第3章光导纤维和光缆PPT讲稿.ppt

第第3章光导纤维和光缆章光导纤维和光缆*北京邮电大学 信息与通信工程学院1第1页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院21 光纤的结构和分类光纤的结构和分类1.1 光纤的结构光纤的结构1.2 光纤的分类光纤的分类第2页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院31.1 光纤的结构光纤的结构通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。射率比内层低。折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为率为n1，直径为，直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射折射率低的外围部分称为包层，其折射率为率为n2，直径为，直径为2b。第3页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院41.1 光纤的结构光纤的结构光纤的结构光纤的结构第4页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院51.2 光纤的分类光纤的分类按照光纤横截面折射率分布不同来划分按照光纤横截面折射率分布不同来划分 阶跃型光纤阶跃型光纤纤芯折射率纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。又称为均匀光纤。第5页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院61.2 光纤的分类光纤的分类按照光纤横截面折射率分布不同来划分按照光纤横截面折射率分布不同来划分 渐变型光纤渐变型光纤如果纤芯折射率如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。型光纤，又称为非均匀光纤。第6页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院7光纤的剖光纤的剖面折射率面折射率分布分布第7页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院81.2 光纤的分类光纤的分类按照纤芯中传输模式的多少来划分按照纤芯中传输模式的多少来划分 单模光纤单模光纤光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。单模光纤的纤芯直径较小，约为单模光纤的纤芯直径较小，约为410m。适用于大容量、长距离的光纤通信。适用于大容量、长距离的光纤通信。第8页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院91.2 光纤的分类光纤的分类按照纤芯中传输模式的多少来划分按照纤芯中传输模式的多少来划分 多模光纤多模光纤在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。模式的介质波导。多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。用渐变折射率分布。多模光纤的纤芯直径约为多模光纤的纤芯直径约为50m。第9页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院10光纤中的光纤中的光射线轨光射线轨迹迹 第10页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院11l按光纤构成的原材料分类按光纤构成的原材料分类l石英系光纤石英系光纤l多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 l塑料包层光纤塑料包层光纤 l全塑光纤全塑光纤 目前光纤通信中主要使用石英系光纤目前光纤通信中主要使用石英系光纤 第11页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院122 阶跃型光纤阶跃型光纤1相对折射指数差相对折射指数差 2阶跃型光纤中的光射线种类阶跃型光纤中的光射线种类 3子午线的分析子午线的分析 4数值孔径的概念数值孔径的概念 第12页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院132.1 相对折射指数差相对折射指数差光纤的纤芯和包层采用相同的基础材料光纤的纤芯和包层采用相同的基础材料SiO2，然后各掺入不同的杂质，使得纤芯中的折射指然后各掺入不同的杂质，使得纤芯中的折射指数数n1略高于包层中的折射指数略高于包层中的折射指数n2，它们的差极，它们的差极小。小。相对折射指数（相对折射指数（）：）：n1和和n2的相差程度的相差程度第13页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院142.1 相对折射指数差相对折射指数差弱导波光纤：弱导波光纤：n1与与n2差别极小差别极小 第14页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院152.2 阶跃型光纤中的光射线种类阶跃型光纤中的光射线种类子午面子午面子午射线：子午面上的光射线在一个周子午射线：子午面上的光射线在一个周期内和该中心轴相交两次，成为锯齿形期内和该中心轴相交两次，成为锯齿形波前进。这种射线称为子午射线，简称波前进。这种射线称为子午射线，简称为子午线。为子午线。子午线是平面折线，它在端面上的投影子午线是平面折线，它在端面上的投影是一条直线是一条直线。第15页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院162.2 阶跃型光纤中的光射线种类阶跃型光纤中的光射线种类图图2-7阶跃光纤中的子午线阶跃光纤中的子午线 第16页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院172.2 阶跃型光纤中的光射线种类阶跃型光纤中的光射线种类斜射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的射斜射线不在一个平面里，是不经过光纤轴线的射线。线。斜射线是限制在一定范围内传输的，这个范围称斜射线是限制在一定范围内传输的，这个范围称为焦散面。