光纖結(jié)構(gòu)波導(dǎo)原理以及制造

1、關(guān)于光纖結(jié)構(gòu)波導(dǎo)原理及制造第1頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2.1光纖的結(jié)構(gòu)及分類(lèi)第2頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纖組成及分類(lèi)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(lèi)： 按傳輸模式數(shù)分：?jiǎn)文９饫w、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。 第3頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四 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(zhǎng)分：短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖、超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。 按用

2、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)刀用的傳能光纖，內(nèi)窺鏡傳像光纖等。第4頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四圖 2.1三種基本類(lèi)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)示意圖第5頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四 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(zhǎng)距離通信介質(zhì)，它具有低損耗、頻

3、帶寬、容量大、成本低、易于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。第6頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2.2光纖傳輸原理第7頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四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(xiàn)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(xiàn)理論是一種近似的分析方法，但簡(jiǎn)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(zhǎng)的多模光纖能提供很好的近似。 第8頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四射線(xiàn)理論分析法將光線(xiàn)看成一條幾何射線(xiàn)，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

4、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。波動(dòng)理論分析法將光波按電磁場(chǎng)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、多模光纖任何一種光纖。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(xiàn)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。第9頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四 均勻折射率光纖的射線(xiàn)理論分析子午光線(xiàn)和斜光線(xiàn) 可以把光纖中的光線(xiàn)分成兩類(lèi)。子午光線(xiàn)：始終處在一個(gè)平面里，經(jīng)過(guò)波導(dǎo)的中心軸線(xiàn)，在光纖纖芯與包層界面上作全反射，呈鋸齒形，是平面折線(xiàn)。第10頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月

5、20日，9點(diǎn)43分，星期四斜光線(xiàn): 不在同一平面里，不經(jīng)過(guò)光纖的中心軸線(xiàn)，但仍在光纖芯與包層的界面上作全反射，這種光線(xiàn)的范圍是在邊界面和焦散面之間，是空間折線(xiàn)。斜光線(xiàn)的極限是焦散面與芯包層界面重合，這時(shí)斜光線(xiàn)變成螺旋線(xiàn)。第11頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2. 階躍光纖中的子午光線(xiàn)分析第12頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四a. 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑N.A.(Numerical Aperture)，是光纖的重要參數(shù)，用來(lái)計(jì)量光纖接受光的特性。僅由光纖的折射率決定，而與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。數(shù)值孔徑越大，則入射光線(xiàn)越容易進(jìn)入光纖，形成導(dǎo)波。第13頁(yè)，共6

6、4頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四b. 子午光線(xiàn)的幾何程長(zhǎng) 幾何程長(zhǎng)：某光線(xiàn)在光纖中所傳播路程的長(zhǎng)度。總幾何程長(zhǎng)()取決于光線(xiàn)的入射角、纖芯折射率和光纖長(zhǎng)度，而與光纖直徑無(wú)關(guān)。第14頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四c. 子午光線(xiàn)的反射次數(shù) (,d)是入射角和光纖直徑的函數(shù)。第15頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四d. 彎曲光纖的光線(xiàn)傳輸分析 第16頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四e. 光纖入射端面傾斜時(shí)光線(xiàn)傳輸分析第17頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四f. 光纖出射端面傾斜時(shí)光線(xiàn)傳輸分析

7、第18頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四g. 圓錐形光纖的光線(xiàn)傳輸分析第19頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四3. 階躍光纖中斜光線(xiàn)的分析第20頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2.3 光纖傳輸特性第21頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四1.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?？倱p耗（dB）=損耗（dB）1+損耗（dB）2 +損耗（dB）3 +通信光纖中最重要的特性包括：衰減、光纖色散、非線(xiàn)性等。第22頁(yè)，共64頁(yè)，20

8、22年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四 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蔖隨距離z的變化，可以用下式表示 習(xí)慣上光纖的損耗用下式計(jì)算，用dBkm來(lái)表示，式中， 是損耗系數(shù)。設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)(km)的光纖，輸入光功率為，根輸出光功率應(yīng)為 第23頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四損耗機(jī)理 1) 吸收損耗.(原子缺陷、雜質(zhì)非本征吸收、原子本征吸收)臨界曲率半徑4) 輻射損耗 (彎曲)2) 散射損耗.（瑞利散射、波導(dǎo)散射、非線(xiàn)性散射）3）耦合損耗第24頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纖損耗譜 下圖是單模光纖的

9、損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。 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）第25頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四吸收損耗本征吸收、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(guò)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。吸收損耗第26頁(yè)，共

10、64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四散射損耗由于介質(zhì)中有折射率不同的懸浮微粒存在，即使不正對(duì)著入射光的方向也能清楚地看到光線(xiàn)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為光的散射，由于散射引起的光損耗稱(chēng)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(xiàn)性散射損耗 在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，出現(xiàn)新的頻率或輸入光波頻率發(fā)生變化，稱(chēng)為非線(xiàn)性散射。由非線(xiàn)性散射引起的損耗稱(chēng)為非線(xiàn)性散射損耗。第27頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四彎曲損耗模式損耗微彎損耗第28頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纖耦合損耗 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

