第二章光纖結(jié)構(gòu)波導(dǎo)基本原理與制造

1、第二章光纖結(jié)構(gòu)波導(dǎo)基本原理與制造 2.1 光纖的結(jié)構(gòu)及分類 2.2 光纖傳輸原理 2.3 光纖傳輸特性 2.4 光纖材料及制造 2.5 光纜光纖的結(jié)構(gòu)及分類光纖的結(jié)構(gòu)及分類光纖組成及分類 光纖由三部分組成：纖芯、包層、涂覆層，且纖芯折射率大于包層折射率。 光纖的分類： 按傳輸模式數(shù)分：單模光纖、多模光纖 按纖芯折射率徑向分布分: 階躍光纖、漸變光 纖、三角型光纖、W型光纖等。 按光纖材料組成分：石英光纖、多組分玻璃光纖、 液芯光纖、塑料光纖、氟化物光纖、硫硒碲化合物光纖等。 按傳輸光的工作波長分：短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖。 按用途分：通信光纖、軍事上的高強(qiáng)度導(dǎo)彈用光纖、激光手術(shù)刀用

2、的傳能光纖，內(nèi)窺鏡傳像光纖等。橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)圖 三種基本類型的光纖 (a) 階躍型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 下圖是三種基本的光纖結(jié)構(gòu)示意圖 實(shí)用的光纖有單模光纖和多模光纖。由上圖可以看到，多模光纖具有較大的纖芯直徑和數(shù)值孔徑，這樣有利于提高光纖收集光功率的效率，廣泛應(yīng)用于圖像傳輸和照明中。但芯徑和數(shù)值孔徑的增大也使得光纖模式色散增加，不利于通信。因此單模光纖成為一種理想長距離通信介質(zhì)，它具有低損耗、頻帶寬、容量大、成本低

3、、易于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。光纖傳輸原理光纖傳輸原理分析光波在光纖中傳輸可應(yīng)用兩種理論：波動(dòng)理論和射線理論。用波動(dòng)理論分析了光波在階躍折射率光纖中傳播的模式特性，分析的方法比較復(fù)雜。射線理論是一種近似的分析方法，但簡單直觀，對(duì)定性理解光的傳播現(xiàn)象很有效，而且對(duì)光纖半徑遠(yuǎn)大于光波長的多模光纖能提供很好的近似。l 射線理論分析法將光線看成一條幾何射線，用幾何光學(xué)方法(折射和反射)分析其傳播特性，其傳光原理比較直觀,易理解。適用于均勻多模光纖。對(duì)非均勻光纖，誤差大；對(duì)單模光纖完全不適用。l 波動(dòng)理論分析法將光波按電磁場理論，用麥克斯韋方程組(波動(dòng)方程)解析其傳播特性。適用于均勻、非均勻、單模、多模光纖任何一種

4、光纖。l 所采用分析方法的根據(jù)由2a/比值大小決定。 2a/ 1時(shí)采用射線理論(近似分析法) 2a與的大小可比擬時(shí)必須采用波動(dòng)理論進(jìn)行分析。 均勻折射率光纖的射線理論分析均勻折射率光纖的射線理論分析子午光線和斜光線 可以把光纖中的光線分成兩類。l 子午光線：始終處在一個(gè)平面里，經(jīng)過波導(dǎo)的中心軸線，在光纖纖芯與包層界面上作全反射，呈鋸齒形，是平面折線。l 斜光線: 不在同一平面里，不經(jīng)過光纖的中心軸線，但仍在光纖芯與包層的界面上作全反射，這種光線的范圍是在邊界面和焦散面之間，是空間折線。l 斜光線的極限是焦散面與芯包層界面重合，這時(shí)斜光線變成螺旋線。2. 階躍光纖中的子午光線分析a. 數(shù)值孔徑數(shù)

