光导纤维与光纤传感器.ppt

例如,在石英中加入折射率低于石英的B2O3,即包层材料为B2O3·SiO2
例如,在石英中加入折射率高于石英的GeO2或P2O3;称为锗-硅光纤或磷-硅光纤。
纤芯是由玻璃、石英或塑料等制成的圆柱体,一般直径约为5~150微米.
围绕着纤芯的那一层叫包层,材料也是玻璃或塑料等。
纤芯的折射率n1()>包层的折射率n2()。
外套起保护光纤的作用,其折射率n3>包层的折射率
由于纤芯和包层构成了一个同心圆双层结构,所以光纤具有使光束封闭在纤芯里面传输的功能。
通常人们又把较长的或多股的光纤称之为光缆。
一光导纤维基础知识
(一)光纤的结构
光纤由纤芯、包层及外套组成
纤芯
包层
套塑
涂覆层
芯包间相对折射率差为:
梯度型光纤:纤芯内的折射率从中心轴线开始沿径向按抛物线规律变化,中心轴线折射率最大,光在传播中会自动地从折射率小的界面处向中心会聚.
在纤芯内,中心光线沿光纤的轴线传播,通过轴
线的子午光线呈正弦波曲线。
梯度型光纤又称为自聚焦光纤,其折射率分布为
纤芯的折射率n1分布均匀,固定不变;包层内的折射率n2分布也大体均匀,但纤芯到包层的折射率变化呈台阶状。
在纤芯内,中心光线沿光纤的轴线传播,通过
轴线的子午光线呈锯齿形轨迹。那么什么是子午光
线?
(二)光纤的种类
(1) 根据折射率的变化规律,光纤分为阶跃型(Step Index Fiber)和梯度型(Graded Index Fiber)两种
阶跃型光纤:
折射率
折射率
归一化频率是光纤的最重要的结构参数,是一个
直接与频率成正比的无量纲的量,它能表征光纤中传
播模式的数量。
光纤中只允许传播一个模式,即基模。V<
也就是单模光纤单模传输的条件
单模光纤在给定的工作波长上,只能传输单一基模(HE11),其它高阶模均被截止。
(3) 根据传播波长,光纤分为短波长和长波长两种:,
“麦氏方程组+光纤的边界条件”的解就是光纤中的可能传播的模式。
光纤中的模和光纤的性能参数有关:如纤芯直径大小,折射率分布因子,光纤芯包的相对折射率差,数值孔径和传播的波长等有关。
(2) 根据传输模式,光纤分为单模和多模两种
什么是光纤中的模式?
光纤中的模式:是指电磁场在光纤中可能的存在方式,可能的传播方式。
光纤中的模大略可分为两类:传导模和辐射模
在光纤中还有一个比较有用的归一化频率参数V
(三)光纤的传光原理
当光线以较小的入射角由光密媒质n1射入光疏媒质n2时
若继续加大入射角,使得折射角为90度,此时入射角为?
φ2
折射光
反射光
φ1
入射光
折射率n2
折射率n1
界面法线
折射光
若继续加大入射角, 光不再产生折射,而只有在光密媒质
中的反射,即形成了光的全反射现象
本征吸收是物质固有的,-.
光纤的弯曲也会造成散射损耗:光纤边界条件的变化,使光在光纤中无法进行全反射传输。光纤的弯曲半径越小,造成的散射损耗越大。
●多模短波长(-)-3dB/km;
多模光纤损耗的指标大致为:
散射损耗是由于光纤材料的不均匀或存在缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。
例如:“1966年,高锟用纯度极高的玻璃纤维在超过100km的距离以上成功传输了光信号,而在60年代普通的纤维只能传输光信号20m远。”
物质对光的吸收作用将使传输的光能变成热能,造成光能的损失
入射光纤中的光,由于存在着费涅耳反射损耗、吸收损耗、全反射损耗以及弯曲损耗等,光纤不可能百分之百地将入射光的能量传播出去。
(四)光纤的传输特性
表征光纤时的特性参数有:
传输损耗
色散
容量
抗拉强度
集光本领
1、传输损耗
当光纤长度为L,输入与输出的光功率分别为Pi和P0时,光纤的损耗系数α
光纤损耗主要包括吸收损耗和散射损耗
OH-离子难以根除,,
,,
吸收损耗包括:本征吸收,杂质吸收和原子吸收.
●多模长波长()光纤为1dB/km-;
●-。
杂质:金属离子Fe、Co、Ni、Mn
梯度型光纤的时延差为:
对长波长光纤来说,,!
模式色散