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1、第第1 1章章 绪绪 论论第第1 1章章 绪绪 论论1.1 1.1 光纤制备与应用的发展光纤制备与应用的发展 11.21.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展21.3 1.3 光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展31.1 1.1 光纤制备与应用的发展光纤制备与应用的发展v 1.1.1 1.1.1 光纤的结构光纤的结构v 光纤一般是由纤心、包层、涂敷层及护套构成的，是一个光纤一般是由纤心、包层、涂敷层及护套构成的，是一个多层介质结构的对称圆柱体，其基本结构如图多层介质结构的对称圆柱体，其基本结构如图1.11.1所示。所示。图图1.1 1.1 光纤的基本结构光纤的基本结构v 纤心一般是由某种类

2、型的玻璃或塑料制成的圆柱体，其直纤心一般是由某种类型的玻璃或塑料制成的圆柱体，其直径约为径约为 585 m。1.1 1.1 光纤制备与应用的发展光纤制备与应用的发展v 包层是环绕纤心的圆柱形套层，可以是一层或多层，由特包层是环绕纤心的圆柱形套层，可以是一层或多层，由特性与纤心不同的玻璃或塑料制成，其折射率略小于纤心折性与纤心不同的玻璃或塑料制成，其折射率略小于纤心折射率。射率。v 涂敷层是一种涂料的敷层，其作用是保护光纤不受外来的涂敷层是一种涂料的敷层，其作用是保护光纤不受外来的损害，以增强光纤的韧性。损害，以增强光纤的韧性。v 护套是由塑料制成的圆形保护套，用来维持光纤的机械强护套是由塑料制

3、成的圆形保护套，用来维持光纤的机械强度。度。1.1 1.1 光纤制备与应用的发展光纤制备与应用的发展v1.1.2 1.1.2 光纤发展史光纤发展史v 光纤自光纤自18411841年由年由 Daniel Colladon 通过实验发现了光线能通过实验发现了光线能够沿着盛水的弯曲通道而传播以来，经历了一百多年的发够沿着盛水的弯曲通道而传播以来，经历了一百多年的发展（参见表展（参见表1.11.1），现已经是通信的主要干线。），现已经是通信的主要干线。v 此外，各种特殊需要的光纤也应运而生，目前已有几十种。此外，各种特殊需要的光纤也应运而生，目前已有几十种。1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技

4、术的发展1 1.2.1 1.2.1 通信系统通信系统 的组成的组成2 1.2.2 1.2.2 通 信 系 统通 信 系 统的分类的分类3 1.2.3 1.2.3 光通信光通信 概述概述4 1.2.4 1.2.4 光纤通信光纤通信的发展过的发展过 程简介程简介1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展v1.2.1 1.2.1 通信系统的组成通信系统的组成v 所谓通信，从广义上讲就是信息从发信者传输到收信者的所谓通信，从广义上讲就是信息从发信者传输到收信者的过程。过程。v 消息是用以载荷信息的有次序的序列或连续的时间函数。消息是用以载荷信息的有次序的序列或连续的时间函数。前者称为离散信息

5、，后者称为连续信息。前者称为离散信息，后者称为连续信息。v 通信系统中传输的具体对象是消息，这种传输利用通信系通信系统中传输的具体对象是消息，这种传输利用通信系统来实现。完成通信过程的全部设备和传输媒质，称为通统来实现。完成通信过程的全部设备和传输媒质，称为通信系统。信系统。1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展v 1919世纪末迅速发展起来的以电信号（或光信号）为信息载世纪末迅速发展起来的以电信号（或光信号）为信息载体的通信系统，称为现代通信系统。通信系统的一般模型体的通信系统，称为现代通信系统。通信系统的一般模型如图如图1.21.2所示。所示。图图1.2 1.2 通信系统的一

6、般模型通信系统的一般模型1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展v 信源的作用是产生（形成）消息。信源分为模拟信源和数信源的作用是产生（形成）消息。信源分为模拟信源和数字信源。字信源。v 发信机的作用是将消息变换成适于在信道中传输的信号。发信机的作用是将消息变换成适于在信道中传输的信号。v 信道是将信号从发信机传输到收信机的媒质或途径。信道是将信号从发信机传输到收信机的媒质或途径。v 收信机的作用与发信机相反，完成解调、解码等任务，将收信机的作用与发信机相反，完成解调、解码等任务，将信号转换为信息。信号转换为信息。v 信宿的作用是将复原的原始信号转换成相应的信息，是传信宿的作用是将

