第二章光纖和光纜1ppt課件

1、 光纖的結(jié)構(gòu)l纖芯位于光纖中心，直徑2a為575m, 作用是傳輸光波。l包層位于纖芯外層，直徑2b為100150m,作用是將光波限制在纖芯中。l纖芯和包層即組成裸光纖，兩者采用高純度二氧化硅SiO2制成，但為了使光波在纖芯中傳送，應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行不同摻雜，使包層材料折射率n2比纖芯材料折射率n1小，即光纖導(dǎo)光的條件是n1n2。l一次涂敷層是為了保護(hù)裸纖而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮樹脂層，厚度一般為 30150m。l套層又稱二次涂覆或被覆層，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龍等材料。經(jīng)過二次涂敷的裸光纖稱為光纖芯線。 一次涂覆層 纖芯 包層 套層一次涂覆層 包層 纖芯 套層 光纖的結(jié)構(gòu)示意圖

2、 光纖的分類 石英系列光纖以SiO2為主要材料） 按光纖組成材料劃分 多組分光纖材料由多組成分組成） 液芯光纖纖芯呈液態(tài)） 塑料光纖以塑料為材料） 階躍型光纖SIF）光纖種類 按光纖纖芯折射率分布劃分 漸變型光纖GIF） W型光纖 單模光纖SMF） 按光纖傳輸模式數(shù)劃分 多模光纖MMF ）光的反射與折射示意圖 光的全反射示意圖 n1 n2n2 n1 n2 階躍光纖的導(dǎo)光原理示意圖12034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(shè)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(shí)光線將沿纖芯軸線方向向前傳播。

3、若光線以某一角度入射到光纖端面時(shí)，光線進(jìn)入纖芯會(huì)發(fā)生折射。當(dāng)光線到達(dá)纖芯與包層的界面上時(shí)，發(fā)生全反射或折射現(xiàn)象。 若要使光線在光纖中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸，必須使光線在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射，即入射角大于臨界角。由前面分析已知光纖的臨界角為 2n1n)arcsin(12nnc 漸變光纖的導(dǎo)光原理示意圖 為了分析漸變型光纖中光的傳播，將纖芯劃分成若干同軸的薄層 ，假設(shè)各層內(nèi)折射率均勻分布，而每層折射率從里到外逐漸減小，即有 。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(shí)，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(jìn)第二層射向與第三層的交界面，并再次發(fā)生折射進(jìn)入第三層，依

4、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(dāng)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(shí)，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(fù)上述折射過程。因此，當(dāng)纖芯分層數(shù)無限多，其厚度趨于零時(shí)，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。 11n12n13n14n 光纖的光學(xué)參數(shù) l相對(duì)折射率差l數(shù)值孔徑 NA 相對(duì)折射率差 對(duì)于階躍型光纖，假設(shè)是 包層折射率， 是纖芯折射率，且 ， 和 的差值大小

5、直接影響光纖的性能。故引入相對(duì)折射率差表示其相差程度。 對(duì)于通信光纖， ，上式簡(jiǎn)化成為 對(duì)于漸變型光纖，若軸心處r=0的折射率為 ,則相對(duì)折射率差定義為 2122212 nnn1n1n1n1n2n2n2n2n2222)0(2)0(nnn121nnn) 0(n 數(shù)值孔徑 NA(教材11、16頁)l對(duì)于階躍型光纖，當(dāng)光線在纖芯與包層界面上發(fā)生全反射時(shí)，光波在纖芯中傳播軌跡為折線，相應(yīng)的端面入射角記為光纖波導(dǎo)的孔徑角或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大于的光線才能在光纖中傳播，故光纖的受光區(qū)域是一個(gè)圓錐形區(qū)域，圓錐半錐角的最大值就等于。為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導(dǎo)孔徑角的正弦值為光纖的數(shù)