为焦散面。斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。斜射线是不经过光纤轴线的空间折线。第17页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院182.2 阶跃型光纤中的光射线种类阶跃型光纤中的光射线种类图图2-8 阶跃光纤中的斜射线阶跃光纤中的斜射线 第18页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院192.2 阶跃型光纤中的光射线种类阶跃型光纤中的光射线种类在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都在阶跃型光纤中，不论是子午线还是斜射线，都是根据全反射原理，使光波在芯子和包层的界面是根据全反射原理，使光波在芯子和包层的界面上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的。上全反射，而把光波限制在芯子中向前传播的。第19页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院202.3 子午线的分析子午线的分析导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，导波：携带信息的光波在光纤的纤芯中，由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称由纤芯和包层的界面引导前进，这种波称为导波。为导波。第20页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院212.3子午线的分析子午线的分析图图2-9 光纤剖面上的子午射线光纤剖面上的子午射线 第21页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院222.3子午线的分析子午线的分析只有能满足以下条件的射线，才可以在纤芯只有能满足以下条件的射线，才可以在纤芯中形成导波（即满足了全反射条件）。中形成导波（即满足了全反射条件）。第22页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院232.4数值孔径的概念数值孔径的概念数值孔径：表示光纤捕捉光射线能力的物理数值孔径：表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径，用量被定义为光纤的数值孔径，用NA表示。表示。数值孔径越大，就表示光纤捕捉射线的能力数值孔径越大，就表示光纤捕捉射线的能力就越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差就越强。由于弱导波光纤的相对折射指数差很小，因此其数值孔径也不大。很小，因此其数值孔径也不大。第23页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院243 阶跃型光纤的标量近似解法阶跃型光纤的标量近似解法用波动理论进行分析，通常有两种解法：用波动理论进行分析，通常有两种解法：矢量解法矢量解法 标量解法。标量解法。矢量解法是一种严格的传统解法，求满足矢量解法是一种严格的传统解法，求满足边界条件的波动方程的解。边界条件的波动方程的解。可以用标量近似解法推导出阶跃型光纤的可以用标量近似解法推导出阶跃型光纤的场方程、特征方程以及在这些基础上分析场方程、特征方程以及在这些基础上分析标量模的特性。标量模的特性。第24页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院253.阶跃型光纤的标量近似解法阶跃型光纤的标量近似解法1标量近似解法标量近似解法 2标量解的场方程的推导思路标量解的场方程的推导思路 3标量解的特征方程标量解的特征方程 4阶跃型光纤标量模特性的分析阶跃型光纤标量模特性的分析 5阶跃光纤中的功率分布阶跃光纤中的功率分布 6阶跃光纤中导模数量的估算阶跃光纤中导模数量的估算 第25页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院261标量近似解法标量近似解法在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平行。行。弱导波光纤中的弱导波光纤中的E和和H几乎与光纤轴线垂直。几乎与光纤轴线垂直。横电磁波（横电磁波（TEM波）：把波）：把E和和H处在与传播处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波，即横电磁波，即TEM波。波。弱导波光纤中的弱导波光纤中的E和和H分布是一种近似的分布是一种近似的TEM波，即是近似的横电磁波。波，即是近似的横电磁波。第26页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院271标量近似解法标量近似解法这种具有横向场的极化方向（即电场的空间指向）这种具有横向场的极化方向（即电场的空间指向）在传输过程中保持不变的横电磁波，可以看成为在传输过程中保持不变的横电磁波，可以看成为线极化波（或称线偏振波）。线极化波（或称线偏振波）。由于由于E（或（或H）近似在横截面上，而且空间指向基）近似在横截面上，而且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变变为沿传输方向其方向不变（仅大小变化）的标量（仅大小变化）的标量E。因此，它将满足标量的亥姆霍兹方程，通过解该因此，它将满足标量的亥姆霍兹方程，通过解该方程，求出弱导波光纤的近似解。方程，求出弱导波光纤的近似解。这种方法称为标量近似解法。这种方法称为标量近似解法。