7、复原的原始信号转换成相应的信息，是传输信息的归宿点。输信息的归宿点。1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展 1.2.2 1.2.2 通信系统的分类通信系统的分类 通信系统有多种分类方法。通信系统有多种分类方法。(1)(1)按传输媒质的不同进行分类按传输媒质的不同进行分类 可分为有线通信和无线通信两大类。可分为有线通信和无线通信两大类。(2)(2)按通信业务和用途进行分类按通信业务和用途进行分类 可分为常规通信和控制通信等。可分为常规通信和控制通信等。(3)(3)按传输信号的特征进行分类按传输信号的特征进行分类 可分为模拟通信系统和数字通信系统。可分为模拟通信系统和数字通信系统。1

8、.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展 (4)(4)按信息传递的方向与时间关系进行分类按信息传递的方向与时间关系进行分类 可分为单工通信、半双工通信和双工通信。可分为单工通信、半双工通信和双工通信。(5)(5)按调制方式进行分类按调制方式进行分类 可分为基带传输通信和调制传输通信。可分为基带传输通信和调制传输通信。(6)(6)按传输信号的复用方式进行分类按传输信号的复用方式进行分类 可分为频分复用、时分复用、码分复用三种复用方式的通可分为频分复用、时分复用、码分复用三种复用方式的通 信。信。1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展 1.2.3 1.2.3 光通信概述光通

9、信概述 1 1基本概念基本概念v 从广义上讲，凡是用光作为信息载波信号的通信称为光通从广义上讲，凡是用光作为信息载波信号的通信称为光通信。光通信系统使用电磁波谱中的可见光或近红外区域的信。光通信系统使用电磁波谱中的可见光或近红外区域的高频电磁波（约高频电磁波（约100 THz）。）。v 有时又称为光波通信系统，以区别于频率低于有时又称为光波通信系统，以区别于频率低于5 个数量级个数量级的微波（微波载波频率为的微波（微波载波频率为110 GHz）通信系统。）通信系统。1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展v 图图1.31.3为光的频谱图，可以看出光的频率很高，响应带宽为光的频谱图，

10、可以看出光的频率很高，响应带宽也很宽，光通信充分利用了这一优点。也很宽，光通信充分利用了这一优点。图图1.3 1.3 光的频谱图光的频谱图1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展v 根据定义，波长是光在一个周期时间内行进的距离。设真根据定义，波长是光在一个周期时间内行进的距离。设真 空中光的波长为空中光的波长为 ，介质中的波长为，介质中的波长为 ，则光的波长，则光的波长 和频率和频率 之间的关系为之间的关系为 (1.1)(1.1)(1.2)(1.2)式式(1.1)(1.1)和式和式(1.2)(1.2)中，是真空中的光速，中，是真空中的光速，；为介质的折射率（石英光纤的折射率为为介质

11、的折射率（石英光纤的折射率为1.51.5左右）；左右）；为光在介质中的速度为光在介质中的速度 。/c fm/v fn mf83 10 m/sc n(/)n c v1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展v 在光通信系统中，除了一些特殊场合使用可见光之外，现在光通信系统中，除了一些特殊场合使用可见光之外，现代光纤通信系统一般使用近红外光，典型波长为代光纤通信系统一般使用近红外光，典型波长为 和和 相应的频率分别为相应的频率分别为 230 THz 和和193 THz。2 2光通信系统的分类与特点光通信系统的分类与特点v 光通信系统可分为两类：大气激光系统（无线光通信）和光通信系统可分为

12、两类：大气激光系统（无线光通信）和光纤通信系统（有线光通信）。光纤通信系统（有线光通信）。v 大气激光通信主要是指用激光作为信息的载波信号并以大大气激光通信主要是指用激光作为信息的载波信号并以大气为信道的通信系统。光纤通信系统主要是指用激光作为气为信道的通信系统。光纤通信系统主要是指用激光作为信息的载波信号并以光纤为信道的通信系统信息的载波信号并以光纤为信道的通信系统1300 nm1500 nm1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展v 大气激光通信系统和光纤通信系统构成了近代光通信系统。大气激光通信系统和光纤通信系统构成了近代光通信系统。下面对这两类光通信的特点做简要讨论下面对这