5、值孔徑數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑N.A.(Numerical Aperture)，是光纖的重要參數(shù)，用，是光纖的重要參數(shù)，用來計(jì)量光纖接受光的特性。僅由來計(jì)量光纖接受光的特性。僅由光纖的折射率光纖的折射率決定，而與光決定，而與光纖的幾何尺寸無關(guān)。數(shù)值孔徑越大，則入射光線越容易進(jìn)入光纖的幾何尺寸無關(guān)。數(shù)值孔徑越大，則入射光線越容易進(jìn)入光纖，形成導(dǎo)波。纖，形成導(dǎo)波。b. 子午光線的幾何程長子午光線的幾何程長 幾何程長：某光線在光纖中所傳播路程的長度。幾何程長：某光線在光纖中所傳播路程的長度。 總幾何程長總幾何程長()取決于光線的入射角、纖芯折射率和光纖長度，取決于光線的入射角、纖芯折射率和光纖長度，而與光纖

6、直徑無關(guān)。而與光纖直徑無關(guān)。c. 子午光線的反射次數(shù)子午光線的反射次數(shù) (,d)是入射角是入射角 和光纖直徑的函數(shù)。和光纖直徑的函數(shù)。d. 彎曲光纖的光線傳輸分析彎曲光纖的光線傳輸分析 e. 光纖入射端面傾斜時(shí)光線傳輸分析光纖入射端面傾斜時(shí)光線傳輸分析f. 光纖出射端面傾斜時(shí)光線傳輸分析光纖出射端面傾斜時(shí)光線傳輸分析g. 圓錐形光纖的光線傳輸分析圓錐形光纖的光線傳輸分析3. 階躍光纖中斜光線的分析階躍光纖中斜光線的分析2.3 2.3 光纖傳輸特性光纖傳輸特性1.光纖的衰減 光纖衰減是輸出光相對(duì)于輸入光的損耗量，總衰減是所有衰減之和。包括光纖耦合損耗、光纖內(nèi)的吸收和散射損耗、彎曲損耗等。 總損耗

7、（dB）=損耗（dB）1+損耗（dB）2 +損耗（dB）3 +n通信光纖中最重要的特性包括：衰減、光纖色散、非線性等。 光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。 在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β试谧钜话愕臈l件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖 P隨距離隨距離z z的變化，可以用下式表示的變化，可以用下式表示 PadzdPpoP)exp(0LaPPp)/(343. 4)(110kmdBaPzPgLapo習(xí)慣上光纖的損耗用下式計(jì)算，用習(xí)慣上光纖的損耗用下式計(jì)算，用dBdBkmkm來表示，來表示，式中，式中， 是損耗系數(shù)。設(shè)長度為是損耗系數(shù)。設(shè)長度為L(

8、km)L(km)的光纖，輸入光的光纖，輸入光功率為功率為，根輸出光功率應(yīng)為，根輸出光功率應(yīng)為 損耗機(jī)理損耗機(jī)理 1) 1) 吸收損耗吸收損耗.(.(原子缺陷、雜質(zhì)非本征吸收、原子本征原子缺陷、雜質(zhì)非本征吸收、原子本征吸收吸收) )2322212143nnnRc臨界曲率半徑臨界曲率半徑4) 4) 輻射損耗輻射損耗 ( (彎曲彎曲) )2) 2) 散射損耗散射損耗. .（瑞利散射、波導(dǎo)散射、非線性散射）（瑞利散射、波導(dǎo)散射、非線性散射）3 3）耦合損耗）耦合損耗光纖損耗譜光纖損耗譜 下圖是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的下圖是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)

9、理包括吸收損耗和散射損耗兩損耗與波長的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。部分。 0.010.050.50.11510501000.81.01.21.41.61.8瑞利散射紫外吸收波導(dǎo)缺陷實(shí)驗(yàn)紅外吸收損耗/（dBkm 1）吸收損耗本征吸收、原子缺陷損耗和雜質(zhì)離子吸收 材料對(duì)光的本征吸收這是光纖固有的 a. 分子振動(dòng)態(tài)的改變對(duì)光子的吸收(紅外吸收) b. 電子躍遷對(duì)光子的吸收(紫外吸收)雜質(zhì)離子的吸收 a. 過渡金屬離子 b. 氫氧根離子原子缺陷損耗由于加熱或強(qiáng)烈的輻射，使某些離子態(tài) 發(fā)生變化，導(dǎo)致原子缺陷。吸收損耗吸收損耗散射損耗散射損耗l由于介質(zhì)中有折射率不同的懸浮微粒存在，即使不正

