光纤结构和类型

渐变型多模光纤 (多模渐变射率光纤)
单模光纤（Single Mode Fiber, SMF）
折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径 只有8~10 μm，光线以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。
单模光纤
相对于单模光纤而言，突变型光纤和 渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳 数百个模式，所以称为多模光纤。
（3）入射临界角θmax
m as x i1 (n N ) A s i1 (n 0 .2) 1 12.12o
五 时间延迟 （时延）
突变型多模光纤最大时延差 T TTmaxTmi n L cn n12 2Lc1n
经历最短和最长路程的二束光线间时间差
T 是输入脉冲展宽的一种度量。
T 是输入脉冲展宽的一种度量
当θ0=0时，光线平行光纤轴入射
r(z)ri coA s)(z
当ri=0时，光线在r=0，z=0处以不 同的入射角射入光纤得
r(z) 0 sinA( z)
An(0)
自聚焦效应
不同入射角相应的光线，虽然经历的路 程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现 象称为自聚焦效应，如图。
渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不 同入射角相应的光线会聚在同一点上，而 且这些光线的时间延迟也近似相等。
界角）。
光纤端面入射临界角
当θi<θmax时，相应的光线将在交界面发 生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传 播，如光线3。
由此可见，只有在半锥角为θi ≤θmax的圆 锥内入射的光束才能在光纤中传播。
半锥角
三、数值孔径
根据这个传播条件，定义入射临界角的正 弦为数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光 纤的数值孔径为：
2c BLn(0)2 4 (Gbitk/sm)
2.2.2 光在光纤中的模式传输
教学内容：
一、模式的概念； 二、传输模式； 三、传条输件； 四、单模传输条件。
2.2.2 光在光纤中的模式传输
一、模式的概念
所谓的光纤模式，就是满足边界条件的 电磁场波动方程的解，电磁场的稳态分布。
这种空间分布在传播过程中只有相位的 变化，没有形状的变化，且始终满足边界条 件，每一种这样的分布对应一种模式。
T L (NA)2 2n1c
211.51303108 (0.20)2
4.4108(s)
44 (ns)
六 突变型多模光纤的最大比特率距离积BL
光纤的最大比特率距离积BL定义为光纤信息 传输容量 。
突变型多模光纤的最大比特率距离积BL为:
BL
c
n2 n12
上式是突变型多模光纤传输容量的基本限制。
例：多模阶跃光纤，纤芯折射率n1=1.5 ，包层 折射率n2=1.497，求其传输容量BL。
（1）
n(r) n0[12(ar)g]12
n2
0r a r a
n1 和 n2 分别为纤芯中心和包层的折射率； r 和 a 分别为径向坐标和纤芯半径； Δ 为相对折射率差；
g为折射率分布指数
g→∞， (r/a)→0的极限条件下，表示突 变型多模光纤的折射率分布；
g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表 示常规渐变型多模光纤的折射率分布。
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 光纤传输原理 2.2.1 几何光学方法 2.2.2 光纤传输的波动理论
2.3 光纤传输特性 2.3.1 光纤色散 2.3.2 光纤损耗 2.3.3 光纤标准和应用
教学重点及难点 重点:
一、分析光纤的导光原理； 二、理解光纤损耗和色散的概念 ； 三、掌握光纤单模传输条件的计算公式。
2、光纤分类
（1）按照制造光纤所用的材料分类有：
石英系光纤； 多组分玻璃光纤； 塑料包层石英芯光纤； 全塑料光纤。
（2） 按折射率分布情况分类：光纤主 要有三种基本类型：
突变型多模光纤（多模阶跃折射率光纤） 渐变型多模光纤（多模渐变射率光纤） 单模光纤
突变型多模光纤（Step Index Fiber, SIF）
4 NA 与ΔT 的关系
TLn12 L (NA )2 cn2 2n1c
NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光 纤的耦合效率越高；但NA越大，模间色散越严 重。
常用于通信的光纤的NA取值范围为: 0.1～0.3
例：设光纤长度L=1km，数值孔径NA=0.20，纤
芯折射率n1=1.5，求脉冲展宽ΔT 。
渐变型多模光纤和单模光纤，包层外 径2b都选用125μm。
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
