第二章光纤传输与导光原理

第二章光纤传输与导光原理

2．1 光波的本质

狭义地说，光是波长在380-780nm范围的可见光，但是，它又包含有红外线、紫外线，因此没有严格的界限。广义地讲，光是波长较电波短，频率较电波高的一种电磁波的总称。目前通信用光波是在近红外波和可见的红光波段，工作波长在λ＝0.80～1.65μm之间，或者说通信用光波的频率更高f＝1014～1015Hz。

所谓可见光是指人的眼睛可见的电磁波。人的眼睛可以感受到较长波长的光，如七色光—红橙黄绿青蓝紫，在可见光中，人眼最易感受的是555nm的黄绿光。绿色光的波长约为500nm，红色光的波长在700nm，紫色光的波长约为400nm，可见光波的范围在400nm—700nm 之间，波长小于380nm或大于780nm的光，无论光强度有多强，人的肉眼几乎不可能看得到。红外线是比可见红光的波长更长，比电波波长更短的光之总称。按照到可见光的排列顺序，可分为近红外线、红外线、远红外线三种。近红外线是人眼不可见光中最常用的光，它的性质同可见光几乎无大的区别。借助半导体材料（InGaAsP）、某些气体材料（CO2）或红宝石(α-Al2O3)可有效地发光、感光，广泛用于光通信领域；波长稍长的红外线，热作用最高，若利用黑体辐射，从远红外区到红外区范围的红外光将呈峰值效应，这种光对物质具有很强的穿透力，因此，多用于微波炉、取暖器等；远红外线到电波范围，电磁波中包含有许多分子的旋转运动、振动所对应的频率，这对材料结构与性能分析非常有用。紫外线是比可见光中的紫光波长更短的波，是不可见光，具有很强的杀菌作用。

2.1.1光的波粒二象性

光具有波粒二象性，即：波动性和粒子性。如上所述，光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，但黑体辐射、光电效应则证明光具有粒子性，所以既可以将光看成是一种电磁波，又可以将光看成是由光子组成的粒子流。

1．光的波动性

光波在均匀透明介质中传播的电磁场分布形式可用麦克斯韦波动方程的弱导近似式波动方程描述：

▽2H=[1/υ2][?2H/2?2t] （2-1-1）▽2E=[1/υ2][?2E/2?2t]

式中：E—电场强度；

H—磁场强度；

υ—均匀介质的波数，υ=1/(ｎε0μ)1/2=1/(ｎк0)1/2

▽2—二阶拉普拉斯算符。

2．光的粒子性

光是一种电磁波，用波动理论的观点可以正确地解释许多光学现象。但是像“光电效应”这种光学现象就不能用波动理论去解释。为了正确地解释光电效应现象，1905年爱因斯坦提出了光子假说并得到证实：光是一种以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子，或称为光量子。如果电子或原子从一个较高的能级E2跃迁到一个低能级E1时，两个能级间将存在着一个能量差Eg=E2-E1,这个能量差将以量子的能量形式释放，一个量子的能量称为光子。像所有运动的粒子一样，光也可以产生压力和引起粒子旋转。所以光可以用粒子数来描述。光的能量集中在光子之中。光子具有一定的频率，单频率光称为单色光，单色光的最小单位是光子。一个光子的能量可以用波尔能量方程描述：

?（2-1-3）Eg=hν

或ρ=h/λ (2-1-4) 式中：h—普朗克系数，6.626X10-34J·S；υ—光频；Eg—光子的能量；ρ—光子的动量。式（2-1-3）和(2-1-4)表示光的波动性参量υ、λ，与粒子性参量Eg、ρ间的关系。

光子能量也可以用爱因斯坦能量方程描述：

Eg=mc2 (2-1-5) 式中：m—光子质量;c—光速,C=1/[ε0εμ0]1/2；

ε0—真空介电常数；ε—介质介电常数；μ0—真空磁导率。

将光波的波长λ、频率f(υ)和波速V间的关系与（2-1-3）（2-1-4）、（2-1-5）联系并代入整理有：

?=hC/λ=mc2

Eg=hν

m=hυ/c2 (2-1-6) υ=mc2/h (2-1-7) λ=h/mc (2-1-8) 光子概念的提出意义是深刻的，它使人们对光的本质有了更进一步的认识，光不仅具有波动性，而且还具有粒子性，即光具有波粒二像性。

例2-1-1：现有一个氦氖激光二极管，其发出的光是波长在630nm的美丽红光，请问一个光子的能量是多大？质量是多少？若光能量为1mw,光源每秒可发射多少个光子？

解：一个波长为630nm光子的能量为：

?=hC/λ=(6.625X10-34X3X108)/630X10-9=3.15X10-19J

Eg=hν

一个波长为630 nm光子的质量：∵Eg=mc2

∴m=Eg/C2 =3.15X10-19/9X1016=3.5X10-28kg=3.5X10-25g

总能量：Et=PXt=1X10-3X1=1X10-3J

光子的数量：Et=EgXN

N=Et/Eg=(1X10-3)/(3.15X10-19)=3.17X1015（个）

相当于3.17千万亿个光子。

由此可知，一个光子所携带的能量非常小，而一束光是由一个拥有巨大光子数的光源发射得到的。

例2-1-2 ：如采用InGaAsP型半导体发光二极管作光源，其具有的能级距离是0.75eV,试问它可以发出什么色彩的光？（1eV=1.602X10-19J）

解：首先将单位统一：Eg=0.75X1.602X10-19=1.2X10-19J

?=hC/λ

∵ Eg=hν

∴λ=hC/Eg=3X108X6.625X10-34/1.2X10-19=16.5X10-7m=1650nm

所以发出的光是不可见光，是近红外光。

2.1.2均匀介质中的光波

激光是光波的一种形式，它与自然光比具有更好的方向性和高的干涉性，是一种相干光。光波的各种性质全部适用于激光。

相速度

根据电磁场理论可知，当电磁波在介质中传输时，电场和它产生的偶极子的相互作用程度可用相对介电常数εr表示。相速度定义为当电磁波在相对介电常数为εr的非磁电介质中传播的速度。相速度可表示为：

V=1/√εrε0μ0（2-1-12）相速度只代表电磁波的相位变化速度，并不代表电磁波能量传播的速度，因此又可以将相速度理解为电磁波中恒定相位点推进的速度。

V=dZ/dt=ω/β（2-1-13）

相速度可以与频率有关，也可以与频率无关，仅取决于相位常数β。

介质折射率：

介质折射率定义为光在自由空间的传播速度C与它在介质中的传播相速度V之比。

n=C/V=√εr （2-1-14）由式（2-1-13）可知介质折射率n与材料的相对介电常数εr有关。由于光在密集介质中传输更慢，密集介质具有较大的介质折射率。在非晶体材料中，如玻璃，材料结构具有各向同性，n与方向无关。在晶体中，原子的排列和原子间的结合在不同的方向互不相同，这种晶体（除立方晶系外）具有各向异性的特性。相对介电常数εr在不同的晶体方向上各不相同，因此介质折射率n在不同晶体方向也互不相同。

n x=√εrx （2-1-15）此时电磁波传输的相速度可表示为：

V x=C/n x（2-1-16）群速度：

实际工程应用中，很难存在纯的单色光。设有两个振幅为Am光波，它们的频率分别为ω+Δω和ω-Δω，在色散系统中传播的相位常数相差不大，可以用以下两式表示这两个波：E1=Eme j(ω+Δω)t e-j(β+Δβ)Z