13、两类光通信的特点做简要讨论 (1)(1)大气激光通信大气激光通信v 大气激光通信是利用光波在空气中直线传播的特点，进行大气激光通信是利用光波在空气中直线传播的特点，进行大气传输的光通信。这种通信方式，其信道为大气，不需大气传输的光通信。这种通信方式，其信道为大气，不需要敷设任何通信线路，简单经济。要敷设任何通信线路，简单经济。(2)(2)光纤通信光纤通信v 光纤通信技术是当代通信技术发展的最高成就，已成为现光纤通信技术是当代通信技术发展的最高成就，已成为现代通信的基石。光纤通信得到如此飞速的发展，主要是因代通信的基石。光纤通信得到如此飞速的发展，主要是因为它具有一系列独特的优点：为它具有一系列

14、独特的优点：1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展 频带宽，信息容量大。频带宽，信息容量大。传输损耗低，传输距离远。传输损耗低，传输距离远。制作光纤、光缆用的原材料资源丰富。制作光纤、光缆用的原材料资源丰富。光纤作为信道具有体积小、质量轻的优点，便于通信光纤作为信道具有体积小、质量轻的优点，便于通信线路的敷设。线路的敷设。光纤通信系统的抗干扰能力强，使用安全。光纤通信系统的抗干扰能力强，使用安全。但光纤信道也存在不足之处但光纤信道也存在不足之处：在敷设光纤、光缆时，弯在敷设光纤、光缆时，弯曲半径不能过小，否则光纤中传输的导模将成为辐射模而曲半径不能过小，否则光纤中传输的导模将成为

15、辐射模而损耗光能；损耗光能；要求有比较好的光纤切断、连接技术；要求有比较好的光纤切断、连接技术；分分路、耦合比较麻烦。路、耦合比较麻烦。1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展 1.2.4 1.2.4 光纤通信的发展过程简介光纤通信的发展过程简介v 光纤通信经过光纤通信经过 30 多年的发展，经历了多年的发展，经历了5 个发展阶段，其个发展阶段，其中已有五代光纤通信系统由试验研究进入了实用阶段。中已有五代光纤通信系统由试验研究进入了实用阶段。(1)(1)第一代光纤通信系统第一代光纤通信系统v 19781978年，第一代光纤通信系统（多模光纤通信系统）正式年，第一代光纤通信系统（多模

16、光纤通信系统）正式投入商业应用。光源为半导体激光器投入商业应用。光源为半导体激光器(GaAlAs LD)或发光或发光二极管二极管(LED)，工作波长。，工作波长。v 该光纤通信系统称为短波通信系统。光电探测器为管（硅该光纤通信系统称为短波通信系统。光电探测器为管（硅光电二极管）或（硅雪崩光电二极管）。信道为均匀多模光电二极管）或（硅雪崩光电二极管）。信道为均匀多模光纤光纤.1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展 (2)(2)第二代光纤通信系统第二代光纤通信系统v 20世纪世纪80年代初，第二代早期多模光纤通信系（年代初，第二代早期多模光纤通信系（1.3m多多模光纤通信系统）问世。

17、光源为模光纤通信系统）问世。光源为 InGaAsP 半导体激光器，半导体激光器，工作波长工作波长=1.3m 。(3)(3)第三代光纤通信系统第三代光纤通信系统v 1990年，第三代光纤通信系统已能提供商业应用。光源为年，第三代光纤通信系统已能提供商业应用。光源为铟镓砷磷铟镓砷磷(InGaAsP)半导体激光器，光电探测器与第二代半导体激光器，光电探测器与第二代光纤通信系统同为锗光电探测器，信道为单模光纤（工作光纤通信系统同为锗光电探测器，信道为单模光纤（工作波长为波长为1.55m）。该系统是工作在）。该系统是工作在=1.55m长波波段的长波波段的单模光纤通信系统，为长波光纤通信系统。单模光纤通信

18、系统，为长波光纤通信系统。1.2 1.2 光纤通信技术的发展光纤通信技术的发展 (4)(4)第四代光纤通信系统第四代光纤通信系统相干光纤通信系统相干光纤通信系统v 相干光纤通信系统是利用激光的相干性，将无线电通信中相干光纤通信系统是利用激光的相干性，将无线电通信中采用的采用的“外差外差”接收（或零差接收）和先进的调制方式应接收（或零差接收）和先进的调制方式应用到光纤通信中的系统。用到光纤通信中的系统。(5)(5)第五代光纤通信系统第五代光纤通信系统光孤子通信系统光孤子通信系统v 光孤子通信是利用光纤非线性进行超大容量、超长距离的光孤子通信是利用光纤非线性进行超大容量、超长距离的光纤通信方式。光

