第二章 光纖的特性

第二章光纖的特性第二周第1頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.光纖的結(jié)構(gòu)和分類光纖的分層結(jié)構(gòu):纖芯、包層、涂敷層、護(hù)套第2頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月各層的材料構(gòu)成 纖芯:

SiO2以及少量GeO2、P2O5摻雜 包層：高純度SiO2 涂敷層：環(huán)氧樹脂等高分子材料 護(hù)套：尼龍或其他有機(jī)材料提高纖芯的折射率第3頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月傳光基本條件：n1>n2第4頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月折射率剖面(Refractionindexprofile)階躍型(step)漸變型(grading)n1n2abn1n2abn=n(r)第5頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖折射率分布表達(dá)式階躍型漸變型第6頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光射線階躍光纖漸變光纖n1n2n0

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z第7頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖分類階躍光纖與漸變光纖按照折射率剖面分單模光纖與多模光纖按照模式分…第8頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

圖2.2三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖第9頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2光纖傳光原理分析光纖傳輸原理的常用方法：（1）幾何光學(xué)法可以給出有關(guān)波導(dǎo)特性清晰的物理圖像和解釋。不足之處是所給出的結(jié)論較為粗糙，不能獲得有關(guān)電磁場(chǎng)模式在波導(dǎo)內(nèi)的具體場(chǎng)分布和傳輸特性等方面的完整細(xì)節(jié)。（2）麥克斯韋波動(dòng)方程法針對(duì)具體的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，結(jié)合電磁場(chǎng)的邊界條件求解Maxwell方程組，得到波導(dǎo)內(nèi)各模式的場(chǎng)分布和特征方程。第10頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1光纖數(shù)值孔徑的概念研究對(duì)象：階躍型光線中的光射線（子午光線）研究目標(biāo)：數(shù)值孔徑思路：光纖中的光射線應(yīng)滿足全反射條件階躍型多模光纖的中的光射線(子午光線)第11頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1光纖數(shù)值孔徑的概念已知條件：設(shè)纖芯和包層折射率分別為n1和n2，空氣的折射率n0=1，纖芯中心軸線與z軸一致。第一束光線在光纖端面以小角度θ從空氣入射到纖芯，折射角為θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在纖芯與包層交界面以角度ψ1入射到包層。階躍型多模光纖的中的光射線(子午光線)第12頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1光纖數(shù)值孔徑的概念階躍型多模光纖的中的光射線(子午光線)[分析]改變角度θ，不同θ相應(yīng)的光線將在纖芯與包層交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù)全反射原理，存在一個(gè)臨界角θc。(1)當(dāng)θ<=θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯，并以折線的形狀向前傳播，如光線1。根據(jù)斯奈爾(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2)當(dāng)θ>θc時(shí)，相應(yīng)的光線有一部分將在交界面折射進(jìn)入包層并逐漸消失，如光線3。由此可見，只有在半錐角為θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。

第13頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因此，定義臨界角θc的正弦為數(shù)值孔徑(NumericalAperture)：

NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°

n0=1，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到【NA的物理意義】

NA表示光纖接收和傳輸光的能力，NA越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)于無損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好其中Δ為纖芯與包層相對(duì)折射率差。2.1光纖數(shù)值孔徑的概念第14頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2光纖模式的理解【疑問】是不是滿足θ≤θc的光射線都可以在光纖中穩(wěn)定傳輸？答案是否定的。能夠在光纖中傳導(dǎo)的電磁波模式不僅滿足芯/包界面上的全反射條件，而且滿足傳輸過程中的相干加強(qiáng)條件只有這一系列特定的電磁波才能在光纖中存在！從電磁波動(dòng)理論來看，模式是光纖中電磁場(chǎng)傳播的一種穩(wěn)定的分布形態(tài)。第15頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2光纖模式的理解【分析】近似地，認(rèn)為光纖中傳播的光波是均勻平面電磁波，光射線方向就是波矢量k方向。通常將光纖中所傳輸?shù)牟ㄊ噶縦在其波導(dǎo)傳輸方向(z方向)上的分量稱為光波的傳播常數(shù)：β=kz=k0*n1*sinθ;其中θ為光射線方向與光纖橫截面的夾角。k0=2π/λ為真空中的波數(shù)。根據(jù)全內(nèi)反射條件，sinθ>=n2/n1。只有傳播常數(shù)滿足k0*n2<β<k0*n1的光波才能在光纖中傳播。垂直于波傳播方向的由相同相位的點(diǎn)構(gòu)成的平面稱為波陣面。第16頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2光纖模式的理解考慮在光纖中傳播的一列光波，上圖給出了兩條光線(紅線和藍(lán)線)，I-I和II-II是兩個(gè)波陣面。點(diǎn)A和點(diǎn)B屬于波陣面I-I，點(diǎn)C和點(diǎn)D屬于波陣面II-II。屬于同一波陣面的各點(diǎn)的振動(dòng)情況應(yīng)當(dāng)完全同步，及其振動(dòng)相位必須相同或相差2π的整數(shù)倍,因此有第17頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2光纖模式的理解【結(jié)論】相干加強(qiáng)條件說明，在滿足全反射條件情況下，只有某些以特定角度入射的光線才能在光纖中穩(wěn)定傳播。每一種可以傳到的電磁波稱為光纖的一個(gè)模式。即一個(gè)模式對(duì)應(yīng)一種平面波的入射角度。在光纖中的光波應(yīng)該同時(shí)滿足全反射條件（k0*n2<β<k0*n1）和相干加強(qiáng)條件。相干加強(qiáng)條件，模式特征方程第18頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2光纖模式的理解【討論】引入概念：階躍光纖歸一化頻率模式數(shù)量：由光纖結(jié)構(gòu)、折射率分布以及光波長(zhǎng)共同決定。模式數(shù)

