光纤坚硬而又弯曲灵活，强度极大；光学性质：取决于结构和 成分，最明显的就是损耗或信号衰减特性等。光纤是绝缘体， 它不能直接传输电信号和能量。
1.4 光纤与通信网络 光纤的带宽和具有吸引力的特征使其成为理想的线缆 传输媒介。对于通信系统，光纤是具有强大运载信息 能力的工具。光纤工业已经进入显著的繁荣期。在过 去的20年里，一根光纤所能承载的最大数据率差不多 平均每年翻一番，比电子行业的摩尔定律（每18个月 翻一番）还要快 1.4 光纤与通信网络（续） （1）全球海底网络（2）陆地网络 （3）卫星系统与光纤网络（4）光纤到户 （5）局域网
光纤传感技术应用： 工业、制造、土木工程、军用科技、环境保护、地质勘
探、石油探测、生物医学等。
光纤传感器种类： 包括湿度、温度、应变、应力、振动、声音和压力传感
器等。 （1）光纤光栅传感器（2）光纤法布里－珀罗传感器（3）光 纤白光干涉传感器 （4）光纤陀螺传感技术（5）其他光纤传感技术 1.6 光纤的发展 种类：多模光纤 单模光纤、保偏光纤、塑料光纤、掺杂 光纤、光子晶体光纤等数十种； 材料：石英光纤 聚合物/塑料光纤、光子晶体光纤、掺 稀土光纤等
z ds
路径 dr
r r+dr
ls
ls＝
dr ds
dr=ds
o
y
x
图 光线传播路径示意图
z
a
b
r
r=(s/n)a+b
o
y
x
图 均匀介质中路径方程的解
矢量b 指出了光线的起始位置； 矢量a 则指明了光线的传播方向。
总结
当光纤纤芯的横向尺寸（直径）远大于光 波长时，可以用较成熟的几何光学（射线光 学）分析法进行分析；
在工业发达国家及我国：干线大容量通信线路不再新建 同轴电缆，而全部铺设光缆。
在我国，干线系统中有：南沿海工程、沪宁汉干线、芜 湖到九江（含过长江的水下光缆）、京汉广等，短距离 的系统不计其数。在武汉、上海、西安、北京、天津等 地建立了几家规模较大、水平较高的光纤、光缆制造厂。 2001年，全国铺设光缆总长度达149.5万公里，其中长途 干线光缆33.5多公里，本地中继网光缆线路75.5万多公
1.5 光纤与传感技术
人类进入信息时代，信息的获取技术是信息技术的关键，
传感技术是获取信息的主要技术途径，获取信息是利用信息的 先决条件。传感器是一种能按一定规律将各种被检测的物理量
转换成便于处理的量（如电、磁等）的器件。 世界各国对传 感器技术的研究和开发都极为重视：
日本将传感器列为20世纪80年代大力发展的5项重要技术 之首，又将传感器研发确定为20世纪90年代的发展的重点；
种变化的电磁场在空间 D (2-3)
将会以一定速度传播， 形成电磁波。


B

0
(2-4)
式(2-3)：表示电场有散度，电场可由点电荷激发。 式(2-4)：表示磁场无散度，即磁场不可能为单磁荷 所激发。
电磁场的辅助方程 或构成方程
具体化：
(电、磁分离)
第1章 绪论 主要内容：
光纤技术的发展历程 光纤与通信技术的关系 光纤与传感技术的关系 1.1 光纤光学 它是光学的分支之一 它是研究光导纤维的光学特性及其应用的一门学科 名词“光纤”出现于20世纪50年代
光纤光学的研究对象：光导光纤
光纤是一种由玻璃或塑料制成的透明易弯曲的长纤维，并 且根据Snell（斯涅耳）定律（反射定律），借助于使用全内反 射可以使光能在光纤内部传输。光导光纤的特点：有界性
2.2 麦克斯韦方程及波动方程
2.2.1 麦克斯韦方程
电磁场的基本规律， Maxwell方程组：
矢量E, H , D, B, J，标量
分别代表电场强度，磁场强度， 电位移矢量，磁感应强度， 电流密度以及电荷密度，
表示旋度， 表示散度。


E


B t
H
1.3.2 光纤材料
纤芯材料：多数光纤几乎是纯石英，加入少量掺杂物的
目的是改变纤芯或包层的折射率。 (1) 通信光纤材料：纯二氧化硅（SiO2）; (2) 医用传像光纤、照明光纤：低纯度玻璃； (3) 还有一些光纤：塑料制造，更灵活易用；
包层材料：少数光纤使用塑料； 涂敷层材料：一般为塑料，机械保护。1.3.3 光纤特性机械特性：
里，接入网光缆线路37万多公里。到2002年3月，我国 “八横八纵”格状国家光通信骨干网也已基本建成。
我国铺设光缆的方向已经转向城域网等局部性 网络。
1.3 光纤技术基础
1.3.1 光纤结构
纤芯：由折射率比周围 包层略高的光学材料制 成。其直径根据光纤类 型而定，一般通信用单 模光纤直径为8-10μm； 包层：直径一般为125μm； 涂敷层：直径为195-250μm；
1.适用条件：光波波长λ远小于光纤的横向尺寸，可 近似认为光波长λ0 ，此时，可以忽略光的衍射现象， 光的发散角可近似为0，那么，可以把光波看作射线。
（光的粒子性）
2.分析方法：分析光传播的各种现象的规律可用射 线理论或几何光学。
波动光学方法
1.适用条件：把光波看作波长较短的电磁波。
（光的波动性）
3.1.1 光纤的结构 光纤的基本结构一般为双层或多层的同心
圆柱体，如图所示。 其中心部分是纤芯，纤芯外面的部分是包