6、值孔徑NA），即：22210sinnnNA由于 ，上式簡(jiǎn)化成為可見，光纖的數(shù)值孔徑與纖芯與包層直徑無關(guān)，只與兩者的相對(duì)折射率差有關(guān)。若纖芯和包層的折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光能力就越強(qiáng)。對(duì)于階躍型光纖，由于纖芯折射率均勻分布，纖芯端面各點(diǎn)的數(shù)值孔徑都相同，即各點(diǎn)收光能力相同。對(duì)于漸變型光纖，纖芯折射率分布不均勻，光線在其端面不同點(diǎn)入射，光纖的收光能力不同，因此漸變型光纖數(shù)值孔徑定義為：2122212 nnn21nNA2)()()(222rnnrnrNA 光纖中的模式教材11，20，23）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(chǎng)，還滿足光纖這一傳輸介質(zhì)的邊界條件。因此根

7、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(chǎng)分量，沒有電場(chǎng)分量；橫截面上有電場(chǎng)分量的電磁波。中下標(biāo)m表示電場(chǎng)沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示電場(chǎng)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(chǎng)分量；橫截面上有磁場(chǎng)分量的電磁波。中下標(biāo)m表示磁場(chǎng)沿圓周方向的變化周數(shù)，n表示磁場(chǎng)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(chǎng)分量，是橫電波和橫磁波的混合。無論哪種模式，當(dāng)m和n的組合不同，表示的模式也不同。mnEHmnHEmnTMmnTE 截止波長(zhǎng)(教材24頁）通?？捎盟袛嗍欠駟文鬏敗Ｆ錇楣饫|出廠參數(shù)之一

8、（教材24頁） 模場(chǎng)直徑 l 由于單模光纖的邊界沒有明確的邊界，包層之外有相當(dāng)大的光場(chǎng)存在，故不能象多模光纖一樣用纖芯表示橫截面的導(dǎo)光范圍，只能用模場(chǎng)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(chǎng)直徑應(yīng)在910m,偏差不應(yīng)超過10%。ddITU-T建議的光纖分類110頁lG.651光纖:漸變多模光纖，工作波長(zhǎng)為1.31m和1.55m，在1.31m處光纖有最小色散，而在1.55m處光纖有最小損耗，主要用于計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或接入網(wǎng)。lG.652光纖：常規(guī)單模光纖，也稱為非色散位移光纖，其零色散波長(zhǎng)為1.31m，在1.55m處有最小損耗，是目前應(yīng)用最廣的光纖。

9、lG.653光纖：色散位移光纖，在1.55m處實(shí)現(xiàn)最低損耗與零色散波長(zhǎng)一致，但由于在1.55m處存在四波混頻等非線性效應(yīng)，阻礙了其應(yīng)用。lG.654光纖：性能最佳單模光纖，在1.55m處具有極低損耗大約0.18dB/km且彎曲性能好。lG.655光纖：非零色散位移單模光纖，在1.55m1.65m處色散值為0.16.0ps/（nm.km），用以平衡四波混頻等非線性效應(yīng)，適用于高速10Gb/s以上）、大容量、DWDM系統(tǒng)。 光纜的基本結(jié)構(gòu) 光纜一般由纜芯、加強(qiáng)元件和護(hù)層三部分組成。 纜芯：由單根或多根光纖芯線組成，有緊套和松套兩 種結(jié)構(gòu)。緊套光纖有二層和三層結(jié)構(gòu)。 加強(qiáng)元件：用于增強(qiáng)光纜敷設(shè)時(shí)可承受的負(fù)荷。普通 是金屬絲或非金屬纖維。 護(hù)層：具有阻燃、防潮、耐壓、耐腐蝕等特性，主要 是對(duì)已成纜的光纖芯線進(jìn)行保護(hù)。根據(jù)敷設(shè)條 件可由鋁帶/聚乙烯綜合縱包帶粘界外護(hù)層（ LAP），鋼帶或鋼絲鎧裝和聚乙烯護(hù)層等組 成。 實(shí)際使用的光纜分類 分類方法分類方法 光纜種類按所使用的光線分類單模光纜、多模光纜、（階躍型、漸變型）按纜芯結(jié)構(gòu)劃分