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Anhui Vocactional & Technical College of Industry & Trade畢 業(yè) 論 文淺談光纖導光的原理The light guiding principle of optical fiber所在系院：電氣與信息工程系專業(yè)班級：2012級電子信息工程技術(shù)1班學生學號：2012240108學生姓名：謝田田指導教師：白志青 2015年04月20日Anhui Vocactional & Technical College of Industry & Trade畢業(yè)設計說明書淺談光纖導光的原理The light guiding principle of optical fiber所在系院：電氣與信息工程系專業(yè)班級：2012級電子信息工程技術(shù)1班學生學號：2012240108學生姓名：謝田田指導教師：白志青 2015年04月20日安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文）任務書系（院）電氣與信息工程系 專業(yè) 電子信息工程技術(shù) 班級 2012級電子信息工程技術(shù)1班 學生姓名 謝田田 學號 2012240108一、題 目： 淺談光纖導光原理 二、內(nèi)容與要求：內(nèi)容：首先簡要介紹光纖結(jié)構(gòu)和分類的基礎上，介紹光學特征包括折射率分布，數(shù)值孔徑等。其次，用射線光學理論分析光纖的傳輸原理。然后介紹光學特性及傳輸特性，對光纖的損耗及色散特性進行討論，傳輸特性主要是損耗級色散特性。最后討論光纖是如何導光及光纖導光的原理。要求：1.掌握射線光學理論分析光纖的導光原理； 2.理解導波光學的推導過程，掌握光纖單模傳輸條件的基本計算公式； 3.理解光纖損耗和色散的概念及其對光纖通信系統(tǒng)的影響； 4.了解單模光纖，多模光纖，色散位移光纖的概念； 5.掌握光纖通信系統(tǒng)傳輸特性測量的基本原理和方法，以及對光纖通信系統(tǒng)基本參數(shù)的認識；三、設計（論文）起止日期：任務下達日期： 年 月 日完成日期： 年 月 日 指導教師簽名： 年 月 日四、教研室審查意見：教研室負責人簽名： 安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文）指導教師、評閱人評語專業(yè)、班級 2012級電子信息工程技術(shù)1班 學生姓名 謝田田 完成日期 2015.04.20 題 目： 淺談光纖導光原理 畢業(yè)設計（論文）共23頁，其中：圖5幅，表0個指導教師評語： 建議成績 指導教師（簽名）： 年 月 日評閱人評語： 建議成績 評閱人（簽名）： 年 月 日安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文）成績評定專業(yè)、班級 12級電子信息工程技術(shù)1班 學生姓名 謝田田 完成日期 2015.04.20 題 目： 淺談光纖導光原理 畢業(yè)設計（論文）共23頁，其中：圖5幅，表0個畢業(yè)設計（論文）指導小組評定意見： 畢業(yè)論文成績的評定：指導教師審閱成績（70%）評閱教師評閱成績（30%）總 分系（院）負責人簽名： 安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文）淺談光纖導光的原理摘要 光纖，是光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。光導纖維由前香港中文大學校長高錕發(fā)明。微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。在日常生活中，由于光在光導纖維的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞。關(guān)鍵詞：光纖 信號傳輸 傳感 損耗 The light guiding principle of optical fiberAbstract Shorthand is optical fiber, optical fiber, is a use of light in a glass or plastic fiber of total reflection principle and have light transmission tools. Optical fiber developed by former President Charles kao, the Chinese university of Hong Kong. Micro fiber encapsulated in a plastic sheath, enables it to bend without breaking. Usually, one end of the fiber optic transmitters using light-emitting diodes or a beam of laser light pulse transmission to optical fiber, optical fiber receiver at the other end of the light sensors were used to detect pulse。In daily life, the light in the optical fiber transmission loss than electricity in the wire transmission loss is much lower, optical fiber is used for long distance communicationKeywords：optical Signal transmission sensor loss 目 錄引 言1第1章 光21.1 光的簡介21.2 光的基本特征212.1光的反射與折射21.2.2 全反射原理31.3 光的特性參數(shù)41.3.1 模場直徑d41.3.2 截至波長41.3.3 傳播常數(shù)413.4 相對折射率差5第2章 光纖62.1 光纖結(jié)構(gòu)62.2 數(shù)值孔徑62.3光纖的種類62.4 光纖的模式7第3章 光纖導光的原理8第4章 漸變光纖和階躍光纖的導光原理分析104.1 漸變光纖的導光原理分析104.2 階躍光纖的導光原理11結(jié) 論12參考文獻13致 謝13III安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計（論文）引 言光是一種頻率極高的電磁波，而光纖本身是一種介質(zhì)波導，因此光在光纖中的傳輸理論是十分復雜的。要想全面地了解它，需要應用電磁場理論、波動光學理論、甚至量子場論方面的知識。但作為一個光纖通信系統(tǒng)工作者，無需對光纖的傳輸理論進行深入探討與學習。為了便于理解，我們從幾何光學的角度來討論光纖的導光原理，這樣會更加直觀、形象、易懂。更何況對于多模光纖而言，由于其幾何尺寸遠遠大于光波波長，所以可把光波看作成為一條光線來處理，這正是幾何光學的處理問題的基本出發(fā)點。第1章 光1.1 光的簡介光分為人造光和自然光。我們之所以能夠看到客觀世界中斑駁陸離、瞬息萬變的景象，是因為眼睛接收，物體發(fā)射、反射或散射的光。光與人類生活和社會實踐有著密切的關(guān)系。 嚴格地說，光是人類眼睛所能觀察到的一種輻射。由實驗證明光就是電磁輻射，這部分電磁波的波長范圍約在紅光的0.77微米到紫光的0.39微米之間。波長在0.77微米以上到1000微米左右的電磁波稱為“紅外線”。在0.39微米以下到0.04微米左右的稱“紫外線”。紅外線和紫外線不能引起視覺，但可以用光學儀器或攝影方法去量度和探測這種發(fā)光物體的存在。所以在光學中光的概念也可以延伸到紅外線和紫外線領(lǐng)域，甚至X射線均被認為是光，而可見光的光譜只是電磁光譜中的一部分。光具有波粒二象性，即既可把光看作是一種頻率很高的電磁波（10121015赫茲），也可把光看成是一個粒子，即光量子，簡稱光子。光是地球生命的來源之一。光是人類生活的依據(jù)。光是人類認識外部世界的工具。光是信息的理想載體或傳播媒質(zhì)。據(jù)統(tǒng)計，人類感官收到外部世界的總信息中，至少90以上通過眼睛 光就其本質(zhì)而言是一種電磁波，覆蓋著電磁頻譜一個相當寬（從X射線到遠紅外）的范圍，只是波長比普通無線電波更短。人類肉眼所能看到的可見光只是整個電磁波譜的一部分。光會發(fā)生反射、折射、干涉以及衍射等現(xiàn)象。光波，包括紅外線，它們的波長比微波更短，頻率更高，因此，從電通信中的微波通信向光通信方向發(fā)展，是一種自然的也是一種必然的趨勢。