1、 光导纤维传输原理及特性 1 2第1章 光导纤维传输原理及特性 n1.1 概述（光纤光缆的结构）n1.2 光学基本理论n1.3 光纤光传输理论n1.4 光纤的特性参数n1.5 光缆的特性参数n1.6 光纤光缆性能测试技术31.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤定义定义: :光纤是光导纤维的简称。狭义的说，光纤是一种光纤是光导纤维的简称。狭义的说，光纤是一种约束光并传导光的多层同轴圆柱实体介质光波导，又称约束光并传导光的多层同轴圆柱实体介质光波导，又称光介质传输线。光介质传输线。作用作用: :光纤的主要作用是传导光，将传输的光信号从一光纤的主
2、要作用是传导光，将传输的光信号从一地如实地传到另一地，实现光信号的长距离异地传输。地如实地传到另一地，实现光信号的长距离异地传输。41.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤光纤典型结构：光纤典型结构：图1-1 光纤典型结构51.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（1 1）裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易）裸光纤的主要成分为二氧化硅，它是一种脆性易碎材料，抗弯曲性能差，韧性差，为提高光纤的微弯性碎材料，抗弯曲性能差，韧性差，为
3、提高光纤的微弯性能，涂覆一层高分子涂层。能，涂覆一层高分子涂层。61.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（2 2）阻止水分子与）阻止水分子与SiOSiO键接触键接触71.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（3 3）裸光纤与空气中的水分子发生反应生成羟基，羟）裸光纤与空气中的水分子发生反应生成羟基，羟基是光纤固有吸收衰减的主要成因。为降低光纤的吸收基是光纤固有吸收衰减的主要成因。
4、为降低光纤的吸收衰减必须涂高分子材料阻止水份的侵入。衰减必须涂高分子材料阻止水份的侵入。81.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤裸光纤涂覆高分子材料的原因：裸光纤涂覆高分子材料的原因：（4 4）二氧化硅是一种脆性易碎材料，如将若干根这样）二氧化硅是一种脆性易碎材料，如将若干根这样的裸光纤集束成一捆，相互间极易产生磨损，导致光纤的裸光纤集束成一捆，相互间极易产生磨损，导致光纤表面损伤而影响光纤的传输性能。为防止这种损伤采取表面损伤而影响光纤的传输性能。为防止这种损伤采取的有效措施就是在裸光纤表面涂一层高分子材料。的有效措施就是在裸光纤表面涂一
5、层高分子材料。91.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.1 1.1.1 光纤光纤光纤的基本结构：光纤的基本结构：光纤的基本结构主要根据一次涂层与二次光纤的基本结构主要根据一次涂层与二次涂层的相对位置划分。涂层的相对位置划分。通常有三种：通常有三种：紧套结构、松套结构、紧套结构、松套结构、带状结构。带状结构。图1-2 光纤的三种基本结构101.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆定义定义: : 光缆是由若干根这样的光纤经一定方式绞合、成光缆是由若干根这样的光纤经一定方式绞合、成缆并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。缆
6、并外挤保护层构成的实用导光线缆制品。作用作用: :光缆内的加强件及外保护层等附属材料的作用主光缆内的加强件及外保护层等附属材料的作用主要是保护光纤并提供承缆、敷设、储存、运输和使用要要是保护光纤并提供承缆、敷设、储存、运输和使用要求的机械强度、防止潮气及水的侵入及环境、化学的侵求的机械强度、防止潮气及水的侵入及环境、化学的侵蚀和生物体啃咬等。蚀和生物体啃咬等。111.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆光缆的基本组成：光缆的基本组成： 缆芯缆芯 护套护套内护套铠装层外护层121.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）护套的类
7、型有四种：护套的类型有四种：（1 1）. .金属护套金属护套（2 2）. .橡塑护套橡塑护套（3 3）. .组合护套组合护套（4 4）. .特种护套特种护套131.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆光缆常用七种护套类型：光缆常用七种护套类型：（1 1）PEPE护套；护套；（2 2）PVCPVC护套；护套；（3 3）铝）铝/ /聚乙烯综合护套（聚乙烯综合护套（LAPLAP）；）；（4 4）皱纹钢带纵包护套；）皱纹钢带纵包护套；（5 5）LAPLAP钢带绕包护套；钢带绕包护套；（6 6）LAPLAP钢带铠装护套；钢带铠装护套；（7 7）LAPL
8、AP钢絲铠装护套。钢絲铠装护套。141.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆光缆的基本结构：光缆的基本结构： 按照光缆缆芯结构的不同可将光缆分为四种：按照光缆缆芯结构的不同可将光缆分为四种：（1 1）层绞式光缆）层绞式光缆（2 2）骨架式光缆）骨架式光缆（3 3）中心管式光缆）中心管式光缆（4 4）带状式光缆）带状式光缆151.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆（1 1）层绞式光缆）层绞式光缆161.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆（
