光纤导光原理和光纤材料

  ?光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光纤的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光纤主要有两个特性：损耗和色散。光纤通信具有传输频带宽，容量大，传输距离远，质量高，保密性好等优点。光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等多方面领域被广泛而大量应用，尤其在信息技术领域具有广阔的应用前景。光纤的优点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：①传输频带极宽，通信容量很大；②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；③串扰小，信号传输质量高；④光纤抗电磁干扰，保密性好；⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；⑥耐非物理性腐蚀；⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。?除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性高、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点,其不但可以应用在通信的主干线路中,还能应用在电力通信控制管理系统中,进行工业监测、控制,而且在军事领域的用途也慢慢变得为广泛。?光纤通信的发展历史?从1876年发明电线年代末，通信线路是铜制导线管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨/公里，有色金属的消耗实在是太大。?1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，根本原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。3光纤通信的发展历史?世界光纤之父：高锟1966年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤维表面波导”，明白准确地提出通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的损耗大幅度下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤。4光纤损耗?1970年，美国的康宁玻璃公司（CorningGlassCo.）率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突破。?1000dB/km0.16dB/km5光纤通信的发展历史?20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。1993年后，全世界信息高速公路的建设。到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。???光纤的出现带动了集成光学的发展。6对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。所以我们该努力像一下几个方面去发展：①向超高速系统的发展。②向超大容量WDM系统的演进。③开发新代的光纤④全光网络。?未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前途。从发展的新趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。?8一、光纤的基本概念1、介质光波导?空间传播光与导波光???光波导：约束导波光的介质??9?平板波导n3n1n2n1?n2?n310矩形波导11光纤12光纤的种类??????光纤的种类有很多种，分类方法也各不相同，常见的有五种方法①按材料分为：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤。②按传输模式分：中心玻璃芯较粗、单模光纤。③按光纤折射率分布分：阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤、W型光纤。④按照波长划分：目前所应用的光纤可以传输从紫外线微米⑤根据用途划分：传输信息的光纤（光通信）和传输能量的光纤（导光纤维）2、光导纤维的结构和导光原理光纤导光条件：全反射?142-1、斯涅尔定理an1sin?i?n2sin?rb?r?90o,临界角?i0?arcsin(n2/n1)c15?i??i02-2、光纤导光n0sin?i?n1sin?jn1sin?k?n2sin?rn0?1.016?j??k?9021222sin?i?n?nsin?r2-2、光纤导光sin?i?n?nsin?r21222?r?9017?i??i?arcsinn?n02122光纤的基本概念n2n1?介质光波导三要素：?/?n1

  n2?2a单模阶跃折射率光纤n2n12a多模阶跃折射率光纤n2n1r=arr=018剖面折射率分布多模梯度折射率光纤2-2、光纤导光θi1.2.θi