10、對(duì)著入射光的方向也能清楚地看到光線，這種現(xiàn)象稱為光的散射，由于散射引起的光損耗稱為散射損耗。 密度不均勻內(nèi)部應(yīng)力不均勻折射率不均勻懸浮顆粒瑞利散射本征散射非線性散射損耗 在強(qiáng)電場作用下，出現(xiàn)新的頻率或輸入光波頻率發(fā)生變化，稱為非線性散射。由非線性散射引起的損耗稱為非線性散射損耗。彎曲損耗彎曲損耗模式損耗微彎損耗342263()cmfaEaNhEb光纖耦合損耗光纖耦合損耗 光源與光纖連接時(shí)，為獲得最佳耦合效率，主要考慮兩者的特性參量相互匹配問題。 光纖：纖芯直徑、數(shù)值孔徑、截止波長和偏振特性 光源：發(fā)光面積、發(fā)光角分布、光譜特性、輸出功率及偏振特性 通用光源為半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管，耦合

11、方式分為直接耦合和透鏡耦合。顯然采用透鏡耦合效率更高。采用直接耦合時(shí)，半導(dǎo)體激光器優(yōu)于半導(dǎo)體發(fā)光二極管，因?yàn)樽园l(fā)輻射光發(fā)射的方向性差。 半導(dǎo)體發(fā)光二極管與多模光纖直接耦合的最大效率為22maxsinNAc多模光纖之間連接時(shí)，為獲得最佳耦合效率，在同種類光纖中，主要考慮以下幾方面問題： 1、軸偏離對(duì)耦合損失影響 2、兩光纖端面之間的間隙對(duì)耦合損失影響 3、兩光纖軸之間的傾斜對(duì)耦合損失影響 4、光纖端面不完整對(duì)耦合損失影響 在不同種類光纖中，主要考慮：1、光纖芯徑 2、折射率不同 單模光纖之間連接時(shí)，也是考慮：軸偏離、軸傾斜、端面間隙和不同種類光纖引起的損耗。 光纖和透鏡耦合主要考慮數(shù)值孔徑的匹配

12、和透鏡的像差。2.2.光纖的色散光纖的色散色散色散(Dispersion)(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。材料色散和波導(dǎo)色散總稱為色度色散材料色散和波導(dǎo)色散總稱為色度色散色散一般包括色散一般包括 模式色散、材料色散模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和偏振色散。波導(dǎo)色散和偏振色散。與損耗一樣，色散限制了信號(hào)在光纖中的傳輸距離，與損耗一樣，色散限制了信號(hào)在光纖中的傳輸距離，單色散并不使信號(hào)減弱，而是使光脈沖在時(shí)域上重疊單色散并不使信號(hào)減弱，而是使光脈沖在時(shí)域上重

13、疊。模式色散（模間色散）模式色散（模間色散）： 在多模光纖中，由于不同模式的時(shí)間延遲（群速度）在多模光纖中，由于不同模式的時(shí)間延遲（群速度）不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關(guān)。料折射率的波長特性有關(guān)。材料色散（色度色散）：材料色散（色度色散）： 由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同波長成分的光波長成分的光( (實(shí)際光源不是純單色光實(shí)際光源不是純單色光) )，其時(shí)間延遲不同，其時(shí)間延遲不同（群速度）而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的（群速度）而產(chǎn)生

14、的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。波長特性和光源的譜線寬度。波導(dǎo)色散（色度色散波導(dǎo)色散（色度色散 ）：）： 由于導(dǎo)波模具有不同的波長而導(dǎo)致的群速度不同引起由于導(dǎo)波模具有不同的波長而導(dǎo)致的群速度不同引起的色散（的色散（ 不是常數(shù)），與波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)，即波導(dǎo)不是常數(shù)），與波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)，即波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對(duì)折射率差與包層的相對(duì)折射率差。1gvdd偏振色散：偏振色散： 實(shí)際應(yīng)用的單模光纖由于存在少量的不對(duì)稱性，使得實(shí)際應(yīng)用的單模光纖由于存在少量的不對(duì)稱性，使得兩個(gè)偏振模的群時(shí)延不同

