光纤通信光纤通信目录 2.5 单模光纤单模光纤2.6 梯度折射率光纤的结构梯度折射率光纤的结构 u2.5.1 结构结构u2.5.2 模场直径模场直径u2.5.3 单模光纤中的传播模单模光纤中的传播模u单模光纤是指光纤纤芯直径很细单模光纤是指光纤纤芯直径很细( (芯径一般为芯径一般为8-12m)8-12m)，并且纤芯包层折射率差很小，只能传一种模式的光纤。，并且纤芯包层折射率差很小，只能传一种模式的光纤。（如右图所示）（如右图所示）u单模光纤的优点：单模光纤的优点：1.1.仅允许一个模式传输，很好的限制了高阶模仅允许一个模式传输，很好的限制了高阶模2.2.模间色散小模间色散小3.3.适用于远程通信适用于远程通信u单模光纤的缺点：单模光纤的缺点：1.1.与光器件的耦合相对困难与光器件的耦合相对困难2.2.存在着材料色散和波导色散（要求光源谱宽要存在着材料色散和波导色散（要求光源谱宽要窄，稳定性要好）。窄，稳定性要好）。u在在1.31m波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，1.31m处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，1.31m波长区就成了光纤波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。l对于单模光纤，最重要的是使其仅传导一个模，即基模。对于单模光纤，最重要的是使其仅传导一个模，即基模。l光纤模的截止条件：如果一个模不再被限制于纤芯内，则它光纤模的截止条件：如果一个模不再被限制于纤芯内，则它称为截止，模场在纤芯外面不再衰减。称为截止，模场在纤芯外面不再衰减。l与截止条件有关的一个重要参数是归一化频率与截止条件有关的一个重要参数是归一化频率V，其定义式为，其定义式为l归一化频率归一化频率V是一个无量纲的数，它决定了光纤能够传导递的模数。是一个无量纲的数，它决定了光纤能够传导递的模数。一个波导中可以存在的模数是一个波导中可以存在的模数是V的函数。的函数。V也可以用归一化传播常数也可以用归一化传播常数b来表示，来表示，b定义为定义为n几个低阶模的归一化传播常数随几个低阶模的归一化传播常数随V变化的变化的曲线，如下图曲线，如下图n光纤归一化频率光纤归一化频率V还可以表示为还可以表示为n式中式中2.405是最低阶是最低阶Bessel函数函数J0=0时的值。在时的值。在V=2.405时，只有基模时，只有基模传导，所有的其他模均被截止，从而实现单模传输。传导，所有的其他模均被截止，从而实现单模传输。n单模光纤材料选择与设计实例如课本例单模光纤材料选择与设计实例如课本例2.12、例、例2.13。 （在特定波长下，纤芯、包层的折射率以及直径的选择）（在特定波长下，纤芯、包层的折射率以及直径的选择）v单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径对于多模光纤，描述信号传输特性的参数为纤芯直径和数值孔径。对于多模光纤，描述信号传输特性的参数为纤芯直径和数值孔径。单模光纤描述信号传输特性的一个主要参数就是模场直径（单模光纤描述信号传输特性的一个主要参数就是模场直径（MFD）。）。模场直径有基模的模场分布决定。它是光源波长模场直径有基模的模场分布决定。它是光源波长、纤芯直径、纤芯直径d、及折、及折射率剖面的函数。射率剖面的函数。 因为单模光纤中并不是所有的光都局限在纤芯内传输，所以其模因为单模光纤中并不是所有的光都局限在纤芯内传输，所以其模场直径一般不等于纤芯直径。如下图所示场直径一般不等于纤芯直径。如下图所示模场直径定义：光强降低到轴心线处最大光强的模场直径定义：光强降低到轴心线处最大光强的1/(e2)的各点中，的各点中，其中两点最大距离。其中两点最大距离。v模场直径的作用：模场直径的作用： 预测光纤特性，如接头损耗、弯曲损耗、截止波长、及预测光纤特性，如接头损耗、弯曲损耗、截止波长、及波导色散。波导色散。 模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。v测量方法：测量方法： 远场扫描、近场扫描、横向位移、远场可变孔径、刃缘远场扫描、近场扫描、横向位移、远场可变孔径、刃缘法、以及掩模法。在这些方法中主要考虑如何近似描述光功法、以及掩模法。在这些方法中主要考虑如何近似描述光功率的分布。率的分布。v寻找寻找MFD标准的方法：测量远场强度分布标准的方法：测量远场强度分布E2(r)。场场分布曲线可近似为高斯函数：分布曲线可近似为高斯函数：单模光纤中的传播模单模光纤中的传播模 任何单模光中都存在两个链各个独立的简并传播模，它们任何单模光中都存在两个链各个独立的简并传播模，它们的偏振面相互正交。可以任意取水平方向偏振或垂直方向偏振。的偏振面相互正交。可以任意取水平方向偏振或垂直方向偏振。这两个正交的偏振模中的任意一个都构成主模，即这两个正交的偏振模中的任意一个都构成主模，即HE11模。模。理想状况下，两个简并的模局有相同的传播常理想状况下，两个简并的模局有相同的传播常数，即数，即kx=ky。实际光纤中总会存在不完善的地方，因此两个实际光纤中总会存在不完善的地方，因此两个模式会以不同相速度传播，有效折射率也会不同，模式会以不同相速度传播，有效折射率也会不同，这种现象被称为光纤的双折射率，定义为这种现象被称为光纤的双折射率，定义为式中式中k0是自由空间传播常数。是自由空间传播常数。n2.6 梯度折射率光纤的结构梯度折射率光纤的结构阶跃光纤中的折射率分布为阶跃光纤中的折射率分布为:梯度型光纤折射率分布为梯度型光纤折射率分布为: 式中式中a a为纤芯半径为纤芯半径, ,取值范围为取值范围为1 1到到。当。当a10a10时，折射率分布为阶跃时，折射率分布为阶跃型，型， =1=1时为三角型，梯度光纤中通常取时为三角型，梯度光纤中通常取2 2，即按平方律分布。一般，即按平方律分布。一般其包层折射率为一常数。其包层折射率为一常数。定义相对折射率差定义相对折射率差在石英光纤中，在石英光纤中，n n1 11.51.5，0.01,0.01,即包层折射率仅比纤芯略低一点。即包层折射率仅比纤芯略低一点。n局部数值孔径定义式：局部数值孔径定义式： 上式中上式中NA（0）是中心轴的数值孔径。）是中心轴的数值孔径。n梯度折射率光纤中传导模的总数为：梯度折射率光纤中传导模的总数为：n其中其中k=2/。n不同不同值折射率剖面的梯度光纤数值孔径的值折射率剖面的梯度光纤数值孔径的比较如下比较如下距纤芯的距离越大，折射率差越小，包层和纤芯的折射率越接近。距纤芯的距离越大，折射率差越小，包层和纤芯的折射率越接近。