E2=Eme j(ω-Δω)t e-j(β-Δβ)Z（2-1-17）合成波可表示为：

E=2 E m cos(Δωt-ΔβZ)e j(ωt-βZ)（2-1-18）两者相互作用的结果是产生一个光包络，即一个以中心频率ω的振荡场，其幅度被频率为Δω的低频电场调制，称为包络波（图2-1-3虚线）。群速度定义为包络波上某一恒定相位点推进的速度。它代表信号能量传播的速度。若已知包络波为2A m cos(Δωt-ΔβZ)，它的群速度应为：

Vg=dZ/dt=Δω/Δβ（2-1-19）当Δω<<ω时，上式可变为：

Vg=dω/dβ=1/[dβ/dω（2-1-20）利用（2-1-9）式，

Vg=dω/dβ=d(Vβ)/dβ=V+βdV/dβ=V+ω/V(dV/dω)Vg

由此可得:

Vg=V/[1-ω/V(dV/dω)] （2-1-21）当相速度不随频率变化时，dV/dω=0，Vg=V，群速度等于相速度。

群折射率：

玻璃材料中，折射率是波长的函数，即n=n(λ),相速度V与波长λ或传播常数β有关，V=C/n(λ)，β=2π/λ

则光波在介质中的群速度可表示为：

Vg=dω/dβ=C/(n-λdn/dλ) （2-1-22）令Ng=n-λdn/dλ,有：

Vg=C/Ng （2-1-23）定义Ng为介质的群折射率，它表示不同介质对群速度的影响

2.1.3光在均匀介质中的反射与折射特性

光波是电磁波又是由光子组成的粒子流。光波在空间是沿着直线传播的。当光波遇到两种不同介质的交界面时会发生反射和折射现象并遵循斯奈尔定律。

21

θ1=θ 2 （2-1-24）２．斯奈尔折射定律:

入射光在两种介质的界面发生折射时，折射光线位于入射光线和法线NN’所决定的平面内,折射光线和入射光线分居法线的两侧,入射角θ1和折射角Φ2有这样的关系: n1sinθ1=n2sinΦ2或

sinθ1/sinΦ2=n2/n1 （2-1-25）光产生折射的原因是由于光波在两种介质（n1，n2）中的传播速度发生了变化.假设:光在第一种介质中的传播速度为v1,在第二种介质中的传播速度v2,由式（2-1-12）可得：

n1/n2=v2/v1（2-1-26）由式（2-1-25）可得：

sinθ1/sinΦ2=v1/v2 （2-1-27）

当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，根据折射理论，折射角将大于入射角，当入射角θ1增大时，折射角也随之增大。当入射角增大到某一角度θC时，折射角Φ

2=900，折射角为900 时，对应的入射角θ

1称为临界角θC。这时折射定律变为：

sinθC/sin900=n1/n2

sinθC=n2/n1（2-1-28）当入射角θ1大于临界角θC时，即θ1>θC时，光由两种介质的界面按θ2=θ1的角度全部反射回第一种介质中，这种现象称为光的全反射。

光的全反射的物理概念可这样解释：当入射角θ1趋近临界角θC时，折射光的强度逐渐减弱，反射光的强度逐渐增大；当入射角θ1以非常接近于临界角θC时，折射光的强度非常弱，反射光的强度接近于入射光的强度；当入射角θ1大于临界角θC时，折射光消失，全反射发生，光能全部被反射回第一种介质中。

必须指出，只有当光从折射率大的介质入射到折射率小的介质时，才能产生全反射。例如：当光从玻璃入射到空气时能产生全反射，而当光从折射率小的空气入射到折射率大的玻璃时，就不能产生全反射现象。

古斯—汉森位移

在实际中，光的全反射现象是否如理论分析的那样？为验证这一结论正确与否，古斯和汉森两人在实验室作了一个非常精确的实验，他们精确的测定出反射光线的位置，发现情况并不是简单射线光学预见的那样，而是沿Z方向产生了一个位移ΔZ，反射平面变成了在稀？介质中的虚平面，如图2-1-7所示。ΔZ被称为古斯—汉森位移。古斯—汉森位移最早完全是实验发现的，后来从电磁波理论得以证明。这种现象可以理解为反射光线在全反射时产生了相位变化，相位的变化与入射角Φ1和穿透深度δ有关。由简单的几何光学可得：ΔZ=2δtanΦ1（2-1-29）式中：δ=1/α2

α2—电场进入介质2的衰减系数。α2=2πn2[（n1/n2）2sin2θ1-1]/λ

例2-1-3：已知一入射光的波长为λ=1μm，

入射角θ1=85°，从介质1向介质2中折

射，两种材料的折射率分别为n1=1.450，

n2=1.430，求当发生全反射时产生的古

斯—汉森位移是多少？图2-1-7古斯—汉森位移解：由已知条件可知，若要求出ΔZ的值，必须知道穿透深度δ和入射角θ1的值，这里入射角θ1是已知量，需求穿透深度δ：

δ=1/α2

α2=2πn2[（n1/n2）2sin2θ1-1]/λ=1.282

δ=1/α2=0.78μm

ΔZ=2δtanΦ1=2X0.78tan85°=18μm

2.2 多模光纤几何光学射线传输原理

光纤的在光纤中的传输原理可用二种不同的观点或理论分析，即：波动理论和几何光学射线理论。波动理论是分析光纤导光传输原理的基准理论,它是从说明电磁波行为的基本方程—-麦克斯韦方程组出发,求解满足初始条件的波动方程。这种分析方法适合于任何情况，能够精确地描述光纤传输特性。而几何光学射线理论是用几何光学的分析方法,将光看成是传播的“光线”,物理描述直观。

在进行几何光学理论研究中，要求一个前提条件，即只有当所考虑的传输空间或“光线”

的直径远大于該光波的波长,或者说只有在传输条件满足这样的要求：光波长λ→0，可以把它忽略时,才具有合理性，这也是光线的概念。

2.2．1光纤中光波的传播

1.多模光纤中光波的传播轨迹

所谓多模光纤即可以传播多种模式电磁波的光纤。目前，在通信领域最常用的多模光纤有两种类型：阶跃型多模光纤和梯度型多模光纤。根据光线在光纤中的传播轨迹，可以将多模光纤中传播的光线分为两类：子午光线和斜射光线，图2-2-1。