V2/2什么情況下光纖中只有一種模式傳輸？階躍型光纖單模條件：0<V<2.4048單模光纖中光射線形狀？平行于光纖軸線的直線單模光纖第19頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2光纖模式的理解如何直觀地理解模式第20頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月?lián)p耗、色散和非線性對(duì)光信號(hào)傳輸?shù)挠绊懰p損耗輸入信號(hào)輸出信號(hào)時(shí)間頻率非線性新頻率時(shí)間色散脈沖展寬3.光纖中光傳輸特性第21頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1光纖傳輸損耗功率傳輸損耗是光纖最基本和最重要的參數(shù)之一。光纖中傳輸?shù)墓夤β孰S著傳輸距離的增加按指數(shù)形式衰減。工程應(yīng)用中，光纖損耗的表述形式：P0和PL分別為光纖的輸入輸出功率L為光纖長(zhǎng)度為光纖損耗系數(shù)第22頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1光纖傳輸損耗—固有損耗(1)【材料損耗】本征吸收：紅外吸收、紫外吸收雜質(zhì)吸收：有用摻雜吸收、有害雜質(zhì)吸收瑞利散射(微觀不均勻性)(2)【波導(dǎo)損耗】模式損耗：場(chǎng)分布不集中與芯子耦合損耗：模式耦合成輻射?；蚋叽文＃☉?yīng)力、微彎、芯子包層界面不規(guī)則、折射率縱向不均勻）(3)【工藝缺陷】微裂紋氣泡第23頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.1光纖傳輸損耗—使用損耗(4)【光纜附加損耗】微裂紋微彎應(yīng)力(5)【使用階段附加損耗】外力(拉力、壓力)彎曲溫度變化水侵蝕第24頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月0.680.921.551.380.851.300.20.33α(dB/km)λ(μm)總損耗光纖損耗譜第25頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖損耗的克服提純材料優(yōu)化制造工藝控制光功率減小光纖彎曲和接續(xù)損耗第26頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2光纖色散什么是色散？在同一介質(zhì)中不同頻率(波長(zhǎng))的光波傳播速度不等的現(xiàn)象。第27頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第28頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.2光纖色散色散是限制光纖容量和傳輸距離的主要因素光纖色散構(gòu)成光信號(hào)的電磁波各分量在光纖中具有不同傳輸速度的現(xiàn)象第29頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖色散DispersivefiberDispersedpulseRBIN色散對(duì)光通信系統(tǒng)的影響信號(hào)畸變光脈沖形狀畸變引起誤碼第30頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖色散產(chǎn)生的原因模間色散：不同模式不同傳輸速度材料色散：不同頻率不同折射率波導(dǎo)色散：不同頻率不同模場(chǎng)分布偏振模色散：不同偏振態(tài)不同傳輸速度長(zhǎng)途系統(tǒng)使用單模光纖第31頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月單模光纖色散的定義單位長(zhǎng)度光纖傳輸時(shí)延隨波長(zhǎng)的變化率色散調(diào)節(jié)手段：改變光纖結(jié)構(gòu)，改變波導(dǎo)色散第32頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.概念光脈沖能量的載體：所有模式不同模式具有不同的傳輸速度，在光纖中沿傳輸方向行進(jìn)的過程中，各模式逐漸分離，使得光信號(hào)展寬。2.模式色散的表示單位光纖長(zhǎng)度上，模式的最大時(shí)延差傳輸速度最快的模式與傳輸速度最慢的模式通過單位長(zhǎng)度光纖所需的時(shí)間之差。3.2.1多模光纖中的模式色散第33頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾何光學(xué)①②包層n2芯區(qū)n1①傳輸最快的子午線②