19、纤通信系统中，光孤子是一个非常窄，光纤通信方式。光纤通信系统中，光孤子是一个非常窄，并具有很高强度的光脉冲。并具有很高强度的光脉冲。1.3 1.3 光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展1 1.3.1 1.3.1 概述概述2 1.3.2 1.3.2 传感器的传感器的 组成组成3 1.3.3 1.3.3 光纤传光纤传 感器的感器的 分类分类4 1.3.4 1.3.4 光纤传感光纤传感器的发展器的发展史史5 1.3.5 1.3.5光纤传感光纤传感器的研究器的研究现状现状1.3 1.3 光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展v1.3.1 1.3.1 概述概述v 光纤传感器是用待测量对光纤内传输的光波参量

20、进行调制光纤传感器是用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制得到调制信号，该信号经光纤传输至光探测器进行解调，得到调制信号，该信号经光纤传输至光探测器进行解调，从而获得待测量值的一种装置。从而获得待测量值的一种装置。v 与传统的传感器不同，它将被测信号转换为光信号的形式与传统的传感器不同，它将被测信号转换为光信号的形式取出。取出。v 光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基础的，光从光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基础的，光从光纤射出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检测，光纤射出时，光的特性得到调制，通过对调制光的检测，便能感知外界的信息，实现对各种物理量的测量，这就是便能感知外界的信

21、息，实现对各种物理量的测量，这就是光纤传感器的基本原理。光纤传感器的基本原理。1.3 1.3 光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展v 1.3.2 1.3.2 传感器的组成传感器的组成v 传感器的定义是传感器的定义是:“:“能够感受规定的被测量并按照一定的能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置规律转换成可用输出信号的器件或装置”。v 传感器主要由敏感元件和转换元件组成。传感器主要由敏感元件和转换元件组成。敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响的部分；转换

22、元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部应的被探测量转换成适于传输和（或）测量的电信号的部分。分。1.3 1.3 光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展传感器的组成方框图如图传感器的组成方框图如图1.51.5所示。所示。图图1.5 1.5 传感器的组成方框图传感器的组成方框图1.3 1.3 光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展 1.3.3 1.3.3 光纤传感器的分类光纤传感器的分类v 传感器的分类可以从测量、结构、调制方式及器件材料等传感器的分类可以从测量、结构、调制方式及器件材料等不同角度分类，如书上表不同角度分类，如书上表1.21.2所示。所

23、示。1.3.4 1.3.4 光纤传感器的发展史光纤传感器的发展史v 2020世纪传感技术的发展经历了三个阶段，即结构型传感器、世纪传感技术的发展经历了三个阶段，即结构型传感器、物理型传感器和智能型传感器。其测量技术、方法和特点物理型传感器和智能型传感器。其测量技术、方法和特点历程参见表历程参见表1.31.3。v 光纤传感技术在我国的发展史参见表光纤传感技术在我国的发展史参见表1.41.4。1.3 1.3 光纤传感技术的发展光纤传感技术的发展 1.3.5 1.3.5 光纤传感器的研究现状光纤传感器的研究现状v 经过二十余年的研究积累，我国的光纤传感正在稳步发展。经过二十余年的研究积累，我国的光纤

24、传感正在稳步发展。v 我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、光电基我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业、光电基础产业和光纤传感技术全方位考虑综合发展，才有可能真础产业和光纤传感技术全方位考虑综合发展，才有可能真正创造我国的尖端传感技术，打破国外对我国的先进技术正创造我国的尖端传感技术，打破国外对我国的先进技术封锁。封锁。第第2 2章章 光纤与光缆光纤与光缆第第2 2章章 光纤与光缆光纤与光缆v 光纤通信系统是指利用激光作为信息的载波，并通过光纤光纤通信系统是指利用激光作为信息的载波，并通过光纤来传递信息的通信系统。来传递信息的通信系统。v 从从2020世纪世纪7070年代开始，光纤

25、通信快速发展，目前在世界范年代开始，光纤通信快速发展，目前在世界范围内成为最重要的通信手段。围内成为最重要的通信手段。v 利用光纤作为传输介质的光纤通信，有如下优点：利用光纤作为传输介质的光纤通信，有如下优点：(1)(1)载波频率高有极大的通信容量；载波频率高有极大的通信容量；(2)(2)直径细，质量轻；直径细，质量轻；(3)(3)基质材料是石英，来源丰富，可以节约大量金属；基质材料是石英，来源丰富，可以节约大量金属；(4)(4)不受电磁干扰，同时也不产生电磁干扰。不受电磁干扰，同时也不产生电磁干扰。第第2 2章章 光纤与光缆光纤与光缆 2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式1 2.