9、2 2）骨架式光缆）骨架式光缆171.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆（3 3）中心管式光缆）中心管式光缆181.1 1.1 概述（光纤光缆的结构）概述（光纤光缆的结构）1.1.2 1.1.2 光缆光缆（4 4）带状式带状式光缆光缆外护层金属加强件塑料绕包带带状光纤单元带状线光纤塑料191.2 1.2 基本理论基本理论1. 1. 2 21 1 光波的本质光波的本质 狭义地说，光是波长在狭义地说，光是波长在380-780nm380-780nm范围的可见光，范围的可见光，但是，它又包含有红外线、紫外线，因此没有严格的界但是，它又包含有红外线、
10、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，工作波长在的红光波段，工作波长在0.800.801.65m1.65m之间，或之间，或者说通信用光波的频率更高者说通信用光波的频率更高f f1010141410101515HzHz。201.2 1.2 基本理论基本理论1.1.2 2. .1 1光的波粒二象性光的波粒二象性 光具有波粒二象性，即：波动性和粒子性。如上所光具有波粒二象性，即：波动性和粒子性。如上所述，光的干涉
11、、衍射现象说明光具有波动性，但黑体辐述，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成是一种电磁波，又可以将光看成是由光子组成的粒子流。流。211.2 1.2 基本理论基本理论1.1.2 2. .1 1.1.1光的波动性光的波动性 221.2 1.2 基本理论基本理论1.1.2 2. .1 1. .2 2光的粒子性光的粒子性 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。但是像多光学现象。但
12、是像“光电效应光电效应”这种光学现象就不能用波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，动理论去解释。为了正确地解释光电效应现象，19051905年爱因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从一个较高的能级E2E2跃迁到一个低能级跃迁到一个低能级E1E1时，两个能级间将时，两个能级间将存在着一个能量差存在着一个能量差Eg=E2-E1,Eg=E2-E1,这个能量差将以量子的能量形这个能
13、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，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，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。单频率光称为单色光，单色光的最小单位是光子。231.2 1.2 基本理论基本理论1.1.2 2. .1 1. .2 2光的粒子性光的粒子性 一个光子的能量可以用波尔能量方程描述：一个光子的能量可以用波尔能量方程描述：241.
14、2 1.2 基本理论基本理论1.1.2 2. .1 1. .2 2光的粒子性光的粒子性 251.2 1.2 基本理论基本理论1.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.1 1.2.2.1 三个基本定律三个基本定律（1 1） 光线在均匀介质中按直线传播，称直线传播定光线在均匀介质中按直线传播，称直线传播定律。律。其传播速度为：其传播速度为： v=c/nv=c/n 式中：式中：c c2.997102.997108 8m/sm/s，是光在真空中的传播速，是光在真空中的传播速度；度；n n是介质的折射率。是介质的折射率。 261.2 1.2 基本理论基本理论（
15、1 1） 光线在均匀介质中按直线传播，称直线传播定律。光线在均匀介质中按直线传播，称直线传播定律。 常见物质的折射率：常见物质的折射率：空气空气 1.000271.00027；水水 1.331.33； 玻璃玻璃 (SiO(SiO2 2) 1.47) 1.47； 钻石钻石 2.422.42；硅硅 3.53.5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271.2 1.2 基本理论基本理论1.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.1 1.2.2.1 三个基
16、本定律三个基本定律（2 2） 来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持原来自不同方向的光线在介质中相遇后，各保持原来的传播方向继续传播，这就是光的独立传播定律。来的传播方向继续传播，这就是光的独立传播定律。（3 3） 光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反光在两种各向同性、均匀介质分界面上要发生反射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光射和折射。即一部分光能量反射回原介质，另一部分光能量折射入另一介质。能量折射入另一介质。281.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 1.2.2.2 光的反射和折射光的反射和折射291.1.2 2.2
17、.2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 1.2.2.2 光的反射和折射光的反射和折射（1 1）. .斯奈尔反射定律斯奈尔反射定律: : 入射光在两种介质的界面发生反射时，反射光线位入射光在两种介质的界面发生反射时，反射光线位于入射光线和法线于入射光线和法线NNNN所决定的平面内所决定的平面内, ,反射光线和入反射光线和入射光线分居法线的两侧射光线分居法线的两侧, ,反射角反射角3 3等于入射角等于入射角1 1, ,即：即： 1 1=3 3301.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 1.2.2.2 光的反射和折射光的