子午线和子午光线的传播

所谓子午线是指光线的中心轴线，它被称为子午线。在光纤中，子午线应与光纤中心轴线重合。而通过子午线的平面被称为子午面。光纤中通过子午线的平面有无数多个。因而子

2-2-1（b）所示，螺旋线可以是左旋也可以是右旋，而且与中心轴线是等距。在芯/包界面仍服从光线的反射、折射定律。在光传播中，斜射光线具有的光能量较少且在长距离的传播中多被损耗掉。

（b）

阶跃折射率多模光纤

渐变折射率多模光纤

（b）三种主要光纤

（a）光纤的结构

折射率分布

典型尺寸

（a）.阶跃型单模光纤光路图阶（b）.跃型多模光纤光路图（c）.梯度型多模光纤光路图图2-2-2 光纤中光波的传播轨迹

2.2.2阶跃型多模光纤中光波的传播原理及导光条件

我们首先来看阶跃型多模光纤中光波的传播情况。

1.子午光线的传播原理与条件

光通信系统传输的入射光线经光发射机--光纤端面入射进入光纤芯/包层后，包层所接收到的光能量很小，传播很短的距离即衰减掉了，可不考虑它的影响。而进入芯层的光线以子午光线和斜射光线两种形式向前传播。

首先我们来研究子午光线在芯/包界面上传播的情况。当光线传播到芯/包界面上时，将发生反射和折射现象，图2-2-3。一部分光被反射回芯层，一部分光被折射进包层，折射光在包层中由于损耗大，每折射一次能量就会损耗一些。在子午面内的子午光线要经过许许多多次的折射和反射，才能传输到输出端，不言而喻，这种情况下光不可能被传播很远，能量就会全部被消耗殆近。显然，这种情况是我们不希望的。为使光线传播距离能够很远，必须使光线在芯/包界面上不发生折射，也就是说光在芯/包界面上必须满足全反射的条件，才能保证光的传输。

2

图2-2-3 光线在芯/包界面上的反射和折射

由2.1光的全反射条件可知：只有当n1>n2，Φ2≥90°时，在芯/包界面上才会发生全反射。根据光在介质中的折射定律，光在芯/包界面上有：

n1sinΦ1 =n2sinΦ2（2-2-1）当Φ1=Φc时，Φ2=90°，上式可表示为：

sinΦc=n2/n1（2-2-2）当Φ2=90°时，芯/包界面上对应的入射角Φ1称为临界角，用Φc表示。这时对应的光纤入射端面上的入射角θi被称为临界孔径角，用θc表示。此时光纤端面上自光发射机（空气）入射的入射光与在光纤内的折射光有如下关系：

n0sinθ=n1sinΦ（2-2-3）由图2-2-3已知条件Φ=90°-Φ1 ，n0=1，Φ1=Φc并利用式（2-2-2）的结论，可得：sinθ=n1sin（90°-Φ1）=n1cosΦ1=n1cosΦc

sinθC=n1[1-(n22/n1)2]1∕2

=[n12-n22]1/2

=n1(2△)1∕2（2-2-4）式中：△—相对折射率差，△=（n1-n2）/n1，n1≈n2

（n12-n22）/n12=（n1+n2）（n1-n2）/n12

≈2 n1（n1-n2）/n12

=2（n1-n2）/n1

=2△

由此可知，若使子午光线在多模阶跃型光纤中以全反射形式向前传播，必须保证三点：（1）芯层折射率n1必须大于包层折射率n2，即：n1>n2。

（2）光线在芯/包界面上必须发生全反射，包层内折射光线的折射角大于或等于90°，则对应的芯层的入射光线的入射角Φ1必须大于或等于临界角Φc，即：Φ1≥Φc。

（3）对应光发射机—光纤入射端面上的入射光线的入射角θ（又称孔径角）必须小于或等于临界孔径角θc ，即：θ≤θc 。

因此，入射子午光线在多模阶跃型光纤中传播的条件是：n 1>n 2，Φ1≥Φc ，θ≤θc 。 且由此可以判断出，当光线自光纤一端入射进光纤时入射角将等于光线自光纤另一端输出的出射角。也就是说，光线从光纤端面入射光纤时，只有滿足θ≤θc 的光线才能在光纤中得到传播，而那些θ≥θc 光线，由于在芯包界面上产生折射，能量在多次折射后将被很快的衰减尽，不能在光纤中传播。可见，光纤端面的光线最大入射角θc （又称临界孔径角或最大接收角）是一个非常重要的参数，为描述光纤这种集光和传输光的能力与光线最大入射角θc 的关系，在这里引入一个物理量—数值孔径N ·A 。对光纤而言，这个最大的孔径角θc 只与光纤的折射率n 1 、n 2有关。因此，将它的正弦值定义为光纤的数值孔径NA ：

N ·A=sin θc =[n 12-n 22]1/2≈n 1(2△)1∕2 （2-2-5）

数值孔径N ·A 表示光纤所具有的收集光与耦合光、传导光的能力，是一个无量纲的量。.数值孔径是表示光纤接收光源光功率的能力和连接耦合难易程度的物理量，是多模光纤的重要传播参数之一。它等于光纤接收角的正弦值，取决于纤芯和包层最大折射率值.

2.2.

3.梯度型多模光纤的导光原理

阶跃型多模光纤模间色散很大，脉冲展宽严重，传输带宽很窄，限制了光纤通信系统的通信容量。为了尽量减小模式色散，人们设计了梯度折射率分布的光纤。与阶跃多模光纤一样，梯度光纤中的入射光线也分为子午光线和斜射光线两种，由于纤芯折射率分布是随光纤半径γ变化的，所以子午光线的传输轨迹不是曲折的直线而是圆滑曲线，如图2-2-2，光线的弯曲折射与反射遵循折射定律和反射定律。为分析梯度型多模光纤中光线的传播，采用级限逼近法，按照阶跃型多模光纤的分析思路作近似处理：将沿光纤半径γ方向连续变化的折射率分割成不连续的若干薄层且假设每一薄层的折射率是近似均匀的，那么，从第零层入射的光是以怎样的轨迹传播呢？

我们首先分析从第0层到光纤芯包界面附近各层的光线传播轨迹，然后推广到整个光纤。当光线从0层进入并向第1层传播时，在图2-2-5A 点上将发生折射现象，根据折射定律有：

0— 1层：n 0sin θ=n 1sin φ0=n 1cos φ1(φ0=90°-φ1)

