1、1课前提问课前提问v光纤的尺寸光纤的尺寸为 m?外径125 m-裸纤；涂覆光纤：250 m或900 mvTPE海底光缆，可以同时进行多少路电话通信（1.28Tb/s）？大约2千万路电话（不考虑开销）。v说明如图光纤跳线的结构和尺寸2第二章第二章 光纤光纤光纤的结构光纤的结构光纤的导光原理光纤的导光原理光纤的分类光纤的分类光通信教研室光通信教研室 傅珂傅珂3 理解光纤的结构理解光纤的结构 了解光纤的分类了解光纤的分类 掌握多模阶跃光纤导光原理掌握多模阶跃光纤导光原理-射线光学射线光学 目的目的 要求要求u导光原理导光原理重难点重难点第二章第二章 光纤光纤4一一.光纤的结构光纤的结构 光纤是多层同
2、心圆柱体结构，从中心光纤是多层同心圆柱体结构，从中心沿径向分为纤芯、包层和涂覆层三部沿径向分为纤芯、包层和涂覆层三部分。分。Core-cladding-coat环绕在纤芯外面，将光封环绕在纤芯外面，将光封闭在纤芯内闭在纤芯内纤纤芯芯包包层层涂涂敷敷层层位于光纤的中心，位于光纤的中心，完成光信号的传完成光信号的传输输涂敷层由丙烯酸酯、涂敷层由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙组成，硅橡胶和尼龙组成，其作用是增加光纤其作用是增加光纤的机械强度和可弯的机械强度和可弯曲性曲性5光纤的结构光纤的结构纤芯与包层纤芯与包层v目前，绝大多数通信用光纤的纤芯和包层的主体材目前，绝大多数通信用光纤的纤芯和包层的主体材料都是石
3、英玻璃（料都是石英玻璃（SiO2）。v对纤芯和包层进行不同的掺杂，因而造成折射率的对纤芯和包层进行不同的掺杂，因而造成折射率的差异，使得纤芯的折射率略大于包层折射率。差异，使得纤芯的折射率略大于包层折射率。GeO2纤芯，纤芯，SiO2包层；包层；P2O5纤芯，纤芯，SiO2包层；包层；SiO2 纤芯，纤芯，B2O3-SiO2包层；包层；GeO2-B2O3-SiO2纤芯，纤芯，B2O3-SiO2包层。包层。v纤芯的折射率（纤芯的折射率（n1）一般是）一般是1.463 1.467v包层的折射率（包层的折射率（n2）在）在1.45 1.46左右左右6涂敷层涂敷层v光纤的最外层是由丙烯酸酯、硅树脂和尼
4、龙组成的涂敷层，其作用是增加光纤的机械强度与柔韧性，着色便于识别等。通常，双涂敷层结构是优选的，软内涂敷层能阻止光纤受外部压力而产生的微变，而硬外涂敷层则能防止磨损以及提高机械强度。7光纤的尺寸光纤的尺寸v 内径（内径（2a）：单模）：单模9m（模场直径（模场直径-MFD）多模多模50、62.5mv 外径（外径（2b）：一般为）：一般为125m(一根头发平均一根头发平均100m)v IEC A2、A3、A4类多模光纤类多模光纤v 塑料光纤：塑料光纤：98/1000m125950125 绝大多数光纤的涂敷层外径控制在绝大多数光纤的涂敷层外径控制在250 m，但是也有一些光纤涂敷层，但是也有一些光
5、纤涂敷层直径高达直径高达1 mm。62.51258光纤的结构（光纤的结构（HAF光纤）光纤）v 2.5 mm minimum bending radius.v User can handle this cord without special knowledge about optical fiber.v Telecom Carrier/System bender can save both labor cost and deploy/maintenance cost after deployment.v This smallest bend radius can make realize t
6、o minimize the size of optical transmission equipments.v Free Bending Optical Cord is based on the newest fiber technology called as hole assisted fiber,holey fiber,micro-structured fiber and so on.9孔助法（孔助法（HAF）光纤）光纤10二二.光纤的导光原理光纤的导光原理v光纤的导光原理，可以用几何光学中光的反射、光纤的导光原理，可以用几何光学中光的反射、折射理论来做简单、定性的分析。折射理论来做简
