将每个光纤中一根纤芯的数目分成若干个光纤，并将其划分成一根光纤和一根光纤。目前，多芯光纤是一种常用的光纤，为了满足实际需求，尽量增加光纤的传输能力，目前已有多芯光纤出现，如图3-4所示：（a）3芯光纤，（b）7芯光纤，(c）19芯光纤图3-4多心光纤3.2.3按光纤的二次涂覆层分类光纤二次涂层又叫塑料套管，按照光纤的结合组成，通常分为紧套式和松套式两种，它们结构相同，但适用于不同的应用场合。紧套式光纤的基本原理是：二次涂层与一次涂层使光纤紧密结合，使光纤无法在套管中自由移动。紧固光纤主要用于室内使用，而室内光纤则使它成为一种适合于室内长距离或直接埋置的局域网/广域网和水下应用的理想选择，其结构见图3-5：图3-5紧套光纤松套式光纤是一次涂层光纤，它是一种与二次涂层相分离的光纤，它可以在二次涂层中自由移动，也可以作为一种填料在其中漂浮。松套光纤主要应用在室外，各种环境因素对其整体性能和性能产生一定的影响。温度、风雪、湿气、湿度等都是室外光纤的主要问题，因此为了保持光纤的光学性能，需要对光纤进行保护。图3-6松套光纤3.2.4按光纤构成材料从光纤组成的角度来看，光纤分为石英光纤、硅酸盐光纤、卤素光纤、硫化合物玻璃光纤、塑料光纤和液芯光纤。目前，通讯光纤中使用最广泛的是石英和硅酸盐玻璃，它们的制造技术和制造技术都比较成熟。卤素光纤是元素周期表中的第七系元素，它的损耗很小，但其缺点也很明显，制造过程繁琐，制造难度大。硫属化合物光纤主要应用于光转换以及光纤激光器等方面。塑胶光纤采用甲基丙烯酸和含氟高分子材料，具有成本低廉、易连接、韧性好、损耗大等优点。近年来，为减少光信号在光纤中的损耗，开发了一种纯硅光纤（PSCF）。3.3光纤制造工艺光纤预制棒的生产是光纤的第一步，也就是所谓的光棒，这种光棒的直径一般都在几十mm左右，因为在制作光纤的过程中，会产生光纤的内部折射率和分布，所以光纤预制棒的制造是一项非常关键的技术。本文通过几次改良后的化学气相沉积法和材料，介绍了光纤预制棒的制造技术和工艺：第一个步骤是将高纯度的金属盐与四氯化硫等卤化物与氧发生反应，生成一种氧化物颗粒（例如二氧化硫），这种氧化物颗粒主要是沉淀在玻璃或石英的表层或管状内部壁上，经过加热和烧结，使其变得晶莹剔透，若为管状，则需要在高温下锻烧，使其坍塌、压缩，使之成为一根长条，最后烧成一根透明的玻璃棒。在光纤预制件加工完毕后，就可以进行光纤拉伸。在没有灰尘的情况下，光纤预制棒被固定在一个高度上，然后逐渐地加热，直到超过2000摄氏度，光纤被加热，在光纤的底部堆积成一种液体，当光纤被拉伸到一定程度后，光纤就会变成光纤，然后用吸盘将光纤卷起来。为保证光纤的基本防护和支撑作用，在拉伸工艺结束后，一次涂层就会粘附到光纤的外面。拉丝工艺的关键技术包括：光束直径的测定、拉丝张力的控制、拉丝速度的控制。在保证光纤的结构和传输特性的同时，必须对光纤的制作进行严格的控制：（1）对光纤原料的纯度要求很高；（2）应防止杂质污染和光纤中可能产生的气泡；（3）对芯部和包层的折射率分布进行准确的控制；（4）对光纤的构造大小进行准确的控制；（5）使光纤表面的损坏最小化，并改善其力学性能。在实际使用中，电缆的运输、储存、维修等诸多方面都会有一定的局限性，所以一根电缆的长度通常是2公里，而实际使用的电缆却要超过2公里，所以必须要通过光纤来保证电缆和光学信号的传输。3.4光纤的接续光纤的连接方式有两类：一是永久性连接（一旦连接就无法拆卸）；第二个方法是可拆卸式连接件。永久性连接可分为机械连接和熔融连接两种。机械连接是将光纤的断面用V形槽粘结，然后用机械方式将光纤固定成一条光纤。由于采用机械接续技术，其工艺简单、造价低，因此在现场接续、成端等方面已成为目前的主流技术。熔丝连接技术是一种应用非常广泛的连续技术，它是将高电压的电流加到针电极上，然后产生电弧，产生的瞬间温度就能把两条连接在一起的光纤熔化。采用熔丝连接法，可以将接续过程中的额外损失减至最小，是目前使用最为广泛的一种连接方式。