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第二章 光纤和光缆;光纤具有何种结构？ 光在光纤中如何传播？ 光纤是由何种材料制作的？ 光纤是如何制造的？ 多根光纤是如何组装成光缆？;2.1 基本光学定义和定律 2.2 光纤的结构与类型 2.3 光纤的光学特性 2.4 光纤光缆制造技术 2.5 导波原理;2.1 基本光学定义和定律; 光的反射定律：;折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin?1 = n2 sin?2;n1 sin?1 = n2 sin?2; 全反射现象 ：在某种条件下，光线被关在一种介质中，不射到另一种介质中的现象。;2.2 光纤的结构与类型;光纤结构示意图;纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。 直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。 纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。 包层：包层位于纤芯的周围。 直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。;涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料； 缓冲层一般为性能良好的填充油膏； 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。 涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。;2.2.2 光纤的类型 光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。;1. 按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。 多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。 ;;多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输;单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。 优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。 ;单模光纤和多模光纤;2. 按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如图所示。;光纤的折射率分布; 阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1n2, n1=1.463~1.467, n2=1.45~1.46。 渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。; 渐变型光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数n(p)来表示。 ;3. 按ITU-T建议分类 ; 按套塑可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。 紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。 松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。;5. 按光纤的工作波长分类;2.2.3 光纤中光的传播 一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。;子午射线在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图所示。;子午射线在单模光纤中的传播轨迹;斜射线在光纤中的传播 斜射线的传播过程不在单一平面内，要追踪斜光线则更为困难。;2.3 光纤的光学特性; 光纤折射率分布