7、单、定性的分析。v严格、定量的分析由波动理论解释。严格、定量的分析由波动理论解释。p 62.5/50m(多模)p 23m（单模）p以阶跃多模光纤为例11 反射反射折射折射v 当光线到达两种不同介质的分界面时，光的一部分反射回第一种介质，其余部分则进入第二种介质并发生折射。v 且满足：1、in=r，即反射角等于入射角。2、n1sin in=n2sinz。Snell定律定律121.光的全反射光的全反射v全反射：光从折射率大的介质（光密介质）进入折射率小的介质（光疏介质），当入射角增大到一定的角度时，折射光就会全部消失，产生全反射，光线不再进入光疏介质。入射角carcsin(n2/n1)，称为临界角
8、。v全反射的条件：1.光必须从折射率大的介质射入折射率小的介质；2.入射角必须大于临界角。13光的全反射示意光的全反射示意纤芯纤芯n1包层包层n2141201n1n22.数值孔径数值孔径NA推导（推导（以阶跃光纤为例以阶跃光纤为例）v n0sin0=n1sin1v Sin1v sin0 c n012nn221221nn21221nn2121nnn 第1次折射第2次折射相对折射率差相对折射率差12nn1516v 当入射角小于当入射角小于数值孔径（数值孔径（NA）角的光线入射到光纤角的光线入射到光纤端面时，折射入纤芯的光线会周而复始地沿光纤轴端面时，折射入纤芯的光线会周而复始地沿光纤轴向，在芯包层
9、界面发生全反射，从而使光线从光纤向，在芯包层界面发生全反射，从而使光线从光纤的一端传输到另一端。的一端传输到另一端。21nNA 多模阶跃光纤中光线传播路径.swf174.数值孔径数值孔径NA讨论讨论光纤的最大接收角的正弦定义为光纤的数值孔光纤的最大接收角的正弦定义为光纤的数值孔径，表示光纤对光线的可接收范围。即径，表示光纤对光线的可接收范围。即其中，相对折射率差其中，相对折射率差1212122212nnnnnn212221nnnNA18数值孔径数值孔径NA的讨论的讨论v标准多模光纤的标准多模光纤的NA标称值一般为标称值一般为0.2，对应的，对应的孔径角约为孔径角约为11.5。v标准单模光纤的标
10、准单模光纤的NA标称值一般为标称值一般为0.10.15，对，对应的孔径角约为应的孔径角约为5.78.6。v塑料光纤的数值孔径塑料光纤的数值孔径(NA=0.5,A可达可达60)可以可以更大，以接受更多的光功率。更大，以接受更多的光功率。19NA的选择的选择v 大的数值孔径可以接受更多的光功率，与光源耦合容易；v 引入损耗；v 更大的模间色散，降低光纤的带宽。以多模阶跃光纤为例：Ln2n1)sin(1LLcnTc接收角接收角 20模式色散模式色散v在多模光纤中，高次模的光程长，低次模的光程在多模光纤中，高次模的光程长，低次模的光程短。短。21三三.光纤的分类光纤的分类22按光纤截面折射率分布按光纤
11、截面折射率分布-阶跃光纤与渐变光纤阶跃光纤与渐变光纤23光在阶跃和渐变光纤中的传播光在阶跃和渐变光纤中的传播n21rn1n0an1n224按光纤的传输模式按光纤的传输模式单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤光纤的传输模式光纤的传输模式v 在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯能在光纤的纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光包层交界面上产生全反射的传播光线，就可称之为光的一个传输模式。线，就可称之为光的一个传输模式。v 沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次沿光纤轴传播的叫作基模，相继还有一次模、二次模等。模等。25多模光纤多模