普通光：一般情況下，光由許多光子組成，在熒光（普通的太陽光、燈光、燭光等）中，光子與光子之間，毫無關(guān)聯(lián)，即波長不一樣、相位不一樣，偏振方向不一樣、傳播方向不一樣，就象是一支無組織、無紀律的光子部隊，各光子都是散兵游勇，不能做到行動一致。微細的光纖封裝在塑料護套中，使得它能夠彎曲而不至于斷裂。通常，光纖的一端的發(fā)射裝置使用發(fā)光二極管（light emitting diode,LED）或一束激光將光脈沖傳送至光纖，光纖的另一端的接收裝置使用光敏元件檢測脈沖。在日常生活中，由于光在光導纖維的傳導損耗比電在電線傳導的損耗低得多，光纖被用作長距離的信息傳遞。1.2 光的基本特征1.2.1光的反射與折射當光線在均勻介質(zhì)中傳播時是以直線方向進行的，但在到達兩種不同介質(zhì)的分界面時，會發(fā)生反射與折射現(xiàn)象，光纖傳導光的能力非常強，利用光纜通訊，能同時傳播大量信息。例如一條光纜通路同時可容納十億人通話，也可同時傳送多套電視節(jié)目。光纖的抗干擾性能好，不發(fā)生電輻射，通訊質(zhì)量高，能防竊聽。光纜的質(zhì)量小而細，不怕腐蝕，鋪設也很方便，因此是非常好的通訊材料。目前許多國家已使用光纜作為長途通訊干線。我國也開始生產(chǎn)光導纖維，并在部分地區(qū)和城市投入使用。隨著時代的進步和科學的發(fā)展，光纖通訊必將大為普及。 光纖除了可以用于通訊外，還用于醫(yī)療、信息處理、傳能傳像、遙測遙控、照明等許多方面。例如，可將光導纖維內(nèi)窺鏡導入心臟，測量心臟中的血壓、溫度等。在能量和信息傳輸方面，光導纖維也得到了廣泛的應用。 光導纖維又稱導光纖維光學纖維，是一種把光能閉合在纖維中而產(chǎn)生導光作用的纖維。它能將光的明暗光點的明滅變化等信號從一端傳送到另一端。光導纖維是由兩種或兩種以上折射率不同的透明材料通過特殊復合技術(shù)制成的復合纖維。它的基本類型是由實際起著導光作用的芯材和能將光能閉合于芯材之中的皮層構(gòu)成。光導纖維有各種分類方法：按材料組成萬分可分為玻璃石英和塑料光導纖維；按形狀和柔性分為可撓性和不可撓性光導纖維；按纖維結(jié)構(gòu)分為皮芯型和自聚集型（又稱梯度型）；按傳遞性分為傳光和傳象光導纖維；按傳遞光的波長分為可見光紅外線紫外線激光等光導纖維。 如圖1-1所示。圖1-1 光的反射與折射1.2.2 全反射原理根據(jù)光的反射定律，反射角等于入射角。根據(jù)光的折射定律：其中n1為纖芯的折射率，n2為包成的折射率。顯然，若n1n2，則會有。如果n1與n2的比值增大到一定程度，則會使折射率，此時的折射率光線不再進入包層，而會在纖芯與包層的分界面上經(jīng)過（），或者重返回到纖芯中進行傳播（）。這種現(xiàn)象叫光的全反射現(xiàn)象，人們把對應于折射角等于90的入射角叫做臨界角，很容易可以得到臨界角，如圖1-2所示：圖1-2 光的全反射1.3 光的特性參數(shù)1.3.1 模場直徑d由于單模光纖的邊界沒有明確的邊界，包層之外有相當大的光場存在，故不能象多模光纖一樣用纖芯表示橫截面的導光范圍，只能用模場直徑 表示。它表示了單模光纖的基模能量集中的程度。CCITT規(guī)定，單模光纖.31m處的模場直徑應在910m,偏差不應超過10%。 1.3.2 截至波長截止波長是單模光纖特有的參數(shù)，是對應于第一高階模的歸一化截止頻率時的波長。即故通?？捎盟袛嗍欠駟文鬏敗?1.3.3 傳播常數(shù)傳播常數(shù)是描述光纖中各模式傳輸特性的 一個參數(shù)，光纖中各模式的傳輸或截止都可以由該參數(shù)決定。 光纖通信中信息就是由傳導模傳送的 。傳導模的傳播常數(shù)是限制在到之間的，即 。 當 時，包層中的電磁場不再衰減，而成為振蕩函數(shù)，這時傳導模已不能集中于光纖纖芯中傳播，此時的模式稱為輻射模，即傳導模截止。 當= 時，傳導模處于臨界截止狀態(tài)，光線在纖芯和包層的界面掠射。1.3.4 相對折射率差對于階躍型光纖，假設是 包層折射率， 是纖芯折射率，且 ， 和 的差值大小直接影響光纖的性能。故引入相對折射率差表示其相差程度。 對于通信光纖， ，上式簡化成為 對于漸變型光纖，若軸心處（r=0）的折射率為 ,則相對折射率差定義為第2章 光纖通常光纖與光纜兩個名詞會被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外層的保護層和絕緣層可防止周圍環(huán)境對光纖的傷害，如水、火、電擊等。光纜分為：光纖，緩沖層及披覆。