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1、第2章光纖光纖結(jié)構(gòu)光纖傳輸原理單模光纖多模光纖光纖使用特性和產(chǎn)品介紹光纖是光纖通信系統(tǒng)的傳輸介質(zhì),它具有傳輸損耗低、傳輸容量大的特點(diǎn)。對于光纖而言,其衰減和色散特性是影響系統(tǒng)性能的主要因素。當(dāng)入射到光纖內(nèi)的光功率較大時(shí),光纖呈現(xiàn)的非線性效應(yīng)對系統(tǒng)的傳輸會(huì)產(chǎn)生較大的影響。隨著技術(shù)的發(fā)展,光纖的性能也不斷地得到改善,新的光纖品種不斷出現(xiàn),其價(jià)格也逐年下降,應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步的擴(kuò)展。為了對光纖通信系統(tǒng)有一個(gè)全面的了解,必須認(rèn)識(shí)光纖的工作原理及其性能,以便根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境選擇光纖產(chǎn)品,保證光纖性能穩(wěn)定、系統(tǒng)可靠地運(yùn)行。本章
2、用幾何光學(xué)和波動(dòng)方程兩種方法闡述了光纖中光的傳輸機(jī)理,在此基礎(chǔ)上,對單模光纖和多模光纖傳輸特性進(jìn)行了分析,并介紹了光纖制作工藝、光纖產(chǎn)品及其光纖的使用特性。2.1光纖結(jié)構(gòu)按照光纖橫截面上徑向折射率的分布特點(diǎn),我們把光纖分為階躍折射率光纖和漸變折射率光纖兩大類。2.1.1階躍折射率光纖階躍折射率光纖的折射率分布如圖2.1.1所示。圖(a)、(b)分別為單模和多模階躍折射率光纖示意圖。圖2.1.1階躍折射率光纖示意圖圖中,2a為纖芯直徑,2b為包層直徑,纖芯和包層的折射率都是常數(shù),分別為n1和n2。為
3、了滿足光在纖芯內(nèi)的全內(nèi)反射條件,要求。在纖芯和包層分界面處,折射率呈階躍式變化,用數(shù)學(xué)形式表示為(2.1.1)多模階躍光纖由于存在著較大的模間色散,使用受到了很大限制。光線n2n1nr2b2a(a)單模階躍折射率光纖(b)多模階躍折射率光纖光線r2b2ann1n22.1.2漸變折射率光纖漸變折射率光纖纖芯中折射率不是常數(shù),而是在纖芯中心最大,為n1,沿徑向(r方向)按一定的規(guī)律逐漸減小至n2,包層中折射率不變?nèi)詾閚2。其折射率分布是:(2.1.2)式中,r是光纖的徑向半徑,參數(shù)決定折射率形式。Δ為相對折射率
4、差。Δ值越大,把能量束縛在纖芯中傳輸?shù)哪芰υ綇?qiáng),對漸變多模光纖而言,其典型值為0.015。圖2.1.2示出了多模漸變折射率光纖中折射率分布和光線傳輸示意圖,與階躍型光纖不同的是,光線傳播的路徑是連續(xù)的彎曲線。表2.1列出了階躍型單模光纖、階躍型多模光纖和漸變型多模光纖的典型參數(shù)。圖2.1.2漸變折射率光纖光線r2b2ann1n22.2光纖傳輸原理由物理學(xué)可知,光具有粒子性和波動(dòng)性,對其分析也有兩種方法:一是幾何光學(xué)分析法,二是波動(dòng)方程分析法。2.2.1幾何光學(xué)分析法幾何光學(xué)分析法是用射線光學(xué)理論分析光纖中光傳輸
5、特性的方法。這種分析方法的前提條件是光的波長要遠(yuǎn)小于光纖尺寸,用這種方法可以得到一些基本概念:全內(nèi)反射、數(shù)值孔徑等,其特點(diǎn)是直觀、簡單。1.全內(nèi)反射光在不同介質(zhì)中的傳播速度不同,描述介質(zhì)對光這種作用的參數(shù)就是折射率,折射率與光之間的關(guān)系為(2.2.1)式中,c是光在真空中的傳播速度,c=3×108m/s,是光在介質(zhì)中的傳播速度,n是介質(zhì)的折射率??諝獾恼凵渎式茷?。折射率越高,介質(zhì)材料密度越大,光在其中傳播的速度越慢。在均勻介質(zhì)中,光是直線傳播的,當(dāng)光由一種折射率介質(zhì)向另一種折射率介質(zhì)傳播時(shí),在介質(zhì)分界面上會(huì)產(chǎn)
6、生反射和折射現(xiàn)象,見圖2.2.1。入射光反射光折射光θ1θ2θ3n1n2界面(光疏介質(zhì))(光密介質(zhì))入射光反射光折射光θ1θ2θ3n1n2界面(光密介質(zhì))(光疏介質(zhì))θ1增加入射光反射光折射光θ1θ2=900θ3n1n2界面(光密介質(zhì))(光疏介質(zhì))θ1=θC入射光反射光θ1θ3n1n2界面(光密介質(zhì))(光疏介質(zhì))θ1>θC圖2.2.1光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)的入射由斯涅爾定理可知,入射光、反射光以及折射光與界面垂線間的角度滿足下列關(guān)系(2.2.2)式中,θ1、θ2和θ3分別稱為入射角、折射角和反射角。我們將折射率較大
7、的介質(zhì)稱為光密介質(zhì),折射率較小的稱為光疏介質(zhì),由(2.2.2)式可知,當(dāng)光由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí),折射角小于入射角;反之,光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí),折射角大于入射角。在這種情況下(n1>n2),隨著入射角的增大,折射角也增大,當(dāng)時(shí),折射光將沿著分界面?zhèn)鞑?,此時(shí)對應(yīng)的入射角稱為臨界入射角,記為。圖2.2.1光由光密介質(zhì)向光疏介質(zhì)的入射由(2.2.2)式可求得臨界入射角:,即(2.2.3)如果入射光的入射角,所有的光將被反射回入射介質(zhì),這種現(xiàn)象稱之為全反射,光纖就是利用這種折射率安排來傳導(dǎo)光的:光纖纖芯的折射率高
8、于包層折射率,在纖芯與包層的分界面上,光發(fā)生全內(nèi)反射,沿著光纖軸線曲折前進(jìn),如圖2.2.2所示。我們將光纖內(nèi)的光線分成兩類:一類是子午光線,見圖2.2.2(a)。另一類是斜光線,見圖2.2.2(b)。子午光線是在與光纖軸線構(gòu)成的平面(子午面)內(nèi)傳輸,斜光線則在傳播的過程中不固定在一個(gè)平面內(nèi)。(b)斜光線(a)子午光線