11、性參量相互匹配問(wèn)題。 光纖：纖芯直徑、數(shù)值孔徑、截止波長(zhǎng)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第29頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四多模光纖之間連接時(shí)，為獲得最佳耦合效率，在同種類(lèi)光纖中，主要考慮以下幾方面問(wèn)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

12、 4、光纖端面不完整對(duì)耦合損失影響 在不同種類(lèi)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(lèi)光纖引起的損耗。 光纖和透鏡耦合主要考慮數(shù)值孔徑的匹配和透鏡的像差。第30頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2.光纖的色散色散(Dispersion)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)。材料色散和波導(dǎo)色散總稱(chēng)為色度色散色散一般包括 模式色散、材料色散、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，單色散并不使信號(hào)減弱，而是使光脈沖在時(shí)域上重疊。第31頁(yè)，共6

13、4頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四模式色散（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）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(zhǎng)特性有關(guān)。材料色散（色度色散）： 由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)而改變，以及模式內(nèi)部不同波長(zhǎng)成分的光(實(shí)際光源不是純單色光)，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波長(zhǎng)特性和光源的譜線(xiàn)寬度。第32頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四波導(dǎo)色散（色度色散 ）： 由于導(dǎo)波模具有不同的波長(zhǎng)而導(dǎo)致的群速度不同引起的色散（ 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(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的，它取

14、決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對(duì)折射率差。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(chēng)性，使得兩個(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(zhǎng)有關(guān)的色度色散是材料色散和波導(dǎo)色散之和。第33頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四色散是度量每千米長(zhǎng)度上脈沖展寬的的物理量，總脈沖寬度為：以上簡(jiǎn)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(lái)計(jì)算總的脈沖展寬。第34頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四群時(shí)延光纖單位長(zhǎng)度傳播的延遲時(shí)間 色散系數(shù)描述光纖色散程度 定義為： 單位是:ps/nmkm

15、第35頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四3.光纖的非線(xiàn)性效應(yīng) 在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中的非線(xiàn)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(huà)，信號(hào)頻率的移動(dòng)；另一方面又可以被用來(lái)開(kāi)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(xiàn)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(zhǎng)。因此要了解和掌握光纖非線(xiàn)性效應(yīng)的基本原理及應(yīng)用。第36頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2.4 光纖材料及制造第37頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纖材料 高純度熔石英光

16、纖傳輸損耗低多組分玻璃纖維纖芯包層折射率可在較大范圍內(nèi)變化，易于制造大數(shù)值孔徑 的光纖。(2)、塑料光纖成本低、材料損耗大、溫度性能差。(3)、晶體光纖纖芯為單晶，可用于制作有源和無(wú)源光纖器件。(1)、石英光纖第38頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纖制造光纖的制造要經(jīng)歷光纖預(yù)制棒制備、光纖拉絲、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；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。 第39頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)芯棒外包層外部化學(xué)氣相沉積法（OVD）軸

17、向氣相沉積法（VAD）改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）等離子化學(xué)氣相沉積法（PCVD）套管法粉末法等離子噴涂法溶膠凝膠第40頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院 光通信研究所氣相沉積工藝MCVD法改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法Modified Chemical Vapour Deposition (MCVD) 第41頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四氣相沉積工藝MCVD法第42頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四氣相沉積工藝OVD法外部化學(xué)氣相沉積法Outside Vapour Deposition (OVD)第43

18、頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四第44頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四制作預(yù)制棒第45頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四等離子化學(xué)氣相沉積法第46頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四VAD工藝第47頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四預(yù)制棒第48頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四拉絲工藝預(yù)制棒加熱爐加涂覆層參數(shù)測(cè)量第49頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四拉絲工藝?yán)z塔第50頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四加涂覆層第51

19、頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四成纜第52頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四2.5 光纜第53頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纜及其結(jié)構(gòu) 光纜是以光纖為主要通信元件，通過(guò)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(lái)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。第54頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纜的分類(lèi)方法 按成纜光纖類(lèi)型多模光纖光纜和單模光纖光纜 按纜芯結(jié)構(gòu)中心束管、層絞、骨架和帶狀 按加強(qiáng)件和護(hù)層金屬加強(qiáng)件、非金屬加強(qiáng)、鎧裝 按使用場(chǎng)合長(zhǎng)途/室外、室內(nèi)、水下/海底等 按敷設(shè)方式架空、管道、直埋和水下第55頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纜的結(jié)構(gòu)（成纜方式） 層絞式 骨架式 中心束管式 帶狀式第56頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四光纜結(jié)構(gòu)示意圖層絞式中心束管式帶狀式第57頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四松套層絞式鎧裝光纜第58頁(yè)，共64頁(yè)，2022年，5月20日，9點(diǎn)43分，星期四松套層絞