其中:
n1 为光纤轴心处的折射率
n2 为包层区域折射率
a1为纤芯半径称之为相对折射率差
至于渐变光纤的剖面折射率为何做如此分布,其主要原因是为了降低多模光纤的模式色散,增加光纤的传输容量,详见§2.4 部分。
2、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤
传播模式概念
我们知道,光是一种频率极高(3×1014 赫兹)的电磁波,当它在波导──光纤中传播时,根据波动光学理论和电磁场理论,需要用麦克斯韦式方程组来解决其传播方面的问题。而通过繁琐地求解麦氏方程组之后就会发现,当光纤纤芯的几何尺寸远大于光波波长时,光在光纤中会以几十种乃至几百种传播模式进行传播,如TMmn模、TEmn模、HEmn模等等(其中m、n=0、1、2、3、……)。其中HE11模被称为基模,其余的皆称为高次模。
① 多模光纤
当光纤的几何尺寸(主要是纤芯直径d1)远远大于光波波长时(约1 微米),光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播模式会具有不同的传播速度与相位,因此经过长距离的传输之后会产生时延,导致光脉冲变宽。这种现象叫做光纤的模式色散(又叫模间色散)。
计算多模光纤中传播模式数量的经典公式为2,其中V 为归一化频率。例如当V=38时,多模光纤中会存在三百多种传播模式。模式色散会使多模光纤的带宽变窄,降低了其传输容量,因此多模光纤仅适用于较小容量的光纤通信。多模光纤的折射率分布大都为抛物线分布即渐变折射率分布。其纤芯直径d1,大约在50 微米左右。
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② 单模光纤
根据电磁场理论与求解麦氏方程组发现,当光纤的几何尺寸(主要是芯径)可以与光波长相比拟时,如芯径d1 在5~10 微米范围,光纤只允许一种模式(基模HE11)在其中传播,其余的高次模全部截止,这样的光纤叫做单模光纤。
由于它只允许一种模式在其中传播,从而避免了模式色散的问题,故单模光纤具有极宽的带宽,特别适用于大容量的光纤通信。其实,准确地讲要实现单模传输,必须使光纤的诸参量满足一定的条件,即其归一化频率V ≤ 2.4048。
因为
所以可以解得光纤的纤芯半径应满足下式才能实现单模传输:
其中:
a1为纤芯半径
λ为光波波长
NA为光纤的数值孔径
例如,对于NA=0.12 的光纤要在λ=1.3 微米以上实现单模传输时,光纤纤芯的半径应为
即其纤芯直径d1≤8.2 微米方可。
由于单模光纤的纤芯直径非常细小,所以对其制造工艺提出了更苛刻的要求。
3、按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤
① 短波长光纤
在光纤通信发展的初期,人们使用的光波之波长在0.6~0.9 微米范围内(典型值为0.85 微米),习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。短波长光纤属早期产品,目前很少采用。
② 长波长光纤
后来随着研究工作的不断深入,人们发现在波长1.31 微米和1.55 微米附近,石英光纤的衰耗急剧下降如图2.4 所示。不仅如此,而且在此波长范围内石英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移,并研制出在此波长范围衰耗更低,带宽更宽的光纤,习惯上把工作在1.0~2.0 微米波长范围的光纤称之为长波长光纤。
长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点,特别适用于长距离、大容量的光纤通信。