渐变多模光纤-电缆情缘网.PPT

第二章 光纤和光缆 光纤是一种玻璃丝，其材料是石英（SiO2），是通信网络的优良传输介质，得到广泛的应用。 和电缆相比，光纤具有信息传输容量大，中继距离长，不受电磁场干扰，必威体育官网网址性能好和使用轻便等优点。 随着技术的进步，光纤价格逐年下降，应用范围不断扩展。光纤通信在高速率长距离干线网和用户接入网方面的发展潜力都很大。 为保证光纤性能稳定，系统运行可靠，必须根据实际使用环境设计各种结构的光纤和光缆。 本章从应用的观点概述光纤的传光原理、光纤和光缆的类型和特性，以供设计光纤系统时选择。 2.1 光纤结构和类型 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导; 根据光纤横截面上折射率的径向分布情况，光纤分为阶跃型和渐变型两种; 作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，它们是多模光纤和单模光纤。 阶跃多模光纤结构 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴圆柱形电介质波导 阶跃(SI，Step Index)多模光纤折射率 n1在纤芯保持不变，到包层突然变为 n2 渐变多模光纤 渐变(GI, Graded Index)多模光纤折射率不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为 n2 图2.1.1 实用光纤三种基本类型 光纤拉丝装置 在鼓上的光纤 光纤结构 纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，含量达99.999%，其余成分为极少量的掺杂剂如GeO2等，以提高纤芯的折射率。 纤芯直径约为 8 ?m ~100 ?m。 包层材料一般也为SiO2，外径为125 ?m，作用是把光强限制在纤芯中。 为了增强光纤的柔韧性、机械强度和耐老化特性，还在包层外增加一层涂覆层，其主要成分是环氧树酯和硅橡胶等高分子材料。光能量主要集中在纤芯传输。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。 2.1.1 多模光纤 可以传播数百到上千个模式的光纤，称为多模(MM, Multimode)光纤。 根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。 多模光纤的模间色散 代表各模的光线以不同的路经在纤芯内传输，在传输速度相同的情况下(均为c/n1, c是自由空间光速)，到达终点所需的时间也不同。 光线经接收机内的光电探测器变成各自的光电流，这些光电流在时域内叠加后，从而使输出脉冲相对于输入脉冲展宽了。 渐变多模光纤（GI）性能介于SI光纤和单模光纤之间 阶跃（SI）多模光纤的主要缺点是存在大的模间色散，光纤带宽很窄； 而单模光纤没有模间色散，只有模内色散，所以带宽很宽。 但是随之出现的问题是，因单模光纤芯径很小，所以把光耦合进光纤很困难。 那么能否制造一种光纤，既没有模间色散，带宽较宽，芯径较大，又使光耦合容易，这就是渐变折射率多模光纤，简称渐变多模光纤。 渐变多模光纤---色散较小 渐变(GI, Graded Index)多模光纤折射率 n1不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直到包层变为 n2。 这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。 色散较小的理由：虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输，但是这种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢，因折射率最大；越远离轴线，到达终点传输的距离越长，但传输速度越快，这样到达终点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。 2.1.2 单模光纤---色散最小 只能传播一个模式的光纤称为单模光纤 标准单模(SM, Single Mode)光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有（9~10）?m 光线沿轴线直线传播, 色散使输出脉冲信号展宽最小。 单模光纤结构 表2.1.1 阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤的特性比较 2.2 光纤传输原理 2.2.1 斯奈尔定律和全反射 光纤波导传输光的原理---临界角 图2.2.2 光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况 ? i ? c 的光线将有部分光能进入包层泄漏出去, 如图2.2.2 (a)所示。 当 ? i = ? c 时，光线在波导内以 ? c 入射到纤芯与包层交界面，并沿交界面向前传播 ( 折射角为? t )，如图2.2.2 (b)所示。 当入射角超过临界角（? i ? c ）时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫做全反射 (TIR，Total Internal Reflection), 如图2.2.2 (c) 所示，这就是多模光纤波导传输光的原理。 光纤传输--全反射条件 图2.2.3 不同入射角的光线 光线在光纤端面以不同角度? 从空气入射到纤芯，不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定