光线进入第一层并向第二层折射，在B 点发生折射现象，并有：

1--2层：n 1sin φ1=n 2’sin φ2

光线继续向第三层折射，在C 点发生折射现象，有：

2—3层：n 2’sin φ2=n 3sin φ3

如此类推……

第i 层：n i sin φi =n i+1sin φi+1

……

第n 层：n n sin φn =n n+1sin φn+1

若当光线在第n 层满足全反射条件，则在这一层有：φn+1=90° ，φn =φC

n 1sin φ1= n n+1sin φn+1=n n+1

n 0sin θC = n 1（1- sin 2φ1）1/2

sin θC = n 1[1-( n n+1(r)/ n 1(0))2]1/2=)()0(221r n n n -

令N ·A th = sin θC = n 1[1-( n n+1(r)/ n 1(0))2]1/2=)()0(2

21r n n n - （2-2-12

图2-2-5梯度型多模光纤导光原理

式（2-2-12）中θC 表示光线在第n 层发生全反射时对应光纤端面入射光线的孔径角最大值，当入射角θi 小于θC 值时，光线将被闭锁在芯层中向前传播，而此时对应的N ·A th 被定义为局部数值孔径,它表示第n 层接收光的能力。

当Φn=Φc ≥90°时，光纤端面上光线的入射角θi 小于最大的孔径角θC ，芯包界面上的光线入射角φn 大于它的临界角φC ，光线开始向纤芯方向反射，从第n 层进入第n-1层，并在F 点发生折射，由折射率低的一层进入折射率高的一层，折射角开始变小，不再能发生全反射，当光线穿过光纤中心轴线进入对称的一层（0层）又开始由折射率高的进入折射率低的一层，当再次进入第n 层时，再次发生全反射，如此完成一个周期的循环。光线在多模梯度型光纤中不断重复上述的过程，不断向前传输，从而实现光传播目的。光线在光纤中的轨迹就近似抛物线。

若n 层为包层时，则有

n n sin φn =n b sin φ b

φb =90°，φn =φC

n 1sin φ1=n b sin φb =n b

n 0sin θC =n 1（1-sin 2φ1）1/2

sin θC =n 1[1-(n b/n 1)2]1/2=n n n n b 2

221221-=-=N ·A max （2-2-13） 称N ·A max 为光纤最大数值孔径。物理含义为可接收光波的光纤端面最大入射角正弦值，表示光纤接收光最大能力。可知，阶跃型光纤的局部数值孔径N ·A th 等于最大数值孔径N ·A max 。

在这里我们用数学函数式的形式来研究子午光线在梯度型多模光纤的传输轨迹问题： 首先设：初射子午光射线距光纤中心轴的距离是：r=γ0,z=0；

光线的初始状态为轴向角θ=θz0,n(γ0)=n 0,

根据折射定律在光纤上任一点G 上有（图2-2-6）：

n 0sin(90°-θz0)=n(r)sin(90°-θz)

n 0cos(θz0)=n(r)cos θz （2-2-14） 上式表示子午光线上任意一点的轴向角的余弦与该点折射率的积等于一个常数。 令N 0=cos θz0则：

n 0N 0= n(r)cos θz （2-2-15） 在传输的光射线轨迹上任取一个单元长度ds 则有：

dr dz ds 2

2+=

cos θz dr dz dz ds dz 22

+== （2-2-16）

将式（2-2-16）代入式2-2-15)中得：

n 0N 0 )()(22r n dz ds dz r n dr

dz +== （2-2-17） 对（2-2-17）进行整理得： dz=dr r N n n N n 2

020200)(- （2-2-18）

式（2-2-18）表示光射线变化规律的微分方程。当光纤的折射率分布n(r)及初始条件n 0,N 0给定时，对该方程进行积分就可以求出光射线在光纤中的光轨迹方程：

dr Z r

N n r n N ?-=020

20])([0 (2-2-19)

式(2-2-19)即为梯度型多模光纤中光波传输轨迹方程的数学表达式。

例子:设光纤的折射率分布为：n(γ)=n(0)sechAr=n(0)/cosA γ （A-常数） 将n(γ)代入积分式(2-2-19)并做相应的数学处理，可得：

dr A Z N n n N n ?-=202022

00

cos )0(γ

dr

Ar Ar

N n N n n ]/))0(cos [sin (2202020202--=?c Ar A

N n n N n +-=-}])0(/[sin {12/120202001sin

N n n N n Ar C Z A 2020200)0(sin )(sin -=- 由上式可知，子午光线的轨迹Z 是一个周期函数。设子午射线的空间周期长度为T=L,则有：

ω=2πf=A,f=ω/2π=A/2π,L=T=1/f=2π/A=2π/ω

因为A 是表示光纤折射率分布情况的参数，与光波初始入射条件无关，所以也与光纤的初始条件无关。这说明当光纤折射率分布为双曲正割函数时，不同初始入射条件的子午光线具有相同的轴向速度，所以可得到在光纤中自聚焦的光线,从而使子午光纤的色散达到最小。如果将双曲正割函数利用台劳公式进行级数展开，那么将会发现它与平方律分布相当接近。

n(γ)=n(0)sechAr

=n(0)[1-1/2(Ar)2+5/24(Ar)4+……]

≈n(0)[1-1/2(Ar)2]

=n 1[1-1/2(Ar)2] (2-2-24)

光纤的导光原理

光纤的导光原理 光就是一种频率极高的电磁波,而光纤本身就是一种介质波导,因此光在光纤中的传输理论就是十分复杂的。要想全面地了解它,需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。但作为一个光纤通信系统工作者,无需对光纤的传输理论进行深入探讨与学习。 为了便于理解,我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理,这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言,由于其几何尺寸远远大于光波波长,所以可把光波瞧作成为一条光线来处理,这正就是几何光学的处理问题的基本出发点。 ·5、1 全反射原理 我们知道,当光线在均匀介质中传播时就是以直线方向进行的,但在到达两种不同介质的分界面时,会发生反射与折射现象,如图5-1 所示。 图5-1 光的反射与折射 根据光的反射定律,反射角等于入射角。 根据光的折射定律: (公式5-1) 其中n1为纤芯的折射率,n2为包成的折射率。 显然,若n1>n2,则会有。如果n1与n2的比值增大到一定程度,则会使折射率,此时的折射率光线不再进入包层,而会在纤芯与包层的分界面上经过(),或者重返回到纤芯中进行传播()。这种现象叫光的全反射现象,如图5-2所示。 图5-2 光的全反射现象 人们把对应于折射角等于90的入射角叫做临界角,很容易可以得到临界角 。

不难理解,当光在光纤中发生全反射现象时,由于光线基本上全部在纤芯区进行传播,没有光跑到包层中去,所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就就是按这种思路进行设计的。 ·5、2光在阶跃光纤中的传播 传播轨迹了解了光的全反射原理之后,不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹,即按“之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过,如图5-3 所示。 图5-3 光在阶跃光纤中的传输轨迹 通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的能力。于就是产生了光纤数值孔径NA的概念。 因为光在空气的折射率n0=1,于就是多次应用光的折射率定律可得: (公式5--2) 其中,相对折射率差: (公式5--3) 因此,阶跃光纤数值孔径NA的物理意义就是:能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角θc之正弦值。 需要注意的就是,光纤的NA并非越大越好。NA越大,虽然光纤接收光的能力越强,但光纤的模式色散也越厉害。因为NA越大,则其相对折射率差Δ也就越大(见5--2 公式),以后就会知道,Δ值较大的光纤的模式色散也越大,从而使光纤的传输容量变小。因此NA 取值的大小要兼顾光纤接收光的能力与模式色散。CCITT建议光纤的NA=0、18--0、23。