12、光纤v光纤纤芯几何尺寸远大于光波波长光纤纤芯几何尺寸远大于光波波长50或或62.5m，能传输多个模式的光纤。，能传输多个模式的光纤。优点：制造简单、接续容易。优点：制造简单、接续容易。缺点：存在模式（模间）色散，带宽窄。缺点：存在模式（模间）色散，带宽窄。应用：适应于较小容量的光纤通信。应用：适应于较小容量的光纤通信。26多模光纤中光线传播路径多模光纤中光线传播路径多模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模渐变折射率光纤多模渐变折射率光纤27多模梯度光纤导光几何光学解释多模梯度光纤导光几何光学解释Graded Index Fiber Changing RI continually redirec
13、ts the rays towards the fiber axis This can be modeled using series of small steps steps(change in RI)28单模光纤v单模光纤：光纤的纤芯直径尺寸扩展到几个波单模光纤：光纤的纤芯直径尺寸扩展到几个波长长810m（812个波长），并且使纤芯包层个波长），并且使纤芯包层折射率差很小，只允许传输一个基模的光纤。折射率差很小，只允许传输一个基模的光纤。实现单模传输的条件：实现单模传输的条件：归一化频率归一化频率V2.405V2.405。优点：避免了模式色散，带宽极宽。优点：避免了模式色散，带宽极宽。应用
14、：适用于大容量的光纤通信。应用：适用于大容量的光纤通信。国际电联国际电联ITU-T系列建议系列建议G.652-G.657。29按光纤的材料分类按光纤的材料分类v 玻璃光纤（玻璃光纤（GOF）目前通信用的绝大多数为此类光纤目前通信用的绝大多数为此类光纤v 胶套硅光纤（胶套硅光纤（PCF）纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低；v 塑料光纤（塑料光纤（POF）通信用新型光纤，尚在研制、试用阶段。通信用新型光纤，尚在研制、试用阶段。其损耗较石英光纤大（其损耗较石英光纤大（0.20.05dB/m）。）。纤芯直径大，数值孔径大，制造成本低，施工方便。纤芯直径大，数值孔径大，制造成本低，施
15、工方便。新一代的新一代的50/125m的多模塑料光纤与的多模塑料光纤与850nm的的VCSEL配合使用，可以实现在配合使用，可以实现在850nm波长上进行波长上进行10Gbit/s 串行传输串行传输300m距离。距离。适用于室内短距离的场合，例如室内计算机联网、存储网络，适用于室内短距离的场合，例如室内计算机联网、存储网络，船舶、汽车、飞机内通信，入户光纤。船舶、汽车、飞机内通信，入户光纤。30塑料光纤塑料光纤(POF)(a)MOST 塑料光纤结构示意图（带缓冲层和护套）（塑料光纤结构示意图（带缓冲层和护套）（b）MOST塑料光纤放大图塑料光纤放大图 31按工作波长分按工作波长分短波长光纤与长
16、波长光纤短波长光纤与长波长光纤光纤的光纤的3个通信窗口个通信窗口 短波长光纤：在短波长光纤：在600900nm范围内呈现低范围内呈现低损耗的光纤。损耗的光纤。属早期产品，因其衰耗与色散都比较大，目前属早期产品，因其衰耗与色散都比较大，目前很少采用。很少采用。长波长光纤：工作在长波长光纤：工作在10002000nm范围的范围的光纤。光纤。具有低衰耗、宽带宽的特点，适合长距离、大具有低衰耗、宽带宽的特点，适合长距离、大容量的通信。目前使用的光纤全部是长波长光容量的通信。目前使用的光纤全部是长波长光纤。纤。32折射率分布折射率分布模式模式材料材料套塑套塑阶阶跃跃梯梯度度多多模模单单模模玻玻璃璃塑塑包包玻玻璃璃塑塑料料紧紧套套松松套套G.652G.653G.654G.655石石英英多多组组分分玻玻璃璃分类依据分类依据33v试推导阶跃光纤的试推导阶跃光纤的NA值公式，并计算纤值公式，并计算纤芯折射芯折射n1=1.47,包层折射率包层折射率n2为为1.46，该，该光纤的最大接收角为多少？光纤的最大接收角为多少？