15、而形成的色散。兩個(gè)偏振模的群時(shí)延不同而形成的色散。模內(nèi)色散：發(fā)生在單個(gè)模式中的色散，與波長有關(guān)的色度模內(nèi)色散：發(fā)生在單個(gè)模式中的色散，與波長有關(guān)的色度色散是材料色散和波導(dǎo)色散之和。色散是材料色散和波導(dǎo)色散之和。 色散是度量每千米長度上脈沖展寬的的物理量，總脈沖寬度為：距離）色散（ns/kmt距離）色散（ns/kmt2mod22modtotal)()()(teonpolarizatichromaticalttt以上簡單方程適合于模式色散，另外光纖中還存在色度色散和偏振模色散，用這三種色散值平方和的平方根來計(jì)算總的脈沖展寬。群時(shí)延群時(shí)延光纖單位長度傳播的延遲時(shí)間光纖單位長度傳播的延遲時(shí)間00220

16、dd11ddddkcddvg ddcdkdcgg2112 ddDg)( 色散系數(shù)色散系數(shù)描述光纖色散程度描述光纖色散程度 定義為：定義為： 單位是單位是:ps/nm:ps/nmkmkm3.光纖的非線性效應(yīng) 在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中的非線性效應(yīng)，一方面引起傳輸信號(hào)的附加損耗，通信之間的串話，信號(hào)頻率的移動(dòng)；另一方面又可以被用來開發(fā)新型器件，如激光器、放大器、調(diào)制器等。 光孤子通信就是利用光纖中的非線性效應(yīng)克服色散的影響，壓縮后的脈沖已達(dá)到6fs( 飛秒)的窄脈沖，使通信速率極大提高，傳輸距離極大延長。因此要了解和掌握光纖非線性效應(yīng)的基本原理及應(yīng)用。sfs15101 光纖材料及制造光纖材料及制造

17、高純度熔石英光纖高純度熔石英光纖傳輸損耗低傳輸損耗低多組分玻璃纖維多組分玻璃纖維纖芯包層折射纖芯包層折射率可在較大范圍率可在較大范圍內(nèi)變化，易于制內(nèi)變化，易于制造大數(shù)值孔徑造大數(shù)值孔徑 的的光纖。光纖。(2)、塑料光纖、塑料光纖成本低、材料損耗大、成本低、材料損耗大、溫度性能差。溫度性能差。(3)、晶體光纖、晶體光纖纖芯為單晶，可用于制作纖芯為單晶，可用于制作有源和無源光纖器件。有源和無源光纖器件。(1)、石英光纖、石英光纖 光纖的制造要經(jīng)歷光纖預(yù)制棒制備、光纖光纖預(yù)制棒制備、光纖拉絲、涂覆拉絲、涂覆等具體的工藝步驟。 制備光纖預(yù)制棒兩步法工藝： 第一步采用氣相沉積工藝生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的芯棒；

18、第二步是在氣相沉積獲得的芯棒上施加外包層制成大光纖預(yù)制棒。南京郵電大學(xué)南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院光電工程學(xué)院 光通信研究所光通信研究所Modified Chemical Vapour Deposition (MCVD) Outside Vapour Deposition (OVD)預(yù)制棒預(yù)制棒加熱爐加熱爐加涂覆層加涂覆層參數(shù)測量參數(shù)測量拉絲塔拉絲塔 光纜光纜光纜及其結(jié)構(gòu) 光纜是以光纖為主要通信元件，通過加強(qiáng)件和外護(hù)層組合成的整體。光纜是依靠其中的光纖來完成傳送信息的任務(wù)，因此光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要保證其中的光纖具有穩(wěn)定的傳輸特性。光纜的分類方法 按成纜光纖類型l 多模光纖光纜和單模光纖光纜 按纜芯結(jié)構(gòu)l 中心束管、層絞、骨架和帶狀 按加強(qiáng)件和護(hù)層l 金屬加強(qiáng)件、非金屬加強(qiáng)、鎧裝 按使用場合l 長途/室外、室內(nèi)、水下/海底等 按敷設(shè)方式l 架空、管道、直埋和水下