2020年第2章光纤通信参照模板课件.pptx
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- 2020 光纤通信 参照 模板 课件
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1、 2.1 概述概述 2.2 光线在光纤中的传输光线在光纤中的传输 2.3 光纤的波动理论光纤的波动理论 2.4 光纤的损耗特性光纤的损耗特性 2.5 光纤的色散特性及带宽光纤的色散特性及带宽 2.6 无源光器件无源光器件 1/30/20231/30/202312.1 概述概述 光纤光纤(Optical Fiber(Optical Fiber,OF)OF)就是用来导光的透明就是用来导光的透明介质纤维,一根实用化的光纤是由多层透明介质构介质纤维,一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的,一般可以分为三部分:折射率较高的纤芯、成的,一般可以分为三部分:折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层折
2、射率较低的包层和外面的涂覆层。1/30/20231/30/20232 纤芯:纤芯:折射率为折射率为n1,高纯,高纯少量掺杂少量掺杂以提高以提高 折射率。折射率。纤芯直径纤芯直径:单模:单模59m;多模50mp 包层:包层:折射率为折射率为n2(n1n2),高纯,高纯少量掺杂少量掺杂 以降低以降低折射率,折射率,使得光信号封闭在纤芯中传输使得光信号封闭在纤芯中传输.包层外径包层外径:125mp 涂覆层:涂覆层:包括一次涂覆层,缓冲层和二次涂覆层。包括一次涂覆层,缓冲层和二次涂覆层。厚度厚度100100 mm 一次涂覆层一次涂覆层:一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶:一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶
3、 缓冲层缓冲层:一般为性能良好的填充油膏一般为性能良好的填充油膏 二次涂覆层二次涂覆层:一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物:一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物 涂覆的作用是保护光纤,同时又增加光纤的机械强度与可弯曲性,涂覆的作用是保护光纤,同时又增加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起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。1/30/20231/30/20233 光缆的基本结构按缆芯组件的不同一般可以分为层绞式、骨架式、束管式和带状式四种。我国及欧亚各国用的较多的是传统结构的层绞式和骨架式两种。1/30/20231/30/20234传输损耗低高传输容量(带
4、宽、码率)易与系统元件的耦合机械稳定性高便于制造1/30/20231/30/20235按按工作波长工作波长短波长长波长按按折射率分布折射率分布阶跃型渐变型按按传输模式传输模式单模光纤多模光纤按按构成材料构成材料石英光纤塑料光纤按按用途用途一般传输光纤特种光纤1/30/20231/30/2023600.20.40.60.811.21.41.61.821.461.4651.47r/an(r)a=infinite-阶跃型光纤8 4 2 1 arar;n)ar(n)r(n/221121an1n2多模光纤的折射率多模光纤的折射率分布,决定光纤带分布,决定光纤带宽和连接损耗,单宽和连接损耗,单模光纤的折射
5、率分模光纤的折射率分布,决定工作波长布,决定工作波长的选择。的选择。1/30/20231/30/20237图2.1.4 阶跃多模光纤(a)、梯度多模光纤(b)及单模光纤(c)的分类特点1/30/20231/30/202382.2 光线在光纤中的传播光线在光纤中的传播射线理论的适用:射线理论的适用:当媒质的当媒质的几何尺寸远大于光波波长几何尺寸远大于光波波长时,光可以用一条表示光传播方向的几时,光可以用一条表示光传播方向的几何线来表示,这条几何线称光射线。何线来表示,这条几何线称光射线。用光射线研究光传播特性的方法称用光射线研究光传播特性的方法称为射线法。为射线法。1/30/20231/30/2