在两个需要接合的光纤中，通过熔丝接续，可以使接线损失小于0.05dB。熔丝连接的过程被分成：(1)将用于为连接部分提供保护的热收缩套管预先套在光纤上。(2)在清洁过程中，将光纤表面全部清除，并用无水醇轻轻擦拭。(3)将光纤切割成端面。光纤端面的设计与制作是其最关键的一步，其端面的设计与制作对其性能的影响也很大。(4)在一个自动熔接器中放置要连接的光纤以进行焊接。(5)利用诸如光学时域反射计（OTDR）的仪器来判断持续性能，满足条件后，对连接部分进行保护。(6)完成所有的芯线连接和保护，再进行后续的质量测试和接受。4光纤通信系统4.1光纤通信系统的基本结构基本的光纤通信系统结构示例：图4-1光纤通信系统结构示例上面所展示的只是一个有方向的传送过程，并且他们是通过系统结构和操作原理来相互传递的。光传输系统由两台电子终端、光发射机、光接收机组成。电端机的主要作用是对各种信号进行相应的处理。电子讯号被传送到光端机后，会被转变成光学讯号，再由光导光纤传送。由于长期传输、损耗、色散等原因，会造成光学信号失真。所以，有了光学中继器，可以保证长距离传送时，光学中继器可以将被损坏的光学信号，再将其转化为无线电信号，再由无线电信号进行放大，再进行放大。受光部光端机将接收到的光信号通过电子探测器转换为光电信号，通过放大等操作将其恢复为与光源发射器一样的电子信号，并将其传输到接收端，使之恢复为多种不同的信号类型。4.2光纤通信系统的组成4.2.1光纤光纤是电子信号的主要媒介，其传输参数是其最基本的要求。所以要尽量减少其它参数，例如传输损耗、光色散等等。光纤的力学特性与环境特性有关。在日常生活中，大多数光纤电缆都是由多条线路组成，另外，还包括信号加强和保护层。光纤的主要部件是光纤和连接器，它们是连接的。4.2.2光源在光发射器中，光源是其关键部件，而光发射器的主要功能就是完成光与光的转换。输出功率大，调节性能好，谱线宽度窄，光波输出稳定，使用寿命长。激光二极管和半导体发光二极管是目前比较常用的光源。将一个电子信号转换为一个光子信号，可以通过直接的调制来达到这一目的。直接调制方法是将一种电子信号传送到LED上，使得它的输出功率随信号中的电流增大而变化。直接调制方法虽然简单，但由于光源的调制响应等因素，会限制调制的频率。但也有可能出现频率线性调频，这不适合于高频率的光纤通讯。与直接调制相比较，间接调制是把激光的生成和调制的过程分开，在激光器内部形成一个稳定的输出，然后再加上一个调制信号。4.2.3光检测器光检测器是光电接收机的重要组成部分，它由一种新型的感光检测器、各级激光放大器以及与之配套的其它光电元件构成，其中，信号响应灵敏、噪声低、响应速度快等是光电检测器组件中的重要部分。光学滤波器检波器按其工作原理可分为两类：一种是直接光波探测，另一类是局部相干高频探测，直接光波探测是利用光电探测器将高频信号转换为相干的高频电信号，而相干高频探测则是将局部高频振荡器和局部混频器直接置于两个接收器中，将本地高频振荡器的声音和光波信号与相干光纤通信的光信号等进行混合，这样就可以将差频信号直接输出，然后通过光电探测器将其转换成高频率的相干电信号。4.2.4无源器件光纤连接器、调制器、耦合器、滤波器、光开关及其环形器等是光纤通信系统中广泛使用的被动设备。光纤通信连接装置是指在两个光纤之间，通过某种通信活动，将两个小光纤之间的通信活动进行直接的连接，主要用于各种光纤有源和无源光器件、光学器件和各种光纤通信线路之间。所谓的移动连接技术，就是一种通过一根光纤光纤，可以在同一时间内进行多次或多次的重复连接，而这种连接的另一种特征是，在这种情况下，它必须是一种持久的、有效的、不需要新的复制。光纤耦合器的一个重要技术功能是利用分路/光耦合路技术来直接传输光发射信号，即通过将一个输入的发光信号与其它多个输出信号进行分配，或直接将多个输入的发光信号结合起来，由此构成一个输出信号。