光纤的基本结构、折射率分布和光线传播

发布人:红松小e 发布时间:2020-10-15 11:45:35

光纤是光纤通信系统中的重要部件,是光信号传输的介质。光纤的结构取决于它的应用和传输特性,通信中使用的光纤般为圆柱形,下面我们将介绍通信用光纤的基本结构。

光纤的基本结构、折射率分布和光线传播

 

1、光纤结构通信光纤的结构一般由纤芯、包层和涂覆层3部分组成,如图1.1所示。
 

光纤的结构

 

图1.1光纤的结构

 

①纤芯:纤芯位于光纤的中心部位。
 

直径d₁=4~50μm,单模光纤的纤芯为4~10μm,多模光纤的纤芯为50um。
 

纤芯的成分是高纯度SiO₂,掺有极少量的掺杂剂(如GeO₂,P₂O5),作用是提高纤芯对光的折射率(n₁),以传输光信号。
 

②包层:包层位于纤芯的周围
 

包层直径d₂=125μm,其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO₂。而掺杂剂(如B₂O₃)的作用则是适当降低包层对光的折射率(n₂),使之略低于纤芯的折射率,即n₁>n₂,它使得光信号封闭在纤芯中传输。
 

③涂覆层:光纤的最外层为涂覆层,包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。
 

一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料;缓冲层一般为性能良好的填充油膏;二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等髙聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤,同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性,起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。
 

④紧套光纤与松套光纤。
 

紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管,光纤在套管内不能自由活动,如图1.2(a)所示。松套光纤就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管,光纤可以在套管中自由活动,如图1.2(b)所示。

套塑光纤结构

 

图1.2套塑光纤结构

 

2、光纤的折射率分布与光线的传播
 

在光纤中,光线的传播路径与光纤纤芯和包层折射率的分布有关。图1.3所示
 

为两种典型光纤的折射率分布情况。一种称为阶跃折射率光纤;另一种称为渐变折射率光纤,分别如图1.3(a)和图1.3(b)所示
 

光纤的折射率分布

 

图1.3光纤的折射率分布
 

(1)阶跃型(均匀型)光纤的折射率分布
 

图1.3(a)所示是阶跃型光纤抛面的折射率分布图,其可用下面关系式表示。
 

 

其中n1,n2分别是光纤纤芯折射率和薄层折射率;a和b分别是光纤纤芯半径和包层半径。
 

可见阶跃( Step Index,SI)多模光纤折射率η在纤芯保持不变,到包层突然变为n2。
 

(2)渐变光纤(非均匀型)的折射率分布
 

 

式中,n(0)是r=0时纤芯中心的折射率;g是折射率分布指数,它取不同的值,折射率分布即不同;r是离开光纤中心的距离,a和b分别是光纤纤芯半径和包层半径;Δ为相对折射率指数
 

 

通常,n1和n2的值相差很小,也就是说△很小,我们将这种Δ很小的光纤叫做弱导光纤,在弱导光纤中,相对折射率指数Δ可近似写为
 

△≈(n1-n2)/n (2.4)
 

可见渐变( Graded Index,GI)多模光纤折射率不像阶跃多模光纤那样是个常数,而是在纤芯中心最大,沿径向往外按拋物线形状逐渐变小,直到包层变为η
 

光在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图1.4和图1.5所示。
 

光在阶跃折射率多模光纤中的传播

 

图1.4光在阶跃折射率多模光纤中的传播

 

光在渐变折射率多模光纤中的传播

 

图1.5光在渐变折射率多模光纤中的传播

 

从上面两个图可见,光线在阶跃折射率光纤中的的传播轨迹近似于折线,而在渐变折射率多模光纤中的传播轨迹近似于正弦曲线。

红松