D t
位移
J 传导 电流

பைடு நூலகம்
电流
D
B 0


式(2-1)和(2-2)： 表示随时间变化的电场

在周围空间会产生磁场，

E


B t
(2-1)
同样，变化的磁场在周 围空间会产生电场，这
H

D t
J
(2-2)
光纤的基本结构是导光的纤芯和外面低折射率
的包层，不同类型光纤的纤芯和包层的几何尺寸差别 很大。
高清晰度图像传输光纤（传像光纤）：芯径小，包层 薄；
传输高功率能量的照明光纤：一般具有更粗的纤芯和 更薄的包层；通信光纤：小纤芯，厚包层，纤芯折射 率到包层折射率的变化是阶跃变化，纤芯折射率可以 是均匀的，也可能是渐变的； 通信光纤的标准包层直径是125μm，塑料护套的直径 约为250μm 。 传像光纤的直径小到几个微米，一些特殊用途光纤则 可能有几毫米。
2.3 射线光学基础
射线光学或几何光学的光线（或称射线）代表 坡印亭矢量或光能流的方向。
光线是无限细的，而光束则有一定尺寸。射线 光学假定的条件是传输介质（如光纤、光波导）的 横向尺寸远大于波长，可近似认为波长λ0，因而 可以忽略衍射现象。此时，可用射线去代表光能量 传播路线。
射线光学理论是当λ0时的波动理论。射线光 学一般包括光线的路径分析、光强分析等内容。
光纤要成为光导设备，其基本特征是能 够长距离传输，需要解决“光衰减”问题。
光通过长距离从输入端传输到输出端时， 在输出端输出的能量一定不能小于接收端探 测器能探测的最小光20强09。年 Nobel奖 1966年，华裔科学家高锟（Charles Kao） 博士在英国发表一篇具有里程碑意义的论文： “用于光频率的绝缘纤维表面波导管”，打 开通往光纤技术大门的钥匙。
美、英等国也投入巨资进行传感器技术的研发。
光纤传感器技术经过20多年发展，已形成一个巨 大的传感器家族。
独特优点: （1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全； （2）灵敏度高； （3）重量轻、体积小、可挠曲； （4）测量对象广泛； （5）对被测介质影响小，有利于在医药卫生等具 有复杂环境的领域中应用； （6）便于复用，便于成网； （7）成本低。
1970年，康宁（Corning）公司采用化学气 相沉积（CVD）工艺第一个抽出衰减小于20 dB/km的光纤，成为世界上公认的第一根通 信用光导纤维。……………. 性能优异的各 种光纤涌现。广泛应用：如电话通信，数据 传输，闭路电视，工业控制与监测，军事等。
1988年，第一条跨越大西洋海底，连接美国 东海岸同欧洲大陆的光缆开通；……..
式左＝… 式右＝… 均匀介质中的波动方程
(时、空分离) ω
( f ) f f
E E0e j(tkr )
k E0 H0
E

E e j(tkr ) 0
k 0 nk0
( f ) f f ( ) ( f ) f f 2
折射/反射定理 约束光线
边值问题 模式
图 几何光学方法与波动光学方法之研究思路比较图
E(x, y, z, t)
E(x, y, z)
H(x, y, z, t)
H(x, y, z)
电、磁分离 时、空分离
纵、 横 分 离
E(x, y) H(x, y)
第3章 光纤（光缆）及其相关性质
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7
1987 年，E. Yablonovitch 和S. John 提出介电常数呈周期 性分布的材料可以改变在其中传播的光子的行为，并称这种 材料为光子晶体。
光子晶体是一种折射率周期变化的人工微结构材料，其 典型结构为一个折射率周期变化的三维物体，周期为光波长 量级。光子晶体的特点是具有光子带隙（PBG），频率落在 光子带隙内的电磁波不能在光子晶体中传播。
2.分析方法：波动理论或波动光学。
二种方法比较：
1.射线光学方法：具有简单、直观的特点。 2.波动光学方法：是一种更严格、更全面的方法， 但要使用较复杂的数学工具，过程较繁杂。 分析简单问题时，二者均可得出一致结果，但分析 复杂问题时，射线理论不能给出满意的结果。要获得 全面、准确的解析或数值结果，必须采用波动理论。
光纤与光缆 光纤的折射率分布 光在光纤中的几何传输 光纤的数值孔径NA 光的波动性 光纤介质的特性 光纤模式