光的折射定律 (Snell定律 )
折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和 入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin1 = n2 sin2
空气 玻璃
光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角
n1 sin1 = n2 sin2
入射光线 法线
1
入射光线 法线
n1< n2 n1 n2
纤(Single Mode Fiber，SMF)。
多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模
式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，
除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输 的光波长有关。
高次模
基模
低次模
在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并 能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线， 就可以称为一个光的传播模式。
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 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高聚物。 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
胶材料；
长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。

单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。 优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存 在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带 宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。

缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合 ，需要使用半导体激光器激励。
单模光纤和多模光纤
一根光纤是不是单模传输，与 (1) 光纤自身的结构参数 和 (2) 光纤中传输的光波长有关。


多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模 式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许 存在多个分离的传导模。 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用 LED 作为光源 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输
模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在 不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽
1
n1> n2 n1 n2
2
2
折射光线
折射光线
全反射现象 ： 在某种条件下，光线被关在一种
介质中，不射到另一种介质中的现象。
2 1
法线
θ0
3 4
n1&入射角
1
sinθo= n2 / n1
全反射条件： （1） n1> n2 （2）θ入 >θo
2.1 2.2
基本光学定义和定律 光纤的结构与类型
2.3
2.4 2.5
光纤的光学特性
光纤光缆制造技术 导波原理
2.1 基本光学定义和定律


光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为： v=c/n 式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的传播速度；n是 介质的折射率。 常见物质的折射率： 空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5
通常所说的光纤为此种光纤。
2.2.2 光纤的类型
光纤的分类方法很多，既可以按照光纤 截面折射率分布来分类，又可以按照光 纤中传输模式数的多少、光纤使用的材 料或传输的工作波长来分类。
1. 按传输模式的数量分类
按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分 为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光
折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介


光在不同的介质中传输速度不同
光的反射定律：
当一束光线按某一角度射向一块平面镜时，它会从镜面按另 一角度反跳出去。光的这种反跳现象叫做光的反射，射向镜 面的光叫入射光，从镜面反跳出去的光叫反射光 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和 入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin = qr
当光纤的几何尺寸（主要是芯径 d ）远大于光波波长时（约 1μ m），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输 模式，即多模传输。
当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波长在同一 数量级，如芯径d在4μ m～10μ m范围，这时，光纤只允许一 种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全 部截止。
光纤的折射率分布
阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯 和 折 射 率 为 常 数 n2 的 包 层 组 成 ， 并 且 n1>n2, n1=1.463~1.467, n2=1.45~1.46。
2.2 光纤的结构与类型
2.2.1 光纤的结构
光纤 (Optical Fiber，OF) 就是用来导光 的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由 多层透明介质构成的，一般可以分为三部 分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包 层和外面的涂覆层。
光纤结构示意图
纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。 直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～ 10μm，多模光纤的纤芯为50μm。 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。 包层：包层位于纤芯的周围。 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。
因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。 例如，对于常用的通信波长 (1550 nm)，单模光纤芯径为 8～12 mm，而多模光纤芯径 > 50 mm。
2. 按光纤截面上折射率分布分类
按照截面上折射率分布的不同可以将光 纤分为阶跃型光纤 (Step-Index Fiber， SIF) 和渐变型光纤 (Graded-Index Fiber， GIF)，其折射率分布如图所示。
第二章

光纤和光缆
光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介， 有着巨大的优越性。

本章首先介绍光纤的结构与类型，然后 用射线光学理论和波动光学理论重点分析 光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简要 介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号。
与光纤有关的问题
1.
2.
3.
4.
5.
光纤具有何种结构？ 光在光纤中如何传播？ 光纤是由何种材料制作的？ 光纤是如何制造的？ 多根光纤是如何组装成光缆？