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一、光纖的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型及其傳光原理 1.光纖的結(jié)構(gòu)與類(lèi)型

        光纖(OpticFiber)是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱(chēng)，它能夠?qū)⑦M(jìn)入光纖一端的光線傳送到光纖的另一端。光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)柱體光學(xué)纖維，它一般由纖芯、包層、涂覆層與護(hù)套層構(gòu)成，如圖5-1所示。

圖5-1     光纖結(jié)構(gòu)示意圖

       纖芯與包層是光纖的主體，對(duì)光波的傳播起著決定性作用。纖芯多為石英玻璃，直徑一般為5?75μm,材料主體為二氧化硅，其中摻雜其他微量元素，以提高纖芯的折射率。包層直徑很小，一般為100?200μm,其材料主體也為二氧化硅，但折射率略低于纖芯。涂覆層的材料一般為硅酮或丙烯酸鹽，主要用于隔離雜光。護(hù)套的材料一般為尼龍或其他有機(jī)材料，用于提高光纖的機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。一般，沒(méi)有涂覆層和護(hù)套的光纖，則稱(chēng)為裸纖。

        光纖的種類(lèi)很多，從不同的角度出發(fā)，有不同的分類(lèi)。一般，有以下四種分類(lèi)。 

       (1)按光纖材料可分七種：石英系光纖、多組分玻璃光纖、氟化物光纖、塑料光纖、液芯光纖、晶體光纖、紅外材料光纖。

       (2)按光纖橫截面上折射率的分布可分二類(lèi)：階躍型(突變型)光纖、梯度型(自聚焦或漸變型)光纖。

階躍光纖及其纖芯折射率徑向分布如圖5-2(a)所示，在纖芯和包層兩種介質(zhì)內(nèi)部，折射率均勻分布，即加、均為常數(shù)，因此在纖芯與包層的分界處折射率產(chǎn)生階躍變化。梯度光纖的纖芯折射率沿徑向呈非線性規(guī)律遞減，故亦稱(chēng)漸變折射率光纖。圖5-2(b)為一種常見(jiàn)的梯度光纖及其折射率徑向分布。

圖5-2    光纖纖芯折射率徑向分布示意圖

       (3)按傳輸模式多少可分二類(lèi)：?jiǎn)文９饫w與多模光纖，其示意圖如圖5-3所示。光纖中傳播的模式就是光纖中存在的電磁場(chǎng)場(chǎng)形或者光場(chǎng)場(chǎng)形(HE)。其各種場(chǎng)形，都是光波導(dǎo)中經(jīng)過(guò)多次的反射和干涉的結(jié)果，而各種模式是離散的。由于駐波才能在光纖中穩(wěn)定的存在，它的存在反映在光纖橫截面上就是各種形狀的光場(chǎng)，即各種光斑。如果是一個(gè)光斑，我們稱(chēng)這種光纖為單模光纖(SingleMode),它只傳輸主模，也就是說(shuō)光線只沿光纖的內(nèi)芯進(jìn)行傳輸。由于單模光纖完全避免了模式色散，從而使得它的傳輸頻帶很寬，因而適用于大容量、長(zhǎng)距離的光纖通信。一般，單模光纖使用的光波長(zhǎng)為1310nm或1550nm0圖5-3所示的單模光纖光線軌跡圖。

圖5-3單模與多模guangqian光纖示意圖

若為兩個(gè)以上光斑，我們稱(chēng)它為多模光纖(MultiMode),即它有多個(gè)模式在光纖中傳輸。由于色散或像差的關(guān)系，這種光纖的傳輸性能較差，頻帶比較窄，傳輸容量也比較小，所以傳輸距離比較短。如圖5-3所示的多模光纖光線軌跡圖。

       (4)按光纖工作波長(zhǎng)可分三種：0.8?0.9呻的短波長(zhǎng)光纖、1-1.7gm的長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖、2gm以上的超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。

       由于光纖的材料與制造工藝的不同，使光在光纖中傳輸時(shí)會(huì)有一定的衰減，其衰減量一般用dB/km表示。而不同波長(zhǎng)的光，在光纖中傳播時(shí)造成的衰減是不一樣的。光波長(zhǎng)與傳輸損耗的關(guān)系如圖5-4所示，由圖可知，在以納米(nm)表示波長(zhǎng)的一些特定點(diǎn)上，其光的衰減最小。因此,光纖通信中常用的光波長(zhǎng)，一般選用使光衰減量最小的850nm、1300nm及1550nm等波長(zhǎng)。

圖5-4  光波波長(zhǎng)與傳輸損耗的關(guān)系

       對(duì)于階躍光纖，由于纖芯與包層的折射率均為常數(shù)，因此光在光纖內(nèi)的傳播途徑為折線，如圖5-5所示。

圖5-5光在光纖內(nèi)的傳播

假設(shè)纖芯的折射率為n1,包層的折射率為n2,由折射定律可知，在纖芯與包層分界處，入射角θ1與折射角θ2存在如下關(guān)系