通过对光纤耦合器的合路和分路光波信号的分析，将其分为两类：光纤耦合器和光纤波长耦合器。光开关是光纤通信系统和光纤探测装置中必不可少的一部分，它的功能就是能够在不同的光路之间迅速地转换。光纤开关的基本要求是：低的插入损耗，低的串扰，快速的切换速率，扩展信号和更长的使用寿命。它的基本理论可以分成三种：一是光电子机械开关，二是固态波导光学开关；利用气泡、液晶和全息技术来进行转换。4.2.5光放大器光学放大器可以直接放大光信号而不需要把光信号转化为电信号，因此它是处理高速率、大容量光纤通信系统中必不可少的设备，也是克服各种损失的主要设备。目前，在激光器中使用最多的是线性光纤放大器和非线性光纤放大器。4.3光纤通信的特点由于光纤具有传输容量大、传输损耗低、抗电磁辐射干扰等诸多传输介质所不能取代的特性，因此，它已成为通信和计算机网络中最重要的传输方式。4.3.1传输容量大光是一种高频率的电磁波，通过光纤传递的激光信号属于近红外波段，其工作波长在1310-1625纳米之间，信号频谱和频带都很高。光纤传输能力的大小取决于光纤、光源类型、调节方式、接收机等因素。目前，在实验室里，一条光纤可以达到100Tbit/s的总数据传送能力，而商用和大型建筑物中的一台家用系统，其容量都超过了10Tbit。当前，光纤的中频频谱利用率尚处于初级水平，对可使用的光纤频段的开发与利用还有很大的发展空间。而在一条光纤中，可以容纳成百上千条高密度光纤的高密度传输光纤，其技术也相当成熟，使得高密度光纤的传输能力成百上千倍地增加。随着光纤通信系统的数据传输能力得到了进一步的提升，它还可以采用多芯光纤、偏振多路复用技术来增加数据的传输能力。4.3.2传输损耗小，中继距离长通常，在1310米以上波长窗处，最普通的标准单模典型光纤的内损失含量系数通常是0.35dB/公里，而在大于150毫米的波长窗处，其典型的内部损失含量系数通常是大约0.2dB/km.因此，与其它传输多媒体的通讯媒介系统相比，光纤通信的传输距离要长很多。当前，更多的是采用单通道或双通道载波来传送10Gbits的光纤系统，在此光纤系统中，彼此之间的持续继电位置和距离可以达到100公里；但如果长时间使用光纤和色散信号补偿器，中继器的继电器就能达到更远的要求。若采用光孤子，则采用光学放大器与非线性效应的互相抵消，其传输距离将达到几千公里甚至更远。4.3.3信号泄露小，保密性好光纤的数据传递机理是保证其良好的保密性能，而光纤内部的光信号泄漏量非常小，因此很难被发现。与其它通讯方法相比，光纤通信具有更高的安全性和保密性能，并且在光纤中不会发生信息被拦截的危险。与其它传统的金属介质相比，光纤间的交互作用非常小，没有任何的干扰。4.3.4抗电磁干扰性能好光纤是以石英为原料，外部电磁场对其影响较小。可见，光纤通信技术在电磁干扰、核辐射等方面的优势。光纤抗EMI的研究是非常有意义的。不只是民用方面，更重要的是，在更遥远的地方，也有光纤通信技术，在军用飞机上安装了大量的感应器和天线，而军舰的内部，因为电磁兼容的原因，一般的金属线路都被限制住了。而随着光纤通信技术在军用领域的发展，它也逐渐成为了军用领域的首选。4.4光纤通信的应用(1)通信网络：主要是指遍布全球的电信网和特网，用于进行语音和数据通信，其中包括海床和地面的光纤传输网，各国的公用通信骨干网（如我国的国家干线、省级干线和县级以下的干线和城市电话中继通信），以及覆盖城市和郊区的城域网。(2)电脑网络：主要包含交换机、路由器及服务器等，以组成高速电脑通讯链路。(3)有线网络：包含诸如数字连接有线中继信号的传送和分配网络，工业上用于监控和自动控制系统等。(4)专用通讯网络：包括电力、铁路、高速公路、煤矿等特定应用领域的光纤通讯系统，其中有些是高压环境，有些是因为安全性问题，不能使用金属丝，有些是为了防止电磁环境，而有些则是为了防止电磁环境。另外，在诸如各种内窥镜（例如各种内窥镜）和军用领域（鱼雷和导弹的光导导引