第27页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院282标量解的场方程的推导思路标量解的场方程的推导思路图图2-13 光纤坐标光纤坐标第28页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院292标量解的场方程的推导思路标量解的场方程的推导思路（1）首先求出横向场）首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程的亥姆霍兹方程（2）在圆柱坐标中展开得出）在圆柱坐标中展开得出（3）用分离变量法求解横向场）用分离变量法求解横向场Ey（4）根据麦氏方程中）根据麦氏方程中E和和H的关系可得出横向磁场的关系可得出横向磁场Hx的解答式的解答式（5）根据电场和磁场的横向分量可用麦氏方程求出轴）根据电场和磁场的横向分量可用麦氏方程求出轴向场分量向场分量EZ、HZ的解答式的解答式第29页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院303标量解的特征方程标量解的特征方程用波动理论去求特征方程，就是利用边界用波动理论去求特征方程，就是利用边界条件，令场的表示式满足边界条件，即可条件，令场的表示式满足边界条件，即可得到特征方程。得到特征方程。第30页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院313标量解的特征方程标量解的特征方程弱导波光纤标量解的特征方程。利用第一弱导波光纤标量解的特征方程。利用第一类贝塞尔函数与第二类修正的贝塞尔函数类贝塞尔函数与第二类修正的贝塞尔函数的递推公式，可证明这两个式子相等。的递推公式，可证明这两个式子相等。-第31页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院324阶跃型光纤标量模特性的分析阶跃型光纤标量模特性的分析（1）标量模的定义）标量模的定义“极化极化”就是指随着时间的变化，电场或磁场的空就是指随着时间的变化，电场或磁场的空间方位是如何变化的。一般人们把电场的空间方位间方位是如何变化的。一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向。作为波的极化方向。如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线时，就把这种极化称为直线极化，简称为为一直线时，就把这种极化称为直线极化，简称为线极化。线极化。第32页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院334阶跃型光纤标量模特性的分析阶跃型光纤标量模特性的分析（1）标量模的定义）标量模的定义 弱导波光纤可认为它的横向场是线极化波，以弱导波光纤可认为它的横向场是线极化波，以LP表示。表示。LP模（模（Linearly Polarized mode），即线性偏振模），即线性偏振模的意思。的意思。在这种特定条件下传播的模式，称为标量模，或在这种特定条件下传播的模式，称为标量模，或LPmn模。模。第33页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院344阶跃型光纤标量模特性的分析阶跃型光纤标量模特性的分析（2）截止时标量模的特性）截止时标量模的特性 截止的概念截止的概念当光纤中出现辐射模时，即认为导波截止当光纤中出现辐射模时，即认为导波截止 导波截止的临界状态导波截止的临界状态 截止时的特征方程截止时的特征方程第34页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院354阶跃型光纤标量模特性的分析阶跃型光纤标量模特性的分析（2）截止时标量模的特性）截止时标量模的特性 截止情况下截止情况下LPmn模的归一化截止频率模的归一化截止频率Vc表表2-1 截止情况下截止情况下LPmn模的模的Uc值值 m n012102.404833.8317123.831715.520037.0155937.015598.6537310.17347第35页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院364阶跃型光纤标量模特性的分析阶跃型光纤标量模特性的分析（2）截止时标量模的特性）截止时标量模的特性 截止情况下截止情况下LPmn模的归一化截止频率模的归一化截止频率Vc阶跃型光纤的单模传输条件阶跃型光纤的单模传输条件 0V2.40483 第36页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院374阶跃型光纤标量模特性的分析阶跃型光纤标量模特性的分析（3）远离截止时标量模的特性）远离截止时标量模的特性 远离截止远离截止 当当V时，即为远离截止。时，即为远离截止。远离截止时标量模的特征方程远离截止时标量模的特征方程 第37页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院384阶跃型光纤标量模特性的分析阶跃型光纤标量模特性的分析（3）远离截止时标量模的特性）远离截止时标量模的特性 远离截止时远离截止时LPmn模的模的U值值表表2-2 远离截止时远离截止时LPmn模的模的U值值 m n01212.404833.831715.1356225.520087.015598.4172438.6537310.17347 11.61984第38页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院395阶跃光纤中的功率分布阶跃光纤中的功率分布实际上，在纤芯和包层的界面处，电磁场实际上，在纤芯和包层的界面处，电磁场并不为零，而是由纤芯中的振荡形式转变并不为零，而是由纤芯中的振荡形式转变为包层中的指数衰减。为包层中的指数衰减。因此，要传输的导波能量大部分是在纤芯因此，要传输的导波能量大部分是在纤芯中传输，而有一部分则在包层中传输。中传输，而有一部分则在包层中传输。功率在纤芯和包层里所占比例的大小和该功率在纤芯和包层里所占比例的大小和该模式的截止频率有关。模式的截止频率有关。第39页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院405阶跃光纤中的功率分布阶跃光纤中的功率分布当当V时，它的能量将聚集在纤芯中；时，它的能量将聚集在纤芯中；当当VVc时，能量的大部分是在包层里，时，能量的大部分是在包层里，这时的导波将成为辐射模。这时的导波将成为辐射模。第40页，共41页，编辑于2022年，星期一*北京邮电大学 信息与通信工程学院416阶跃光纤中导模数量的估算阶跃光纤中导模数量的估算在光纤中，当不能满足单模传输条件在光纤中，当不能满足单模传输条件（0V2.40483）时，将有多个导波同）时，将有多个导波同时传输，故称多模光纤。时传输，故称多模光纤。传输模数量的多少，用传输模数量的多少，用M表示。表示。阶跃多模光纤近似的模数量表示式阶跃多模光纤近似的模数量表示式 第41页，共41页，编辑于2022年，星期一