光線傳感技術(shù).ppt

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1、2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型2.1.1光纖結(jié)構(gòu)2.1.2光纖類型2.2光纖傳輸原理2.2.1幾何光學(xué)方法2.2.2光纖傳輸?shù)牟▌?dòng)理論2.3光纖傳輸特性2.3.1光纖色散2.3.2光纖損耗2.3.3光纖標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用2.4光纜2.4.1光纜基本要求2.4.2光纜結(jié)構(gòu)和類型2.4.3光纜特性2.5光纖特性測量方法2.5.1損耗測量2.5.2帶寬測量2.5.3色散測量2.5.4截止波長測量第2章光纖和光纜2.1光纖結(jié)構(gòu)和類型2.1.1光纖結(jié)構(gòu)光纖（OpticalFiber）是由中心的纖芯和外圍的包層同軸組成的圓柱形細(xì)絲。纖芯的折射率比包層稍高

2、，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯內(nèi)傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機(jī)械保護(hù)作用。設(shè)纖芯和包層的折射率分別為n1和n2，光能量在光纖中傳輸?shù)谋匾獥l件是n1>n2。圖2.1光纖的外形2.1.2光纖類型光纖種類很多，這里只討論作為信息傳輸波導(dǎo)用的由高純度石英（SiO2）制成的光纖。實(shí)用光纖主要有三種基本類型，突變型多模光纖（Step-IndexFiber,SIF）漸變型多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）單模光纖（Single-ModeFiber,SMF）相對(duì)于單模光纖而言，突變型光纖和漸變型

3、光纖的纖芯直徑都很大，可以容納數(shù)百個(gè)模式，所以稱為多模光纖圖2.2三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖圖2.3典型特種單模光纖(a)雙包層；(b)三角芯；(c)橢圓芯特種單模光纖最有用的若干典型特種單模光纖的橫截面結(jié)構(gòu)和折射率分布示于圖2.3，這些光纖的特征如下。雙包層光纖色散平坦光纖（DispersionFlattenedFiber,DFF）色散移位光纖（DispersionShiftedFiber,DSF）三角芯光纖橢圓芯光纖雙折射光纖或偏振保持光纖。主要用途：突變型多模

4、光纖只能用于小容量短距離系統(tǒng)。漸變型多模光纖適用于中等容量中等距離系統(tǒng)。單模光纖用在大容量長距離的系統(tǒng)。特種單模光纖大幅度提高光纖通信系統(tǒng)的水平1.55μm色散移位光纖實(shí)現(xiàn)了10Gb/s容量的100km的超大容量超長距離系統(tǒng)。色散平坦光纖適用于波分復(fù)用系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以把傳輸容量提高幾倍到幾十倍。三角芯光纖有效面積較大，有利于提高輸入光纖的光功率，增加傳輸距離。偏振保持光纖用在外差接收方式的相干光系統(tǒng)，這種系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)是提高接收靈敏度，增加傳輸距離。2.2光纖傳輸原理分析光纖傳輸原理的常用方法：幾何光學(xué)法麥克斯韋波動(dòng)方程法2

5、.2.1幾何光學(xué)方法幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)出發(fā)點(diǎn)?數(shù)值孔徑?時(shí)間延遲通過分析光束在光纖中傳播的空間分布和時(shí)間分布幾何光學(xué)法分析問題的兩個(gè)角度?突變型多模光纖?漸變型多模光纖圖2.4突變型多模光纖的光線傳播原理1.突變型多模光纖數(shù)值孔徑為簡便起見，以突變型多模光纖的交軸(子午)光線為例，進(jìn)一步討論光纖的傳輸條件。設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致，如圖2.4。光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯(n0

6、角度ψ1入射到包層(n1>n2)。改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理，存在一個(gè)臨界角θc。?當(dāng)θ<θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2.1)?當(dāng)θ=θc時(shí)，相應(yīng)的光線將以ψc入射到交界面，并沿交界面向前傳播(折射角為90°)，如光線2，?當(dāng)θ>θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。由此可見，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的

7、光束才能在光纖中傳播。根據(jù)這個(gè)傳播條件，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture,NA)。根據(jù)定義和斯奈爾定律NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°(2.2)n0=1，由式（2.2）經(jīng)簡單計(jì)算得到式中Δ=(n1-n2)/n1為纖芯與包層相對(duì)折射率差。NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)于無損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好;但NA越大，經(jīng)光

8、纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)畸變越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)實(shí)際使用場合，選擇適當(dāng)?shù)腘A。(2.3)時(shí)間延遲根據(jù)圖2.4，入射角為θ的光線在長度為L(ox)的光纖中傳輸，所經(jīng)歷的路程為l(oy)，在θ不大的條件下，其傳播時(shí)間即時(shí)間延遲為式中c為真空中的光速。由式(2.4