第2章光纤2.1 光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤类型2.2...

第2章光纤2.1 光纤结构和类型 2.1.1 光纤结构 2.1.2 光纤类型2.2...

第2章2.1.1 2.1.2 2.2

光纤光纤结构 光纤类型

2.1 光纤结构和类型

光纤传输原理 2.2.1 2.2.2 几何光学方法 光纤传输的波动理论

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2.3 光纤传输特性 2.3.1 2.3.2 2.3.3 光纤色散 光纤损耗 光纤标准和应用

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教学重点及难点 重点: 重点:分析光纤的导光原理； 一、分析光纤的导光原理； 理解光纤损耗和色散的概念 二、理解光纤损耗和色散的概念 ； 掌握光纤单模传输条件的计算公式。 三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。

难点： 难点：光纤传输的波动理论

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2.1 光纤结构和类型2.1.1 光纤结构 光纤( 光纤(Optical Fiber)的典型结构是 ) 典型结构是 多层同轴圆柱体， 如图所示， 多层同轴圆柱体 ， 如图所示 ， 自内向外 由纤芯、包层和涂敷层三部分组成。 纤芯、包层和涂敷层三部分组成。 三部分组成

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光纤结构图 光纤结构

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纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更 低，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并 起一定的机械保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2,光能 量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。 涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦 伤。

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2.1.2 光纤类型1、光纤的主要成分 目前通信用的光纤主要是石英系光纤， 目前通信用的光纤主要是 石英系光纤， 其 主要成分是高纯度石英玻璃，即二氧化硅 ( SiO2 ) 。 如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂 剂 ， 就可以制作光纤的 纤芯。 同样 ， 如果在石 就可以制作光纤的纤芯 。 同样， 英中掺入折射率低于石英的掺杂剂， 英中掺入折射率低于石英的掺杂剂 ， 就可以作 为包层材料。 包层材料。

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2、光纤分类按照制造光纤所用的材料分类有 分类有： (1)按照制造光纤所用的材料分类有： 石英系光纤； 石英系光纤； 多组分玻璃光纤； 多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤； 塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤。 全塑料光纤。

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按折射率分布情况分类 分类： (2) 按折射率分布情况分类：光纤主 要有三种基本类型： 要有三种基本类型：突变型多模光纤(多模阶跃折射率光纤 突变型多模光纤 多模阶跃折射率光纤) 多模阶跃折射率光纤 渐变型多模光纤(多模渐变射率光纤 渐变型多模光纤 多模渐变射率光纤) 多模渐变射率光纤 单模光纤

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突变型多模光纤(Step Index Fiber, SIF) 突变型多模光纤 纤芯折射率为 n1 保持不变，到包层 突 然 变 为 n2 。 这 种 光 纤 一 般 纤 芯 直 径 2a=50~80μm,光线 以 折线形状 光线以 光线 折线形状沿纤芯中 心轴线方向传播，特点是信号畸变大。

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突变型多模光纤 (多模阶跃折射率光纤 多模阶跃折射率光纤) 多模阶跃

折射率光纤

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渐变型多模光纤(Graded Index Fiber, GIF) 渐变型多模光纤 在纤芯中心折射率最大为n1 ,沿径向r向 外围逐渐变小，直到包层变为n2 。这种光纤 一般纤芯直径2a为50μm,光线 正弦形状 光线以正弦形状 光线 沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变 小。

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渐变型多模光纤 (多模渐变射率光纤) 多模渐变射率光纤)

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单模光纤(Single Mode Fiber, SMF) 单模光纤 折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径 只有8~10 μm,光线 直线形状 光线以直线形状 光线 直线形状沿纤芯中心轴 线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式 (只传输主模),所以称为单模光纤，其信号 畸变很小。

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单模光纤

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相对于单模光纤 单模光纤而言，突变型光纤 单模光纤 突变型光纤和 突变型光纤 渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳 渐变型光纤 数百个模式，所以称为多模光纤。 多模光纤。 多模光纤 渐变型多模光纤和单模光纤 渐变型多模光纤 单模光纤，包层外 单模光纤 径2b都选用125μm。

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特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结 构和折射率分布下图所示：n1 n2

n3

2a ′ 2a

(a)

(b)

(b)

(a) 双包层； (b) 三角芯； (c) 椭圆芯

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双包层光纤: 双包层光纤: 色散平坦光纤(DFF) 色散平坦光纤 色散移位光纤(DSF) 色散移位光纤 三角芯光纤: 三角芯光纤: 改进的色散移位光纤 椭圆芯光纤: 椭圆芯光纤: 双折射光纤或偏振保持光纤 双折射光纤 偏振保持光纤。 偏振保持光纤

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主要用途： 主要用途： 突变型多模光纤 只能用于小容量短距 离系统。 渐变型多模光纤 适用于中等容量中等 距离系统。 单模光纤 用在大容量长距离的系统。

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特种单模光纤大幅度提高光纤通信 系统的水平: 系统的水平: 1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s 容量的100km 的超大容量超长距离系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统， 这种系统可以把传输容量提高几倍到几 十倍。

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三角芯光纤有效面积较大，有利于提 高输入光纤的光功率，增加传输距离。

偏振保持光纤用在外差接收方式的相 干光系统，这种系统最大优点是提高接收 灵敏度，增加传输距离。

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