6、0239 光在均匀介质中是沿直线传播的,其传播速度为:光在均匀介质中是沿直线传播的,其传播速度为:v=c/n 式中:式中:c2.997105km/s,是光在真空中的传播速度;是光在真空中的传播速度;n是介质的折射率。是介质的折射率。常见物质的折射率:常见物质的折射率:空气空气 1.00027;水水 1.33;玻璃玻璃(SiO2)1.47;钻石钻石 2.42;硅硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介,反之称为光疏媒介折射率大的媒介称为光密媒介,反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同光在不同的介质中传输速度不同1/30/20231/30/202310光在真空中的传输速度C,同光在介质中的传
7、输速度v 的比值:;vcn 真空中波长,媒质中波长与光频之间的关系为:;fc;fvmnm真空与介质中的传播常数:;20k;n2 ;nkk01/30/20231/30/202311 光的反射定律:光的反射定律:当一束光线按某一角度射向一块平面镜时,它会从镜面按另一角度反跳出去。光的这种反跳现象叫做光的反射,射向镜面的光叫入射光,从镜面反跳出去的光叫反射光反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内,反射光线和入射光线处于法线的两侧,且反射角等于入射角:qin=qr1/30/20231/30/202312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 sin1
8、=n2 sin2光的折射定律光的折射定律 (Snell(Snell定律定律 ):):空气玻璃光从光密媒质折射到光疏媒质折射角大于入射角1/30/20231/30/202313n1(光密)n2(光疏)n2 (2)临界角临界角c:折射角为:折射角为90时的入射角时的入射角1/30/20231/30/202314图图2.2.1 子午光子午光线在阶线在阶跃光纤跃光纤中的传中的传输输2211qqsinnsinn在光纤芯包界面有:在光纤芯包界面有:在光纤端面有:在光纤端面有:1211110100190qqqqsinncosn)sin(nsinn将全反射条件代入上式可以得到将全反射条件代入上式可以得到:1/
9、30/20231/30/202315空气(n0=1)的最大入射角满足:所有以小于最大入射角投射到光纤端面的光线都将进入纤芯,并在纤芯所有以小于最大入射角投射到光纤端面的光线都将进入纤芯,并在纤芯包层界面上被内全反射。包层界面上被内全反射。1n2nmax0q10nLEDcq222100nnsinsinmaxqqmax0qmax0qmax0q称称 为最大接收角。说明只有小于为最大接收角。说明只有小于 的光线可以借助的光线可以借助纤芯包层界面的全反射而沿光纤轴传播。那些大于纤芯包层界面的全反射而沿光纤轴传播。那些大于 的光的光线将折射入包层而成为包层模式或泄漏到光纤之外线将折射入包层而成为包层模式或
10、泄漏到光纤之外 1/30/20231/30/202316;nnnsinNAmaxq2122210;nnnnnn1212122212相对折射率差相对折射率差1/30/20231/30/202317结论:结论:阶跃光纤是依据全反射原理将光波限制在纤芯中向前传播的。只有满足全反射条件的光射线才可在纤芯中形成导波。它们射入光纤端面的角度必须在最大射入角0max以内。1/30/20231/30/202318 渐变光纤的折射率分布一般采用抛物线型或平渐变光纤的折射率分布一般采用抛物线型或平方律型为佳方律型为佳 渐变光纤中的光线轨迹:渐变光纤中的光线轨迹:1/30/20231/30/202319 渐变光纤的
11、自聚焦现象减少模式色散:渐变光纤的自聚焦现象减少模式色散:近光纤轴线的射线有较短的路程,远离轴线的射线有较长的路程。但由于折射率分布n随r的增加而减小,又n=c/v,所以近轴处的光速度慢,路程短;远轴处的光速度快,路程远。合适的折射率分布可以使全部射线以同样的轴向速度在光纤中传输,对模式色散起到了均衡作用。例题例题2.2.1 p162.2.1 p161/30/20231/30/202320 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
12、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。1/30/20231/30/202321子午射线子午射线在单模光纤中的传播轨迹在单模光纤中的传播轨迹图2.2.2 斜射光线在阶跃光纤中的传输图2.2.3 梯度光纤中的光线轨迹实例1/30/20231/30/2023221。阶跃光纤中:n1=1.52,n2=1.49求:光纤在水中(n0=1.33)时的数值孔径;光纤在水中的最大入射光角。2。在空气中传输的光以 角入射到光纤端面芯径区域,其中 是光纤端面和入射光的夹角。在光纤界面,部分光束被反射,部分被折射,反射束和折射束互成90度。a.求光纤纤芯的折射率 b.如果光纤包层折射率n2
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