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光纤的种类繁多,但就其分类方法而言大致有四种,即按光纤剖面折射率分布分类,按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。
6 V5 j, M1 a! |" C7 D. [此外按光纤的组成成份分类,除目前最常应用的石英光纤之外,还有含氟光纤与塑料光纤等。
" ]$ p; u" o+ G6 O+ J1、按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤0 V8 C% ]+ @1 c8 @! R0 Q. A
① 阶跃光纤6 v% O' x6 s7 e- p: a4 \
所谓阶跃光纤是指:在纤芯与包层区域内,其折射率分布分别是均匀的,其值分别为n1 与n2,但在纤芯与包层的分界处,其折射率的变化是阶跃的,如图2.2 所示。! f5 m/ d; c& [7 ^, N& C Y+ @
) c4 z+ p) G* v0 z0 ?) `
其折射率分布的表达式为:1 C& a/ q' D1 F3 `/ ?! H" E2 Q% q
% l2 w" P( P( P+ A5 c阶跃光纤是早期光纤的结构方式,后来在多模光纤中逐渐被渐变光纤所取代(因渐变光纤能大大降低多模光纤所特有的模式色散),但用它来解释光波在光纤中的传播还是比较形象的。2 |$ t' `# e6 ?& j0 S) i
而现在当单模光纤逐渐取代多模光纤成为当前光纤的主流产品时,阶跃光纤结构又作为单模光纤的结构形式之一。7 @+ S, Z& t3 P9 y/ M5 s; y3 s
② 渐变光纤
+ @- X5 J1 F( o- ~4 J6 q) ^所谓渐变光纤是指:光纤轴心处的折射率最大(n1),而沿剖面径向的增加而逐渐变小,其变化规律一般符合抛物线规律,到了纤芯与包层的分界处,正好降到与包层区域的折射率n2 相等的数值;在包层区域中其折射率的分布是均匀的即为n2。如图2.3 所示。
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) o* E, @: l, {其中:
- y% q+ s0 r$ _9 `5 q# ]n1 为光纤轴心处的折射率
2 b( p8 d3 Z: h* Cn2 为包层区域折射率4 Z4 x* U2 E* i; \
a1为纤芯半径
' f: _% Q$ g7 @0 t+ c称之为相对折射率差3 Q9 @. g! Y' e7 a' ^
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。/ p" ]6 U$ j1 D" | {3 O6 @
2、按传播模式分类──多模光纤与单模光纤
/ Q! o2 ]& p" P' z+ w; r) |3 W传播模式概念
- K5 u' X/ v/ r7 `3 ?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。" w/ ~7 O+ a! x4 j2 C/ y5 @, ^
① 多模光纤. v M9 T! `/ P# D1 ]8 k; {
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)。
* k0 F) _: }! k( P: I% j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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