光纖和同軸電纜相似，只是沒有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。在多模光纖中，芯的直徑是50m和62.5m兩種， 大致與人的頭發(fā)的粗細相當。而單模光纖芯的直徑為8m10m，常用的是9/125m。芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套， 以使光線保持在芯內(nèi)。再外面的是一層薄的塑料外套，用來保護封套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護。 纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質(zhì)地脆，易斷裂，因此需要外加一保護層。說明：9/125m指光纖的纖核為9um，包層為125um，9/125um是單模光纖的一個重要的特征，50/125m指指光纖的纖核為50um，包層為125um，50/125um是多模光纖的一個重要的特征。2.1 光纖結(jié)構(gòu)光纖裸纖一般分為三層：中心高折射率玻璃芯（芯徑一般為50或62.5m），中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125m），最外是加強用的樹脂涂層。光纖2.2 數(shù)值孔徑入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。光纖的數(shù)值孔徑大些對于光纖的對接是有利的。不同廠家生產(chǎn)的光纖的數(shù)值孔徑不同（AT&T CORNING）。2.3光纖的種類光纖的種類很多，根據(jù)用途不同，所需要的功能和性能也有所差異。但對于有線電視和通信用的光纖，其設計和制造的原則基本相同，諸如：損耗??；有一定帶寬且色散??；接線容易；易于成統(tǒng)；可靠性高；制造比較簡單；價廉等。光纖的分類主要是從工作波長、折射率分布、傳輸模式、原材料和制造方法上作一歸納的，茲將各種分類舉例如下。（1）工作波長：紫外光纖、可觀光纖、近紅外光纖、紅外光纖（0.85m、1.3m、1.55m）。（2）折射率分布：階躍（SI）型光纖、近階躍型光纖、漸變（GI）型光纖、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）傳輸模式：單模光纖（含偏振保持光纖、非偏振保持光纖）、多模光纖。（4）原材料：石英光纖、多成分玻璃光纖、塑料光纖、復合材料光纖（如塑料包層、液體纖芯等）、紅外材料等。按被覆材料還可分為無機材料（碳等）、金屬材料（銅、鎳等）和塑料等。（5）制造方法：預塑有汽相軸向沉積（VAD）、化學汽相沉積（CVD）等，拉絲法有管律法（Rod intube）和雙坩鍋法等。2.4 光纖的模式電磁波的傳播遵從麥克斯維爾方程，而在光纖中傳播的電磁場，還滿足光纖這一傳輸介的邊界條件。因此根據(jù)由光纖結(jié)構(gòu)決定的光纖的邊界條件，可求出光纖中可能傳播的模式有橫電波、橫磁波和混合波。 （1）橫電波 縱軸方向只有磁場分量，沒有電場分量；橫截面上有電場分量的電磁波。中下標m表示電場沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場沿徑向方向的變化周數(shù)。 （2）橫磁波 縱軸方向只有電分量，沒有磁場分量；橫截面上有磁場分量的電磁波。中下標m表示磁場沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示磁場沿徑向方向的變化周數(shù)。 （3）混合波 或 縱軸方向既有電分量又有磁場分量，是橫電波和橫磁波的混合。 無論哪種模式，當m和n的組合不同，表示的模式也不同。 第3章 光纖導光的原理光通信的傳輸材料。光通信的線路采用像頭發(fā)絲那樣細的透明玻璃纖維制成的光纜。在玻璃纖維中傳導的不是電信號,而是光信號,故稱其為光導纖維。遠距離通信的效率高,容量極大,抗干擾能力極強。 現(xiàn)代科學創(chuàng)造的奇跡之一，是使光像電流一樣沿著導線傳輸。不過，這種導線不是一般的金屬導線，而是一種特殊的玻璃絲，人們稱它為光導纖維，又叫光學纖維，簡稱光纖。1870年，英國科學家丁達爾做了一個有趣的實驗：讓一股水流從玻璃容器的側(cè)壁細口自由流出，以一束細光束沿水平方向從開口處的正對面射入水中。丁達爾發(fā)現(xiàn)，細光束不是穿出這股水流射向空氣，而是順從地沿著水流彎彎曲曲地傳播。