光纤光学基础知识

光纤的传输特性
➢弯曲损耗(Bending Loss)
如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角α1入 射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度α2(<α1)入射， 不再发生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光
纤弯曲损耗。
A
α1
B
α2
图5.光纤的弯曲损耗
光纤的传输特性
✓宏弯曲损耗
光纤弯曲半径R大于临界值Rc，因弯曲引起的损耗很 小，可以忽略；弯曲半径小于临界值，损耗按指数规
NA子 (r) n0 sin 0 n2 (r) n22
➢光纤数值孔径与其折射率分布有关，阶跃折射率光 纤纤芯各点数值孔径相同，渐变折射率光纤中心点数 值孔径最大，在纤芯与包层界面数值孔径为0。 数值孔径反映光纤接收光的能力，Corning SMF-28单 模光纤、InfiniCor 50/125um多模光纤、InfiniCor 62.5 /125um多模光纤数值孔径分别为0.14、0.20、0.275。
V a 2 0
n12 n22
V越小，则光纤限制光泄漏的能力越弱，允许传输的
模式数量越少。当V<2.405时，光纤中只有一个模式
可以传播，成为单模光纤。
光纤中的传播模式
为了满足单模条件，单模光纤的纤芯包层折射率差和 纤芯直径均比多模光纤小。 ➢在保证单模传输的前提下，V值应尽可能取髙值，以 提升光纤导光能力，避免弯曲损耗。 根据波动理论分析，继续减小V值，仍不能将最后一 个模式截止，即此模式被牢牢限制在纤芯中传播，这 也是单模光纤的微弯曲损耗较多模光纤小的原因。
0.5
0.2
0.1
0.6 0.8 1.0 1.2
1.5
2.0
波长(um)
图4.石英光纤损耗谱典型曲线
光纤的传输特性
✓目前光通信的三个窗口： 0.85um－第一窗口，短距离多模光通信； 1.31um－第二窗口，长距离单模和短距离多模光通信； 1.55um－第三窗口，长距离单模光通信。 ✓我们看到，在1.31um和1.55um之间的1.385um处有 一个吸收峰，这是由于OH－离子的吸收造成的，通常 称之为水峰。 ✓Lucent公司率先推出AllWave光纤，Corning公司相 继推出LEAF光纤，消除了水峰，将光纤的第二和第三 窗口连接起来，可以在1280nm-1625nm之间345nm 的带宽内进行通信，这对CWDM系统的应用大为有利。
(0.65 1.619 2.879)a
V 3/2
V6
我们看到，归一化频率V越大则模场半径ω越小，光能 量被约束得越集中，即导光能力越强。 模场半径对分析单模光纤的连接损耗、微弯曲损耗等 有重要作用。
光纤的传输特性
❖光纤的损耗 ➢材料吸收损耗
5.0
2.0
第一窗口
第二窗口
1.0
第三窗口
损耗(dB/km)
光纤中的传播模式
❖截止波长
当光纤参数(a、n1、n2)已经确定，单模光纤的截止波 长和截止频率分别为：
c
a n12
1.202
n22
fc
1.202c
a n12 n22
λ越大则V越小，当λ<λc时则不再满足单模条件，产生 高阶模，因而传输损耗增加。
光纤中的传播模式
❖单模光纤的模场半径 单模光纤中传输的是类高斯光束，即光束能量在横截 面近似高斯分布，其模场半径的经验公式如下：
律迅速增加。
多模光纤的临界曲率半径：
Rc
1.5
W
2 3
(0.347
2Wa )
其中：W 2 n22k02
Rc与β有关，因此在同一弯曲半径下，不同模式的损 耗不同，低阶模的损耗小，高阶模的损耗大。
单模光纤的临界曲率半径：
Rc
20
(n)3/
2
(2.748
0.996 c
)3
光纤的传输特性
单模光纤的临界曲率半径与截止波长λc有关， λc越大 则Rc越小，也就是说，截止波长越大则弯曲特性越好。
✓微弯曲损耗 多模光纤微弯曲损耗：多模光纤的微弯曲情况非常复 杂，仅作定性描述。 多模光纤的微弯曲损耗与弯曲形状有关，如果对光纤 进行周期性弯曲时，如图6所示，将会在某个弯曲频 率下产生最大损耗，而且损耗与弯曲振幅A2成正比， 与弯曲总长度L成正比。
光纤光学基础知识
目录
光纤结构及导光原理 光纤中的传播模式 光纤的传输特性 光纤的连接损耗
光纤结构及导光原理
❖光纤结构
纤芯 包层
涂三部分组成： 纤 芯－光能量主要在纤芯中传输； 包 层－折射率小于纤芯，与纤芯一起组成波导，限 制光能量泄漏； 涂覆层－对光纤起缓冲保护作用。 ➢光纤按传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤， 按折射率分布可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光 纤，如图2所示。
光纤结构及导光原理
125um 125～400um 125um 8～12um 50～200um 50/62.5um
n2 n1 2a
n2 n1 2a
n2 n1 2a
(a)单模阶 跃折射率光 纤
(b)多模阶 跃折射率光 纤
(c)多模渐变 折射率光纤
图2.单模和多模光纤结构示意图
光纤结构及导光原理
❖光纤导光原理
射角θ1、 θ2、θ3…，我们称之为光纤的模式。 也可以用纵向传播常数β1、 β2、β3…来描述光纤的模
式，表示光线相位变化的速度。 模式越高，θ角越大， β越小，光程越大，损耗越大。
光纤中的传播模式
❖单模与多模 ➢我们已经知道，光纤中传输的光必须同时满足全反 射条件和驻波条件。前者与纤芯和包层折射率差有关 (折射率差越大则孔径角越大)，后者与纤芯尺寸有关 (纤芯越大则允许的模式数量越多)，因此我们可以用 一个参数来描述光纤的结构特性－归一化频率V。
光纤中的传播模式
❖光纤的模式 ➢我们已经知道，小于孔径角入射的光线可以在光纤 中传播，这只是从光线理论得到的结论。 如图3所示，根据波动理论，光在两个反射点A、B的 位相必须相同，即A、B间的光程差必须是传输波长的 整数倍，此称为横向驻波条件。 ➢因此在所有入射角小于孔径角的光线中，只有满足 驻波条件的一系列光能够传输，对应一系列分立的入
A
B
α θ
图3.光在光纤中的传播
因为纤芯折射率大于包层折射率，当光线从纤芯入射 到界面上时，如果入射角α大于临界角α 0，将发生全 反射，没有光能量透射至包层而泄漏出去，此即光纤 导光原理。
光纤中的传播模式
❖数值孔径 ➢光线在纤芯与包层界面上的入射角α 大于全反射临 界角α0 ，才能在光纤中传播；受此条件约束，光线在 光纤端面的入射角θ必须小于孔径角θ 0，才能传播。 定义光纤子午光线数值孔径为：