光纤传光原理

11-2 光纤传光原理 一、教学目的 1．了解光的全反射原理 2．掌握光的全反射条件 3．了解光纤传光原理 二、教学重点难点 重点：光的全反射条件 难点：由折射定律计算临界角 三、教学器材 光具盘 四、教学建议 教法建议：多媒体演示光的全反射现象，讲解，讨论 教学设计方案： （一）多媒体课件演示引入新课 草叶上露珠在阳光下晶莹透亮；透过杯壁观察盛满水的玻璃杯水面，光灿如银；水或玻璃中的气泡显得特别明亮。 为什么会出现这一些现象呢？这些都是光的全反射引起的。 （二）引出课程内容 1．光的全反射 （1）通过下面的实验观察光发生了怎样的变化。 让一束光沿着半圆柱玻璃砖从玻璃射向空气。（见11-7图），这时可以同时看到反射光线和折射光线，这两条光线都比入射光线要弱。增大入射角，折射角也随之增大，这时折射光线 90，这时折射越来越弱，反射光线越来越强。当入射角增大到某一角度?时，折射角等于0 光线沿两种介质的界面传播。再增大入射角，折射光线消失，只剩下反射光线，光线全部反射回到玻璃中，如下图所示。此时的反射光线几乎与入射光线一样亮。 图 11-7：观察光的全反射现象 （2）光的全反射定义 90折射角的入射角?称为临入射光全部被反射回原介质的现象称为光的全反射。对应于0 界角。

(3) 光发生全反射必须具备的条件是： ①光从光密介质射向光疏介质； ②入射角大于临界角。 复习提问：什么叫光疏介质，什么叫光密介质？ 答：两种介质相比较，折射率较小的（或光传播速度较大的）称为光疏介质；折射率较大的（或光传播速度较小的）称为光密介质。光疏介质和光密介质是相对的。 记住：光的全反射现象只发生在光密介质内部，如果光线从光疏介质射入光密介质不会发生全反射。 （4）临界角的计算 同学们还记得上次课所学习的折射定律吗？（提问2到3名同学回答，并在黑板上写下折射定律表达式） 由折射定律可以计算临界角： 201 sin sin 90n n ?= 21 sin n n ?= (11—5) 若光从某介质n 射向真空(或空气)，则 2n =l 1sin n ?= 根据上式，只要知道某种介质的折射率n ，就可以求出它对真空(或空气)的临界角?。书上用表11—2为我们列出了几种介质对真空(或空气)的临界角。 （5）全反射技术的应用 全反射在生产技术中有着广泛的应用。用全反射棱镜可以制造潜望镜；利用光在光导纤维中的全反射传光、传像等更是当今世界上最先进的通信方式。 提问请同学们思考讨论： 全反射在生产技术中还有哪些广泛应用？ （6）例题讲解 例题1.某种玻璃的折射率1n =1.52，水的折射率2n =1．33，光线如何射人，可在界面发生全反射?临界角?多大? 解 因为玻璃相对水是光密介质，所以只有当光从玻璃射向水里时才可能发生全反射，得 201sin sin 90n n ?= 21sin n n ?==1.331.52 =0.875 临界角?=0/ 613

1,光纤通信简介与光纤的导光原理介绍。

什么是光纤通信 所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的。 要使光波成为携带信息的载体，必须对之进行调制，在接收端再把信息从光波中检测出来。然而，由于目前技术水平所限，对光波进行频率调制与相位调制等仍局限在实验室内，尚未达到实用化水平，因此目前大都采用强度调制与直接检波方式（IM-DD）。又因为目前的光源器件与光接收器件的非线性比较严重，所以对光器件的线性度要求比较低的数字光纤通信在光纤通信中占据主要位置。 典型的数字光纤通信系统方框图如图下所示。 从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，则LD 就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。 光纤的导光原理 光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传

输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤的传输 理论进行深入探讨与学习。 为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发 点。 全反射原理 我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图下所示。

光纤的导光原理

光纤的导光原理 光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤的传输理论进行深入探讨与学习。 为了便于理解，我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。 -全反射原理 我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的, 介质 的分界面时，会发生反射与折射现象，如图5-1所示。 （公式5-1） 其中n1为纤芯的折射率，n2为包成的折射率。 显然，若n1>n2,贝U会有F诗^1。如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射率?，此时的折射率光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上经过（: ），或者重返回到纤芯中进行传播（鬥応讣I朋|）。这种现象叫光的全反射 现象，如图5-2所示。 图5-2光的全反射现象 人们把对应于折射角◎等于90的入射角叫做临界角，很容易可以得到临界角 但在到达两种不同根据光的反射定律, 根据光的折射定律 : I 2=903 O

不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行 传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。 早期的阶跃光纤就是按 这种思路进行设计的。 -光在阶跃光纤中的传播 传播轨迹了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即 按 “之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图 5-3所示。 通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的能力。 于是产生 了光纤数值孔径NA 的概念。 因为光在空气的折射率nO=1,于是多次应用光的折射率定律可得: Sin? 为黒证去祖Jte 蚌中的全反射.则应心吗?％, H （公式5--2） 其中，相对折射率差: * 听 占 =T 1 （公式 5--3） 因此，阶跃光纤数值孔径 NA 的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行 传播的接收角B c 之正弦值。 需要注意的是，光纤的NA 并非越大越好。NA 越大，虽然光纤接收光的能力越 强，但光纤的模式色散也越厉害。因为 NA 越大，则其相对折射率差△也就越大（见 5--2公式），以后就会知道，△值较大的光纤的模式色散也越大，从而使光纤的传输 容量变小。因此NA 取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和模式色散。 CCITT 建议光 纤的NA=。 -光在渐变光纤中的传播 定性解释 图5-3光在阶跃光纤中的传输轨迹 = =