這是光的全反射造成的結(jié)果。 光導纖維正是根據(jù)這一原理制造的。它的基本原料是廉價的石英玻璃，科學家將它們拉成直徑只有幾微米到幾十微米的絲，然后再包上一層折射率比它小的材料。只要入射角滿足一定的條件，光束就可以在這樣制成的光導纖維中彎彎曲曲地從一端傳到另一端，而不會在中途漏射?？茖W家將光導纖維的這一特性首先用于光通信。一根光導纖維只能傳送一個很小的光點，如果把數(shù)以萬計的光導纖維整齊地排成一束，并使每根光導纖維在兩端的位置上一一對應，就可做成光纜。用光纜代替電纜通信具有無比的優(yōu)越性。比如20根光纖組成的像鉛筆精細的光纜，每天可通話7.6萬人次，而1800根銅線組成的像碗口粗細的電纜，每天只能通話幾千人次。光導纖維不僅重量輕、成本低、敷設方便，而且容量大、抗干擾、穩(wěn)定可靠、保密性強。因此光纜正在取代銅線電纜，廣泛地應用于通信、電視、廣播、交通、軍事、醫(yī)療等許多領(lǐng)域，難怪人們稱譽光導纖維為信息時代的神經(jīng)。我國自行研制、生產(chǎn)、建設的世界最長的京漢廣(北京、武漢、廣州)通信光纜，全長3047公里，已于1993年10月15日開通，標志我國已進入全面應用光通信的時代。光纖傳導光的能力非常強，利用光纜通訊，能同時傳播大量信息。例如一條光纜通路同時可容納十億人通話，也可同時傳送多套電視節(jié)目。光纖的抗干擾性能好，不發(fā)生電輻射，通訊質(zhì)量高，能防竊聽。光纜的質(zhì)量小而細，不怕腐蝕，鋪設也很方便，因此是非常好的通訊材料。目前許多國家已使用光纜作為長途通訊干線。我國也開始生產(chǎn)光導纖維，并在部分地區(qū)和城市投入使用。隨著時代的進步和科學的發(fā)展，光纖通訊必將大為普及。光纖除了可以用于通訊外，還用于醫(yī)療、信息處理、傳能傳像、遙測遙控、照明等許多方面。例如，可將光導纖維內(nèi)窺鏡導入心臟，測量心臟中的血壓、溫度等。在能量和信息。傳輸方面，光導纖維也得到了廣泛的應用。光導纖維又稱導光纖維光學纖維，是一種把光能閉合在纖維中而產(chǎn)生導光作用的纖維。它能將光的明暗光點的明滅變化等信號從一端傳送到另一端。光導纖維是由兩種或兩種以上折射率不同的透明材料通過特殊復合技術(shù)制成的復合纖維。它的基本類型是由實際起著導光作用的芯材和能將光能閉合于芯材之中的皮層構(gòu)成。光導纖維有各種分類方法：按材料組成萬分可分為玻璃石英和塑料光導纖維；按形狀和柔性分為可撓性和不可撓性光導纖維；按纖維結(jié)構(gòu)分為皮芯型和自聚集型（又稱梯度型）；按傳遞性分為傳光和傳象光導纖維；按傳遞光的波長分為可見光紅外線紫外線激光等光導纖維。第4章 漸變光纖和階躍光纖的導光原理分析4.1 漸變光纖的導光原理分析漸變光纖的導光原理示意如圖（4-1） 圖4-1 漸變光纖的導光原理若光以一定的入射角從軸心處第一層射向與第二層的交界面時，由于是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，折射接角大于入射角，光線將折射進第二層射向與第三層的交界面，并再次發(fā)生折射進入第三層，依次第推，由于光線都是從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，入射角將隨折射次數(shù)增大。當在某一界面處（圖中是在第三層和第四層的界面上），入射角大于臨界角時，光線將出現(xiàn)全反射，方向不再朝向包層而是朝向軸心。之后光線是從光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)，入射角逐漸減小，直至穿過軸心后，光線又出現(xiàn)從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，重復上述折射過程。因此，當纖芯分層數(shù)無限多，其厚度趨于零時，漸變型光纖纖芯折射率呈連續(xù)變化，光線在其中的傳播軌跡不再是折線，而是一條近似于正弦型的曲線。 4.2 階躍光纖的導光原理(如圖4-2)圖4-2階躍光纖的導光原理分析示意圖階躍型光纖折射率是沿徑向呈階躍分布，在軸向呈均勻分布， 是包層折射率， 是纖芯折射率。假設圖中的階躍型光纖為理想的圓柱體，光線若垂直于光纖端面入射，并與光纖軸線重合，或平行，這時光線將沿纖芯軸線方向向前傳播。若光線以某一角度入射到光纖端面時，光線進入纖芯會發(fā)生折射。當光線到達纖芯與包層的界面上時，發(fā)生全反射或折射現(xiàn)象。 若要使光線在光纖中實現(xiàn)長