26、2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆2 2.3 2.3 光纤的传输特性光纤的传输特性3 2.4 2.4 光纤的种类光纤的种类42.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式1 2.1.1 2.1.1 光纤的结构光纤的结构2 2.1.2 2.1.2 阶跃折射率阶跃折射率 光纤分析的光纤分析的 基本概念基本概念3 2.1.3 2.1.3 阶跃折射阶跃折射 率光纤的率光纤的 模式分析模式分析2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 2.1.1 光纤的结构光纤的结构v 光纤的全称是光导纤维光纤的全称是光导纤维(Optical Fiber)(Optical Fiber)，是

27、一种传输光，是一种传输光能量的介质结构，所传光的波长在可见光和红外光区域。能量的介质结构，所传光的波长在可见光和红外光区域。其基本结构如图其基本结构如图1.11.1所示。所示。v 光能够被束缚在光纤心中传输的必要条件是光能够被束缚在光纤心中传输的必要条件是纤心的折射率纤心的折射率（至少在截面的某些区域）大于包层的折射率。护套在光（至少在截面的某些区域）大于包层的折射率。护套在光学上几乎与纤心隔绝，可以忽略其影响。纤心内，折射率学上几乎与纤心隔绝，可以忽略其影响。纤心内，折射率分布可以是均匀的或是渐变的，也可能是更复杂的分布。分布可以是均匀的或是渐变的，也可能是更复杂的分布。2.1 2.1 光纤

28、的结构与模式光纤的结构与模式v 图图2.12.1给出了一些常见光纤的折射率分布。给出了一些常见光纤的折射率分布。图图2.1 2.1 光纤的折射率分布光纤的折射率分布2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 根据光纤中光场的传输模式，光纤可分为单模光纤和多模根据光纤中光场的传输模式，光纤可分为单模光纤和多模光纤。光纤。v 折射率折射率 由制作光纤的材料决定，在光纤分析中通常由制作光纤的材料决定，在光纤分析中通常定义相对折射率差定义相对折射率差 ，通常单模光纤的，通常单模光纤的相对折射率差相对折射率差 满足满足 ，多模光纤的相对，多模光纤的相对折射率差折射率差 满足满足 。v 可见，可见

29、，是弱导光波导。，是弱导光波导。制作光纤的材料通常有高纯石英制作光纤的材料通常有高纯石英()()、多组分玻璃、多组分玻璃和有机聚合物等材料，详细情况参见和有机聚合物等材料，详细情况参见2.2节。节。12,n n222121()/2nnn0.003 0.010.01 0.0312nn121()/1nnn2SiO2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 2.1.2 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念阶跃折射率光纤分析的基本概念 1.子午线的数值孔径子午线的数值孔径v 在光纤中，光线有两种，一种是始终处在一个平面里，经在光纤中，光线有两种，一种是始终处在一个平面里，经过波导的中心轴线，

30、在光纤心与包层界面上作全反射，呈过波导的中心轴线，在光纤心与包层界面上作全反射，呈锯齿形，这种射线称为子午线，如图锯齿形，这种射线称为子午线，如图2.2(a)2.2(a)所示。所示。v 另一种光线不在同一平面里，不经过光纤的中心轴线，但另一种光线不在同一平面里，不经过光纤的中心轴线，但仍在光纤心与包层的界面上作全反射，这种光线的范围是仍在光纤心与包层的界面上作全反射，这种光线的范围是在边界面和焦散面之间，称为偏射线，如图在边界面和焦散面之间，称为偏射线，如图2.2(b)2.2(b)所示。所示。2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 子午线是平面曲线，偏射线是空间曲线。偏射线的极限子

31、午线是平面曲线，偏射线是空间曲线。偏射线的极限 是焦散面与心包层界面重合，这时偏射线称为螺旋线，是焦散面与心包层界面重合，这时偏射线称为螺旋线，如图如图2.2(c)2.2(c)所示。所示。图图2.2 2.2 子午线和偏射线子午线和偏射线2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念阶跃折射率光纤分析的基本概念v 光纤端面外侧是另外一种介质，一般是空气，其折射率光纤端面外侧是另外一种介质，一般是空气，其折射率为为 ，入射光线与光纤轴成，入射光线与光纤轴成 角，根据折射率定律，有角，根据折射率定律，有 (2.1)(2.1)v 只有当入射角只有当入射角