光纤结构和基本原理

光纤基本结构及原理 2011-08-16 12:04 2.6.1 光纤通信的概念与基本原理 多种多样的通信业务迫切需要建立高速率的信息传输网。在传输网，特别是骨干网中，高速数字通信的速率已迈向每秒G（109）比特级，正在向T（1012）比特级迈进。要实现这样高速的数字通信，依靠无线媒质或是以传统电缆为代表的有线媒质均是不可想象的。这一难题直到光纤作为一种传输媒质被人们发现之后才得以破解。光纤的潜在容量可达数百T，要比传统电缆的容量至少高出5个数量级。 纵观通信发展史，不难发现，人们一直在不断开拓电磁波的各个频段，把如何利用电磁波作为通信技术的重要研究方向。在大学物理课程中我们已经学到，光可以看作是可见光波段的电磁波。因此，开发光波作为通信的载体与介质是很自然的。在光通信的发展历史中，两大主要的技术难点是光源和传输介质。在上世纪60年代，美国开发了第一台激光器，相对于其他普通光源，激光器具有亮度高、谱线窄、方向性好的特点，可以产生理想的光载波。另一方面，激光如果在大气中传播，会受到变幻无常的气候条件的影响。因此人们设想利用可以导光的玻璃纤维——光纤进行长距离的光波传输。1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/1km的石英玻璃光纤，达到了实用水平。目前实用的光纤直径很小，既柔软又具有相当的强度，是一种理想的传输媒质。目前，在朗迅（Lucent）、北电（Nortel）、阿尔卡特（Alcatel ）、西门子（Siemens）等公司的实验室中，光纤传输技术已经达到数千公里无中继的先进水平。 光纤通信的定义：光纤通信是以光波为载频，光导纤维为传输媒介的一种通信方式。光纤通信一般在发送方对信息的数字编码进行强度调制，在接收端以直接检波的方式来完成光/电变换。 2.6.2 光纤的工作窗口 1．工作窗口的定义 光波可以看作是电磁波，不同的光波就会有不同的波长与频率。我们知道，透明的彩色玻璃之所以有颜色，是因为它只允许一种颜色的光波通过，而其他颜色的光波通过较少。石英光纤也具有类似的选择特性，对特定波长的光波的传输损耗要明显小于其它波长的光波，

第二章光纤传输与导光原理

第二章光纤传输与导光原理 2．1 光波的本质 狭义地说，光是波长在380-780nm范围的可见光，但是，它又包含有红外线、紫外线，因此没有严格的界限。广义地讲，光是波长较电波短，频率较电波高的一种电磁波的总称。目前通信用光波是在近红外波和可见的红光波段，工作波长在λ＝0.80～1.65μm之间，或者说通信用光波的频率更高f＝1014～1015Hz。 所谓可见光是指人的眼睛可见的电磁波。人的眼睛可以感受到较长波长的光，如七色光—红橙黄绿青蓝紫，在可见光中，人眼最易感受的是555nm的黄绿光。绿色光的波长约为500nm，红色光的波长在700nm，紫色光的波长约为400nm，可见光波的范围在400nm—700nm 之间，波长小于380nm或大于780nm的光，无论光强度有多强，人的肉眼几乎不可能看得到。红外线是比可见红光的波长更长，比电波波长更短的光之总称。按照到可见光的排列顺序，可分为近红外线、红外线、远红外线三种。近红外线是人眼不可见光中最常用的光，它的性质同可见光几乎无大的区别。借助半导体材料（InGaAsP）、某些气体材料（CO2）或红宝石(α-Al2O3)可有效地发光、感光，广泛用于光通信领域；波长稍长的红外线，热作用最高，若利用黑体辐射，从远红外区到红外区范围的红外光将呈峰值效应，这种光对物质具有很强的穿透力，因此，多用于微波炉、取暖器等；远红外线到电波范围，电磁波中包含有许多分子的旋转运动、振动所对应的频率，这对材料结构与性能分析非常有用。紫外线是比可见光中的紫光波长更短的波，是不可见光，具有很强的杀菌作用。 2.1.1光的波粒二象性 光具有波粒二象性，即：波动性和粒子性。如上所述，光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，但黑体辐射、光电效应则证明光具有粒子性，所以既可以将光看成是一种电磁波，又可以将光看成是由光子组成的粒子流。 1．光的波动性 光波在均匀透明介质中传播的电磁场分布形式可用麦克斯韦波动方程的弱导近似式波动方程描述： ▽2H=[1/υ2][?2H/2?2t] （2-1-1）▽2E=[1/υ2][?2E/2?2t] 式中：E—电场强度； H—磁场强度； υ—均匀介质的波数，υ=1/(ｎε0μ)1/2=1/(ｎк0)1/2 ▽2—二阶拉普拉斯算符。 2．光的粒子性 光是一种电磁波，用波动理论的观点可以正确地解释许多光学现象。但是像“光电效应”这种光学现象就不能用波动理论去解释。为了正确地解释光电效应现象，1905年爱因斯坦提出了光子假说并得到证实：光是一种以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子，或称为光量子。如果电子或原子从一个较高的能级E2跃迁到一个低能级E1时，两个能级间将存在着一个能量差Eg=E2-E1,这个能量差将以量子的能量形式释放，一个量子的能量称为光子。像所有运动的粒子一样，光也可以产生压力和引起粒子旋转。所以光可以用粒子数来描述。光的能量集中在光子之中。光子具有一定的频率，单频率光称为单色光，单色光的最小单位是光子。一个光子的能量可以用波尔能量方程描述： ?（2-1-3）Eg=hν

光纤导光的基本原理

光纤导光的基本原理 1. 光的全反射 根据光的反射定律，反射角等于入射角。而对应于折射角等于90的入射角叫做临界角，很容易可以得到临界角： 当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。 2. 光在阶跃光纤中的传播 阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀分布，是包层折射率，是纤芯折射率。假设图中的阶跃型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角。由前面分析已知光纤的临界角为： 数值孔径 NA ： 假设是n1包层折射率，n2是纤芯折射率,且n1＞ n2，n1和n2的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。n1约等于n2 对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为n(0),则相对折射率差定义为: )arcsin( 12n n c =θ22210sin n n NA -==θ2122 212n n n -=?121n n n -=?222 2)0(2)0(n n n -=?

得： 可见，光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若纤芯和包层的折射率差越大，NA 值就越大，即光纤的集光能力就越强。 对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因此渐变型光纤数值孔径定义为： 五个激光在生活中的应用案例 1. 公路无损检测 利用激光测距功能可以检测路面的断面特性，如平整度、构造深度、车辙、路面变形和裂缝等。平整度是行驶舒适性的重要指标，路面激光平整度仪应用激光测距及加速度传感器修正技术，在检测车高速行驶的过程中，通过测量路面的纵断面高程变化值，可直接计算出平整度。构造深度是路面宏观粗糙度指标，高速行驶时起抗滑作用，激光构造深度仪使用高精度激光位移传感器，通过检测该传感器与路面不同形状骨料间的深度，在显示器上直接读出路面的构造深度。车辙是车辆长时间在路面上行驶后留下的车轮永久压痕，路面车辙深度直接反映了车辆行驶的舒适度及路面的安全性和使用期限。路面激光车辙仪分为两类，一类为一个横梁上有多个激光测距仪，直接测试路面横断面高程并计算路面车辙深度；另一类为应用线激光和高速数字高分辨图像采集技术，通过获得的激光线的变形，计算路面车辙深度。路面激光视频病害检测系统，是应用三维成像激光束、强光或日光光源、高速数字摄像技术，检测分析路面变形和裂缝的设备。 2. 激光雷达 激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射机是各种形式的激光器，天线是光学望远镜，接收机采用各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多远探测器件等。激光雷达的作用是能够准确测量目标位置（距离和角度）、运动状态（速度、振动和姿态）和形状，探测、识别、分辨和跟踪目标。 3. 激光粒度仪 激光粒度仪是基于光衍射现象而设计的，当颗粒通过激光光束时，颗粒表面会衍射光，而衍射光的角度与颗粒的粒径成分享的变化关系，即大颗粒衍射光的角度小，小颗粒衍射光的角度大。也就是说，不同各大小的颗粒在通过激光光束时其衍射光会落在不同的位置，位置信息反映颗粒大小，如果同样大的颗粒通过激光光束时，其衍射光会落在相同的位置，即在该位置上的衍射光的强度叠加后就比较高，所以衍射光强度的信息反映出样品中相同大小的颗粒所占的百分比多少。这样，如果能够同时测量和获得衍射光的位置和强度的信息，就可得到粒度分布的结果 4. 激光焊接 ?=21n NA ?=-= 2)()()(222r n n r n r NA