双包层光纤: 色散平坦光纤（DFF） 色散移位光纤（DSF）
三角芯光纤: 改进的色散移位光纤
为此引入相对折射率差这样一个物理量来表示
它们相差的程度，用Δ表示，即
n12 n22 2n12
弱导光纤，有 n1 ≈ n2 ，此时
n122n12n22
n1n2 n1
对于渐变型多模光纤，若轴心处r = 0 时的折射率为 n(0)，则其相对折射率差 的定义为：
n2(0) n22 2n2(0)
光纤的数值孔径可表示为：
椭圆芯光纤: 双折射光纤或偏振保持光纤。
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。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信 系统的水平:
1.55μm色散移位光纤实现难点：
光纤传输的波动理论
2.1 光纤结构和类型
2.1.1 光纤结构
光纤（Optical Fiber）的典型结构是 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。
光纤结构图
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。
N An12n2 2n1 2
例题：
设光纤的纤芯折射率n1=1.500，包层折射 率n2=1.485。求:
（1）相对折射率差Δ；
（2）数值孔径NA；
（3）入射临界角θmax 。
解： （1）相对折射率差Δ：
n1n21.5001.4850.01
n1
1.500
（2）数值孔径NA：
N A n 1 2 1 .50 2 0 0 .0 1 0.21
(4) 渐变光纤最大时延差 max
折射率按抛物线分布的渐变光纤最 大时延差为
max12Lcn(0)2
式中： n(0)为轴线上的折射率； L为渐变光纤的长度； C为真空中的光速。
（5）渐变多模光纤的最大比特率距离 积BL为:
2c BL n(0)2
例1 一根多模渐变光纤的长度L=1km，纤芯的 折射率n(0)=1.5，相对折射率差Δ=0.01，求其 传输容量BL。
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，光线以折线形状沿纤芯中 心轴线方向传播，特点是信号畸变大。
突变型多模光纤 (多模阶跃折射率光纤)
渐变型多模光纤（Graded Index Fiber, GIF）
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，光线以正弦形状 沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变 小。
具有这种分布的光纤，不同入射角的 光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲 展宽减小
渐变型光纤折射率按平方律(抛物线)分布:
n(r) n0[12(ar)2]12
n2
0r a r a
由于渐变型多模光纤折射率分布是 径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不 同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最 大数值孔径 NAmax
2.2.1 几何光学方法
用几何光学方法分析光纤传输原理， 我们关注的问题主要是光束在光纤中传 播的空间分布和时间分布，并由此得到 数值孔径和时间延迟的概念。
几何光学法分析问题的两个出发点: • 数值孔径 • 时间延迟 通过分析光束在光纤中传播的空间分布和 时间分布。
几何光学法分析问题的两个角度： • 突变型多模光纤 • 渐变型多模光纤
n d 2r dn dz2 dr
渐变型多模光纤射线方程为：
d2r 2r 0 dz2 a2
这是二阶微分方程。
得到光线的轨迹为
r(z) C 1siA n ) z C (2co A )sz(
式中，A
2 a
，C1和C2是待定常数，由边
界条件确定。
得到光线的轨迹为
r(z)A(0n 0)sin A()zricoAs)(z
二、传输模式
麦克斯韦方程组的求解表明，光纤 中可能存在的模式有横电模TE、横磁 模TM及混合模HE和EH等四套模式。
1、横电模 TE0 m： 如果纵轴方向只有磁场分量Hz，没
有电场分量（Ez=0），而横截面上有电 场分量的电磁波称为横电模，用TE0 m 表示。
2、横磁模 TM0 m： 如果纵轴方向只有电场分量Ez，没
对于无损耗光纤，在θmax内的入射光 都能在光纤中传输，如图。
光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能 量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；
但NA越大，经光纤传输后产生的信号 畸变越大，因而限制了信息传输容量。
所以要根据实际使用场合，选择适当的 NA。
四、相对折射率差Δ
n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，