32、大于临界角大于临界角 时，光才在波导内作全反时，光才在波导内作全反 射，才可以形成导波，因此，射，才可以形成导波，因此，即，即 。为了得到导波，外面光线的入射角为了得到导波，外面光线的入射角 必须满足下式：必须满足下式：01i1isinsincos2nnnicicisin21/n n0n2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 (2.2)(2.2)v 即即 。v 可以激发导波的入射光线的最大角度可以激发导波的入射光线的最大角度 的正弦值即为数的正弦值即为数值孔径值孔径NA。v 一般情况下一般情况下 ，则数值孔径，则数值孔径 。数值孔径越大，则入射光线越容易进入光纤形成导波。此数值孔径越

33、大，则入射光线越容易进入光纤形成导波。此计算是依据子午线而进行的，偏射线需要修正。计算是依据子午线而进行的，偏射线需要修正。2211112i0001cossin1 sin1nnnnnnnn 22120sin nnnmax01n 22max12sinNAnn2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 2.1.2 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念阶跃折射率光纤分析的基本概念v 2 2偏射线偏射线v 入射光线入射光线 ，其方向单位矢量，其方向单位矢量 ，,为光线的方向余弦，即与坐标之间的夹角余弦。为光线的方向余弦，即与坐标之间的夹角余弦。入射到波导端面上的某一点入射到波导端面上的某一

34、点 ，。光线进入光纤后，在界面上进行全反射，每段射线光线进入光纤后，在界面上进行全反射，每段射线为为 ,，其单位矢为，其单位矢为 ,，这些射线不经过轴线。这些射线不经过轴线。0S0000sxyzLMNeeee0L0M0N000 xyxyee 22000 xy 123,SSSeee123,2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 在射线与界面的交点处设想一个平面与界面相切，这个平在射线与界面的交点处设想一个平面与界面相切，这个平面与光纤有一条切线，且与光纤轴线平行，每一个交点与面与光纤有一条切线，且与光纤轴线平行，每一个交点与轴线之间的距离为轴线之间的距离为 ,，反射时有如下，反射时有

35、如下规律：规律：v(1)(1)入射光线、反射光线和法线现在一个平面内，法线入射光线、反射光线和法线现在一个平面内，法线为为 ，用数学式子表示为，用数学式子表示为 (2.3)(2.3)v(2)(2)入射角等于反射角，用数学式子表示为入射角等于反射角，用数学式子表示为 (2.4)(2.4)123,mm+1()0SmSmmee+1()0SmSmmee 2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v(3)(3)若若 大于大于 ，则可以得到全反射，即，则可以得到全反射，即 (2.5)(2.5)v(4)(4)端面偏射线数值孔径端面偏射线数值孔径v 在光纤始端，什么样的射线在光纤始端，什么样的射线 能被

36、光纤捕获得以在光纤能被光纤捕获得以在光纤内作全反射传输呢？应用式内作全反射传输呢？应用式(2.5)(2.5)，当，当 时，可得时，可得ic22121mSmmnnne 0S0m 0 00012200L xM ynNAxy2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 由图由图2.3 2.3 可见，可见，。图图2.3 2.3 端面偏射线数值孔径端面偏射线数值孔径sinCBABcosTBCBcoscos sinTBCB TBABAB CB2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 若有全反射，则若有全反射，则 ，故，故 ，。从端面入射时，从端面入射时，偏射线的数值孔径为，偏射线的数值孔径

37、为 (2.6)(2.6)v 由于式由于式(2.6)(2.6)中中 11，故偏射线的数值孔径要比子午，故偏射线的数值孔径要比子午光线大。当光线大。当 时，偏射线成为螺旋光线。时，偏射线成为螺旋光线。sinc21sin/nncos2211(/)n ncos sin2211(/)n n001sinsinnn2212001sinsincosnnnncoscos02.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v2.1.3 2.1.3 阶跃折射率光纤的模式分析阶跃折射率光纤的模式分析v 在光纤中传输的光可视为经典的电磁波，光纤可看做是由在光纤中传输的光可视为经典的电磁波，光纤可看做是由纤心和包层组成的无