光纤通信原理参考答案

光纤通信原理参考答案 第一章习题 1-1 什么是光纤通信 光纤通信是利用光导纤维传输光波信号的通信方式。 1-2 光纤通信工作在什么区，其波长和频率是什么 目前使用的通信光纤大多数采用基础材料为SiO2的光纤。它是工作在近红外区，波长为～μm，对应的频率为167～375THz。 1-3 BL积中B和L分别是什么含义 系统的通信容量用BL积表示，其含义是比特率—距离积表示，B为比特率，L为中继间距。 1-4 光纤通信的主要优点是什么 光纤通信之所以受到人们的极大重视，是因为和其他通信手段相比，具有无以伦比的优越性。主要有： (1) 通信容量大 (2) 中继距离远 (3) 抗电磁干扰能力强，无串话 (4) 光纤细，光缆轻 (5) 资源丰富，节约有色金属和能源。 光纤还具有均衡容易、抗腐蚀、不怕潮湿的优点。因而经济效益非常显着。 1-5 试画出光纤通信系统组成的方框图。 一个光纤通信系统通常由电发射机、光发射机、光接收机、电接收机和由光纤构成的光缆等组成。 1-5 试叙述光纤通信的现状和发展趋势。 略

第二章习题 2-1 有一频率为Hz 13 103?的脉冲强激光束，它携带总能量W=100J ，持续 时间是τ=10ns(1ns=10-9s)。此激光束的圆形截面半径为r=1cm 。 求： (1) 激光波长； (2) 平均能流密度； (3) 平均能量密度； (4) 辐射强度； （1）m c 5 13 81010 3103-=??==νλ （2）2132 29/1018.3) 10(1010100 ms J S W S ?=???=?= --πτ （3）s m J c S w 2 5813/1006.110 31018.3?=??== （4）2 13 /1018.3ms J S I ?== 2-2 以单色光照射到相距为0.2mm 的双缝上，双缝与屏幕的垂直距离为1m 。 （1） 从第一级明纹到同侧旁第四级明纹间的距离为7.5mm ，求单色光的波长； （2） 若入射光的波长为6×10-7m ，求相邻两明纹间的距离。 （1）λδk D ax ±== a D x λ=1 a D x λ44= a D x x λ 314=- m D x x a 7141053) (-?=-= λ （2）m a D x 3103-?==?λ

浅谈光纤导光原理

A n h u i Vo c a c t i o n a l& Te c h n i c a l C o l l e g e o f I n d u s t r y&Tr a d e 毕业论文 浅谈光纤导光的原理 The light guiding principle of optical fiber 所在系院：电气与信息工程系 专业班级：2012级电子信息工程技术1班 学生学号：2012240108 学生姓名：谢田田 指导教师：白志青 2015年04月20日

A n h u i Vo c a c t i o n a l& Te c h n i c a l C o l l e g e o f I n d u s t r y&Tr a d e 毕业设计说明书 浅谈光纤导光的原理 The light guiding principle of optical fiber 所在系院：电气与信息工程系 专业班级：2012级电子信息工程技术1班 学生学号：2012240108 学生姓名：谢田田 指导教师：白志青 2015年04月20日

毕业设计（论文）任务书 系（院）电气与信息工程系专业电子信息工程技术班级 2012级电子信息工程技术1班学生姓名谢田田学号 2012240108 一、题目：浅谈光纤导光原理 二、内容与要求： 内容：首先简要介绍光纤结构和分类的基础上，介绍光学特征包括折射率分布，数值孔径等。其次，用射线光学理论分析光纤的传输原理。然后介绍光学特性及传输特性，对光纤的损耗及色散特性进行讨论，传输特性主要是损耗级色散特性。最后讨论光纤是如何导光及光纤导光的原理。 要求：1.掌握射线光学理论分析光纤的导光原理； 2.理解导波光学的推导过程，掌握光纤单模传输条件的基本计算公式； 3.理解光纤损耗和色散的概念及其对光纤通信系统的影响； 4.了解单模光纤，多模光纤，色散位移光纤的概念； 5.掌握光纤通信系统传输特性测量的基本原理和方法，以及对光纤通信系 统基本参数的认识； 三、设计（论文）起止日期： 任务下达日期：年月日 完成日期：年月日 指导教师签名： 年月日四、教研室审查意见： 教研室负责人签名：

光纤的光传输原理是什么

光纤的光传输原理是什么？ 1. 光纤通信原理——简介光纤通信(Fiber-optic communication) ，也作光纤通讯。光纤通信是以光作为信息载体，以 光纤作为传输媒介的通信方式，首先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。光经过调变后便能携带资讯。自1980 年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信传输容量大，保密性好等优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。 2. 光纤通信原理——组成部分最基本的光纤通信系统由 光发信机、光收信机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。其中光发信机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光信号，光纤线路负责传输信号，而光收信机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。(1) 光发信机---------------------------------------- 由光源、驱动器和 调制器组成，实现电/光转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。(2) 光收信机由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的 光端机。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电 信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放 大到足够的电平，送到接收端的电端级去。(3) 光纤线路

-- 其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的 远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。 (4) 中继器---------------- 由光检测器、光源和判决再生电 路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。(5) 无源器件-- 包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、 光纤与光端机的连接及耦合。3.光纤通信原理光纤通信的原理就是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电 信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤经过光的全反射原理传送;在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。光纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射，使光线限制在纤芯中传输。光纤中有两种光线，即子午光线和斜射光线，子午光线是位于子午面上的光光线，而斜射光线是不经过光纤轴线传输的光线。下面以光线在阶跃光纤中传输为例解释光通信的原理。如图所示为阶跃型光纤，纤芯折射率为n1 ，包层的折射率为n2，且n1>n2，空气折射率为n0。在光纤内传输的子午光线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于Be时，才能保证光线在纤芯内产生多次反射，使光线沿光纤传输。然而，内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的光线进入纤芯中所产生折射角 B 2，因此，空气和