18、反射和折射（）斯奈尔折射定律斯奈尔折射定律: : 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于入射光线和法线NNNN所决定的平面内所决定的平面内, ,折射光线和入折射光线和入射光线分居法线的两侧射光线分居法线的两侧, ,入射角入射角1 1和折射角和折射角2 2有这样的有这样的关系关系: : n n1 1sinsin1 1=n=n2 2sinsin2 2或或 sinsin1 1/sin/sin2 2=n=n2 2/n/n1 1 311.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 1.2.2.2
19、 光的反射和折射光的反射和折射（）斯奈尔折射定律斯奈尔折射定律: : 光产生折射的原因是由于光波在两种介质（光产生折射的原因是由于光波在两种介质（n n1 1，n n2 2）中的传播速度发生了变化）中的传播速度发生了变化. .假设假设: :光在第一种介质中的光在第一种介质中的传播速度为传播速度为v v1 1, ,在第二种介质中的传播速度在第二种介质中的传播速度v v2 2, ,可得：可得： n n1 1/n/n2 2=v=v2 2/v/v1 1可得：可得： sin sin1 1/sin/sin2 2=v=v1 1/v/v2 2 根据光的波动理论也可证明根据光的波动理论也可证明: :两种介质中传
20、播速度两种介质中传播速度的比等于它们的入射角正弦与折射角正弦之比。的比等于它们的入射角正弦与折射角正弦之比。321.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 1.2.2.2 光的反射和折射光的反射和折射（3 3）. .光的全反射光的全反射331.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 1.2.2.2 光的反射和折射光的反射和折射（3 3）. .光的全反射光的全反射 当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质时，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，当入射角根据折射理论
21、，折射角将大于入射角，当入射角1 1增大增大时，折射角也随之增大。当入射角增大到某一角度时，折射角也随之增大。当入射角增大到某一角度C C时时，折射角，折射角2 2=90=90，折射角为，折射角为9090时，对应的入射角时，对应的入射角1 1称为临界角称为临界角C C。这时折射定律变为：。这时折射定律变为： sinsinC C/sin90/sin90=n=n2 2/n/n1 1 sinsinC C=n=n2 2/n/n1 1341.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.2 1.2.2.2 光的反射和折射光的反射和折射（3 3）. .光的全反射光的全反
22、射 当入射角当入射角1 1大于临界角大于临界角C C时，即时，即1 1C C时，光由时，光由两种介质的界面按两种介质的界面按2 2=1 1的角度全部反射回第一种介质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。中，这种现象称为光的全反射。351.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.3 1.2.2.3 古斯古斯 汉森位移汉森位移 平面波的入射点与反射点不是同一点，反射点离开平面波的入射点与反射点不是同一点，反射点离开入射点有一定距离，这就是所谓古斯一汉森入射点有一定距离，这就是所谓古斯一汉森(Goos-(Goos-Haenchen)Haenc
23、hen)位移，在研究光波导与纤维光学中，这是一位移，在研究光波导与纤维光学中，这是一个很重要的量。个很重要的量。361.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.3 1.2.2.3 古斯古斯 汉森位移汉森位移 由简单的几何光学可得：由简单的几何光学可得： Z=2tanZ=2tan1 1 式中：式中：=1/=1/2 2 2 2 电场进入介质电场进入介质2 2的衰减系数。的衰减系数。 2 2=2n=2n2 2 （n n1 1/n/n2 2）2 2sinsin2 21 1-1/-1/371.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性
24、1.2.2.3 1.2.2.3 古斯古斯汉森位移汉森位移例：已知一入射光的波长为例：已知一入射光的波长为=1m=1m，入射角，入射角1 1=85=85，从介质从介质1 1向介质向介质2 2中折射，两种材料的折射率分别为中折射，两种材料的折射率分别为n n1 1=1.450=1.450，n n2 2=1.430=1.430，求当发生全反射时产生的古斯，求当发生全反射时产生的古斯汉森位移是多少？汉森位移是多少？ 解：由已知条件可知，若要求出解：由已知条件可知，若要求出ZZ的值，必须知道穿的值，必须知道穿透深度透深度和入射角和入射角1 1的值，这里入射角的值，这里入射角1 1是已知量，是已知量，需求穿透深度需求穿透深度：381.1.2 2.2 .2 光在均匀介质中的传播特性光在均匀介质中的传播特性1.2.2.3 1.2.2.3 古斯古斯汉森位移汉森位移例：已知一入射光的波长为例：已知一入射光的波长为=1m=1m，入射角，入射角1 1=85=85，从介质从介质1 1向介质向介质2 2中折射，两种材料的折射率分别为中折射，两种材料的折射率分别为n n1 1=1.450=1.450，n n2 2=1.430=1.430，求当发生全反射时产生的古斯，求当发生全反射时产生的古斯汉森位移是多少？汉森位移是多少？