38、限长圆柱，则光纤中的电磁场形式：纤心和包层组成的无限长圆柱，则光纤中的电磁场形式：v 式中，式中，为光纤传输常数。不同的为光纤传输常数。不同的 所对应的电磁场在所对应的电磁场在横截面内的分布横截面内的分布 各不相同，称为光各不相同，称为光纤的模式。纤的模式。jj(,)(,)e(,)(,)ezzx y zx yx y zx yEEHH(,),(,)x yx yEH2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 1 1模式本征方程模式本征方程v 在直角坐标系下，展开麦克斯韦方程在直角坐标系下，展开麦克斯韦方程 得到得到(2.7)(2.7)0j,EHjHE?0y00j(a)j(b)jj(c)jj

39、(d)jj(e)jj(f)yxzyxzzxzzyzyxzxyEEHxyHHExyHHEyHHExHEHyEEHx 2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 经过变换后，得到经过变换后，得到 (2.8)(2.8)v 式式(2.8)(2.8)说明说明 满足亥姆霍兹方程，这是完全合理的。按满足亥姆霍兹方程，这是完全合理的。按上述相同的方法，令上述相同的方法，令 ，则可以得到与上述类似的，则可以得到与上述类似的关于关于 的方程，因此实际的模式可以有如下形式：的方程，因此实际的模式可以有如下形式：(2.9)(2.9)v 式中，式中，a,b 是任意常数；是任意常数；是是 x 方向线偏振模；方向线

40、偏振模；是是 y 方向线偏振模。方向线偏振模。222 22022()0yyyEEk nExxyE0yE xE12xzyzxyzxyzEEEEabHHHHHHEHxEyE2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 从以上两组线偏振模从以上两组线偏振模LP模中取一组，模中取一组，例如例如 。若光纤中折射率变化很小，二阶以上的变化率可以忽略，若光纤中折射率变化很小，二阶以上的变化率可以忽略，则有则有(0,;,)yzxyzEEHHH001jjxyyyzyzHEHEHxEEy 2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 因此，可以认为下述三种说法是一致的。因此，可以认为下述三种说法是一致

41、的。(1)(1)模式场中关于横坐标的二阶变化率趋于零。模式场中关于横坐标的二阶变化率趋于零。(2)(2)在边界上连续，在边界上连续，只有分量只有分量 ，这相当于，这相当于把电磁场看成标量，所以又称为标量近似。把电磁场看成标量，所以又称为标量近似。(3)(3)纤心和包层之间的折射率纤心和包层之间的折射率 变化很小，即变化很小，即1 1 为弱导光波导。所以，标量近似又称为弱导近似。在标量为弱导光波导。所以，标量近似又称为弱导近似。在标量近似下，两组线偏振模为近似下，两组线偏振模为 ,/yyEErxHHn,0,;0,xzyzEEH H0,;,0,yzxzE E HH2.1 2.1 光纤的结构与模式光

42、纤的结构与模式 电磁场的横向分量互相垂直，且成比例，类似于矢量法中电磁场的横向分量互相垂直，且成比例，类似于矢量法中的的TE,TM 模。在标量近似下，线偏振模仍然具有圆对称模。在标量近似下，线偏振模仍然具有圆对称性，即性，即 (2.10)(2.10)v 下面以一组线偏振模下面以一组线偏振模 为例，求解在圆柱为例，求解在圆柱坐标系下坐标系下 满足亥姆霍兹满足亥姆霍兹 方程：方程：(2.11)(2.11)在圆柱坐标系下，式在圆柱坐标系下，式(2.11)(2.11)是贝塞尔方程，是贝塞尔方程，是贝塞尔方是贝塞尔方程的解，为贝塞尔函数。程的解，为贝塞尔函数。j(,)()emyyE rE r 0,1,2

43、,m 0,;,0,yzxzE E HHyE222220i22dd10ddyyyEEmk nErrrryEyE2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 考虑到考虑到 在圆柱内的值必为有限，当在圆柱内的值必为有限，当 ,时，时，则则 (2.12)(2.12)式中，式中，A,BA,B为任意常数；为任意常数；为第一类贝塞尔函数；为第一类贝塞尔函数；为第二类变型（虚宗量）贝塞尔函数。为第二类变型（虚宗量）贝塞尔函数。v 因此，可求出其他场分量：因此，可求出其他场分量：(2.13)(2.13)yEr 0yE jjJ()e1(,)K()e 1mmymmAUE rBWJ()mUK()mWiijsin