光纤的导光原理

光纤得导光原理 光就是一种频率极高得电磁波，而光纤本身就是一种介质波导,因此光在光纤中得传输理论就是十分复杂得。要想全面地了解它,需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面得知识。但作为一个光纤通信系统工作者,无需对光纤得传输理论进行深入探讨与学习。 为了便于理解,我们从几何光学得角度来讨论光纤得导光原理,这样会更加直观、形象、易懂。更何况对于多模光纤而言,由于其几何尺寸远远大于光波波长,所以可把光波瞧作成为一条光线来处理，这正就是几何光学得处理问题得基本出发点。 ·5、１全反射原理 我们知道,当光线在均匀介质中传播时就是以直线方向进行得,但在到达两种不同介质得分界面时,会发生反射与折射现象,如图5-1 所示。 图5-1 光得反射与折射 根据光得反射定律,反射角等于入射角。 根据光得折射定律: (公式5－1) 其中n1为纤芯得折射率,n2为包成得折射率。 显然，若n1>n2,则会有。如果n1与n2得比值增大到一定程度,则会使折射率，此时得折射率光线不再进入包层，而会在纤芯与包层得分界面上经过(）,或者重返回到纤芯中进行传播（)。这种现象叫光得全反射现象,如图5－2所示。 图5－2 光得全反射现象 人们把对应于折射角等于90得入射角叫做临界角,很容易可以得到临界角。 不难理解,当光在光纤中发生全反射现象时,由于光线基本上全部在纤芯区进行传播,没有光跑到包层中去,所以可以大大降低光纤得衰耗。早期得阶跃光纤就就是按这种思路进行设计得。 ·5、2光在阶跃光纤中得传播 传播轨迹了解了光得全反射原理之后,不难画出光在阶跃光纤中得传播轨迹，即按“之”之形传播及沿纤芯与包层得分界面掠过,如图5-3 所示。 图5-３光在阶跃光纤中得传输轨迹 通常人们希望用入射光与光纤顶端面得夹角来衡量光纤接收光得能力。于就是产生了光纤数值孔径ＮA得概念。 因为光在空气得折射率ｎ0＝1,于就是多次应用光得折射率定律可得:

光传输通信基本原理(完整资料).doc

【最新整理，下载后即可编辑】 第一部分光传输通信基本原理 第一章、光纤通信原理 第一节、光纤通信的概念 一、光纤通信的概念 光纤通信概念：利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。典型的光纤通信系统方框图如下： 模拟信息模拟信息 数字光纤通信系统方框图 从图中可以看出，数字光纤通信系统基本上由光发送机、光纤与光接收机组成。发送端的电端机把信息（如话音）进行模/数转换，用转换后的数字信号去调制发送机中的光源器件LD，则LD就会发出携带信息的光波。即当数字信号为“1”时，光源器件发送一个“传号”光脉冲；当数字信号为“0”时，光源器件发送一个“空号”（不发光）。光波经低衰耗光纤传输后到达接收端。在接收端，光接收机把数字信号从光波中检测出来送给

电端机，而电端机再进行数/模转换，恢复成原来的信息。就这样完成了一次通信的全过程。其中光发送机的调制方式有两种：直接调制也称内调制（一般速率小于等于2.5GB/S时）；间接调制也称外调制（一般速率大于2.5GB/S时）。 二、光纤通信的特点 1、通信容量大 2、中继距离长 3、保密性能好 2、适应能力强 5、体积小、重量轻、便于施工和维护 6、原材料来源丰富，潜在的价格低廉 第二节、光纤的导光原理 一、全反射原理 我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图2.5所示。 图2.5 光的反射与折射 根据光的反射定律，反射角等于入射角。 根据光的折射定律：

n Sin n Sin 1222θθ= （2.2） 其中n 1为纤芯的折射率，n 2为包层的折射率。 显然，若n 1>n 2，则会有θ2>θ1。如果n 1与n 2的比值增大到一定程度，则会使折射角θ2≥90°，此时的折射光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上掠过（θ2=90°时），或者重返回到纤芯中进行传播（θ2>90°时）。这种现象叫做光的全反射现象，如图2.6所示。 θ2=90 图：光的全反射现象 人们把对应于折射角θ2等于90°的入射角叫做临界角。很容易可以得到临界角θK Sin n n =-12 1。 不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去，所以可以大大降低光纤的衰耗。早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。 第三节、光纤与光缆基本概念 一、光纤的结构 光纤呈圆柱形，由纤芯（直径约9-50um ）、包层（直径约125um ）与涂敷层（直径约1.5cm ）三大部分组成，如下图：

光纤的光传输原理是什么

光纤的光传输原理是什么？ 1.光纤通信原理——简介光纤通信(Fiber-optic communication)，也作光纤通讯。光纤通信是以光作为信息载体，以光纤作为传输媒介的通信方式，首先将电信号转换成光信号，再透过光纤将光信号进行传递，属于有线通信的一种。光经过调变后便能携带资讯。自1980年代起，光纤通讯系统对于电信工业产生了革命性，同时也在数位时代里扮演非常重要的角色。光纤通信传输容量大，保密性好等优点。光纤通信现在已经成为当今最主要的有线通信方式。 2.光纤通信原理——组成部分最基本的光纤通信系统由光发信机、光收信机、光纤线路、中继器以及无源器件组成。其中光发信机负责将信号转变成适合于在光纤上传输的光 信号，光纤线路负责传输信号，而光收信机负责接收光信号，并从中提取信息，然后转变成电信号，最后得到对应的话音、图象、数据等信息。(1)光发信机----由光源、驱动器和调制器组成，实现电/光转换的光端机。其功能是将来自于电端机的电信号对光源发出的光波进行调制，成为已调光波，然后再将已调的光信号耦合到光纤或光缆去传输。(2) 光收信机----由光检测器和光放大器组成，实现光/电转换的光端机。其功能是将光纤或光缆传输来的光信号，经光检测器转变为电信号，然后，再将这微弱的电信号经放大电路放

大到足够的电平，送到接收端的电端级去。(3)光纤线路----其功能是将发信端发出的已调光信号，经过光纤或光缆的远距离传输后，耦合到收信端的光检测器上去，完成传送信息任务。(4)中继器----由光检测器、光源和判决再生电 路组成。它的作用有两个：一个是补偿光信号在光纤中传输时受到的衰减;另一个是对波形失真的脉冲进行整形。(5)无源器件----包括光纤连接器、耦合器等，完成光纤间的连接、光纤与光端机的连接及耦合。3.光纤通信原理光纤通信的原理就是：在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电 信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，并通过光纤经过光的全反射 原理传送;在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。光通信正是利用了全反射原理，当光的注入角满足一定的条件时，光便能在光纤内形成全反射，从而达到长距离传输的目的。光纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射，使光线限制在纤芯中传输。光纤中有两种光线，即子午光线和斜射光线，子午光线是位于子午面上的光光线，而斜射光线是不经过光纤轴线传输的光线。下面以光线在阶跃光纤中传输为例解释光通信的原理。如图所示为阶跃型光纤，纤芯折射率为n1，包层的折射率为n2，且n1>n2，空气折射率为n0。在光纤内传输的子午光线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入