44、j cosJ(,)J(,)e1(,)jsinj cosK(,)K(,)e 1mmmzmmmA UmUUaaEB WmWWaa2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 (2.14)(2.14)(2.15)(2.15)j0j0cosj sinJ(,)J(,)e1j(,)cosj sinK(,)K(,)e 1jmmmzmmmAUmUUaaHBWmWUaaxyHE jjJ(,)e1K(,)e 1mmmmAUBU2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 由边界条件确定关于由边界条件确定关于 的特征方程：的特征方程：(2.19)(2.19)式式(2.19)(2.19)是关于是关于 的特征

45、方程。的特征方程。v 利用贝塞尔函数的递推公式，可得利用贝塞尔函数的递推公式，可得 (2.20)(2.20)或或 (2.21)(2.21)这就是这就是LPLP模式的特征（本征）方程。模式的特征（本征）方程。J()K()J()K()mmmmUUWWUW11J()K()J()K()mmmmUUWWUW11J()K()J()K()mmmmUUWWUW2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式v 本征方程是超越方程，只能求数值解，解的步骤如下：本征方程是超越方程，只能求数值解，解的步骤如下：v(1)(1)根据光纤的心径根据光纤的心径 a、相对折射率、相对折射率 以及工作波长来确定归一化频率以及工

46、作波长来确定归一化频率V：(2.22)(2.22)v(2)(2)利用利用 或或 求解特征方程，求解特征方程，得到得到 U 或或 W，再由，再由 或或 得到得到 。v(3)(3)已知已知 U,W，可以确定可以确定A/B，即纤心内、外场之比。，即纤心内、外场之比。222121()/2nnn2222012112222aVk a nnnnn222UVW222WVU222201Uk n222201Wk n2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与模式 2 2截止条件和模式分类截止条件和模式分类v 对于某种模式，若对于某种模式，若W0，UV时，模式趋于截止，因此时，模式趋于截止，因此W0为截止条件。为截

47、止条件。是满足截止条件时的特征方程。是满足截止条件时的特征方程。v 可知可知 m=0时，截止频率为时，截止频率为0的模式是的模式是 ，是光纤的第，是光纤的第一个模式，称为基模；第二个模式是一个模式，称为基模；第二个模式是m=1时，由时，由 的第一个根的第一个根V=2.4048开始的，即开始的，即 模。因此当模。因此当V2.4048时，光纤内只有一种模式，即单模传输。时，光纤内只有一种模式，即单模传输。v 一个一个LPLP模式实际上是由模式实际上是由4 4个矢量模简并而成的。个矢量模简并而成的。1J()/J()0mmUUU01LP0J()0V 11LP2.1 2.1 光纤的结构与模式光纤的结构与

48、模式v 当归一化频率当归一化频率V V很大时，即很大时，即V时，可知此时时，可知此时U U趋向于某趋向于某个恒定值，则个恒定值，则W。在这种情况下，在这种情况下，LPmn 模的模的U 在在 和和 的两个根之间变化，其中归一的两个根之间变化，其中归一化传输常数定义为化传输常数定义为 (2.23)(2.23)v 标量近似的标量近似的LPLP模的归一化模的归一化 传输常数传输常数b b与与V V之间的关系之间的关系 如图如图2.42.4所示。所示。图图2.4 2.4 线偏振线偏振LPLP模的模的b b=f f(V V)关系图关系图1J()0mUJ()0mU 22022212(/)knbnn2.2 2

49、.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v 在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺。在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺。v 石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段，即光纤预制石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段，即光纤预制棒的制造和预制棒拉制光纤。棒的制造和预制棒拉制光纤。2.2.2 2.2.2 预制棒拉丝预制棒拉丝2 2.2.1 2.2.1 预制棒的制造方法预制棒的制造方法12.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v 2.2.1 2.2.1 预制棒的制造方法预制棒的制造方法v 预制棒的制造方法很多，常见的方法有：预制棒的制造方法很多，常见的方法有：外气相沉积法

50、外气相沉积法(OVPO)(OVPO)、气相轴向沉积法、气相轴向沉积法(VPAD)(VPAD)、改进的化学气相沉积法、改进的化学气相沉积法(MCVD)(MCVD)、等离子体激活化学气相沉积法、等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)(PCVD)。下面分别。下面分别加以介绍。加以介绍。v 1 1OVPOOVPO法法v OVPOOVPO法是法是 Corning Class Work 公司用于制造第一根损耗公司用于制造第一根损耗小于小于20 dB/km 的石英光纤的方法。该方法采用以下化学的石英光纤的方法。该方法采用以下化学反应：反应：2.2 2.2 光纤的材料、制作和光缆光纤的材料、制作和光缆v 以石