傳輸最慢的子午線對(duì)于①，單位長(zhǎng)度光纖傳輸?shù)臅r(shí)延：對(duì)于②

，單位長(zhǎng)度光纖傳輸?shù)臅r(shí)延：多模光纖的模式色散為：2.模式色散的計(jì)算第34頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.概念不同頻率的電磁波在介質(zhì)中具有不同的群速度或群時(shí)延的材料屬性，從而在傳輸過程中信號(hào)展寬。2.材料色散的表示用單位頻率或波長(zhǎng)間隔上的群時(shí)延差來表示3.2.2材料色散第35頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月為什么存在材料色散:Sellmeyer定律不論任何介質(zhì)，由于在某些波長(zhǎng)上，材料對(duì)電磁波存在諧振吸收現(xiàn)象，因此，材料對(duì)外場(chǎng)的響應(yīng)與電磁波的波長(zhǎng)相關(guān)。即材料的折射率應(yīng)當(dāng)是電磁波頻率或波長(zhǎng)的函數(shù)。第36頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.概念由于波導(dǎo)效應(yīng)的存在,使模式的不同頻率成分在波導(dǎo)中的傳輸速度不同,由此引起的色散2.波導(dǎo)色散的表示用單位頻率或波長(zhǎng)間隔上的群時(shí)延差來表示3.2.3波導(dǎo)色散第37頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月200127013101550波長(zhǎng)nm色散ps/nm.km波導(dǎo)色散材料色散G652光纖色散G653光纖色散材料色散與波導(dǎo)色散第38頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月+Disp

輸入脈沖

輸出脈沖0.10.20.30.40.50.6衰減(dB/km)1600170014001300120015001100波長(zhǎng)(nm)EDFA頻帶20100-10-20色散(ps/nm.km)G.652&G.654G.655G.653損耗與色散譜第39頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Advanceintransmissionfiber:maincharacteristics(Dataaregivenat1.55μm)第40頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月G.655光纖的零色散點(diǎn)都移到了1350nm以下，目前多數(shù)G.655光纖的色散量多在6～8ps/km/nm，色散斜率低于0.07ps/km/nm2，光纖在1550nm附近的有效面積大于50μm2；

G.652光纖在1550nm附近典型參數(shù)為色散量多在16ps/km/nm左右，色散斜率0.058ps/km/nm2，有效面積75μm2。色散補(bǔ)償是G.652光纖應(yīng)用的關(guān)鍵無論是在G.652光纖還是在G.655光纖上開通10Gbit/s以上的系統(tǒng)都需要色散補(bǔ)償，只是使用DCF的長(zhǎng)度和補(bǔ)償方式上有所不同。

第41頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)光場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，所有介質(zhì)均對(duì)外場(chǎng)表現(xiàn)出一定的非線性。微觀——電子在強(qiáng)場(chǎng)作用下對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的偏離宏觀——介質(zhì)在外場(chǎng)作用下的非線性極化電極化強(qiáng)度矢量石英光纖極化強(qiáng)度真空介電常數(shù)極化率張量外電場(chǎng)線性響應(yīng)非線性響應(yīng)3.3光纖非線性第42頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月石英光纖中的非線性現(xiàn)象光子與光子之間自相位調(diào)制SPM交叉相位調(diào)制XPM四波混頻FWM光脈沖畸變，啁啾，串音；復(fù)用/解復(fù)用，波長(zhǎng)變換！光子與聲子之間聲學(xué)聲子——受激Brillouin散射SBS光學(xué)聲子——受激RAMAN散射SRS信號(hào)光能量損失，串音；分布放大！第43頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.光纖的物理化學(xué)特性1.SiO2密度：2.2g/cm32.單模光纖外徑：125microns裸纖重量：27g/km3.不溶于水4.受OH-影響，必須防水5.抗酸堿性能較差6.絕緣性好7.承受軸向應(yīng)力能力強(qiáng),承受徑向作用力弱第44頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月壽命：>25年光纖的物理化學(xué)特性SiO2的軟化溫度在1700度左右，摻雜后的軟化溫度降低。石英光纖熱膨脹系數(shù)：3.4

10-7/oC；涂覆層：5

10-7/oC因此，限制一定的工作溫度范圍。溫度特性表第45頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(2)光纜(1)光纖制造技術(shù)5.光纖制造技術(shù)和光纜第46頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月沉積拉絲原料預(yù)制棒光纖第47頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖制造的關(guān)鍵原料：SiCl4,GeCl4,POCl3,BBr3,O2,He,……提純：過渡金屬離子，OH-，…...要求達(dá)到ppb量級(jí)原料提純光纖絲徑控制，溫度控制拉制光纖制作中對(duì)各種參數(shù)的精確控制預(yù)制棒制備第48頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纖制造技術(shù)制備光纖預(yù)制棒與光纖有相同物理結(jié)構(gòu)和材料結(jié)構(gòu)，尺寸大的實(shí)心石英棒拉絲 光纖預(yù)制棒高溫下，拉制成光纖原料：SiCl4,GeCl4,CF2Cl2,O2,Ar,H2,He,……提純：過渡金屬離子，OH-，…...預(yù)制棒制備工藝：非氣相工藝，氣相工藝非氣相工藝：雙坩堝法，溶膠—凝膠法，管棒法，粉末機(jī)械成形法，…...第49頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MCVD法:美國(guó)AT&T公司PCVD法:荷蘭飛利浦公司OVD法:美國(guó)康寧公司VAD法:日本住友、古河、騰倉(cāng)等公司重點(diǎn)介紹第50頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月氣相工藝：MCVD，PCVD，OVD，VAD，…...MCVD:改良的化學(xué)氣相沉積法

------AT&T,USA化學(xué)反應(yīng)熱泳現(xiàn)象處于溫度場(chǎng)中的懸浮顆粒，受力的作用而向低溫區(qū)運(yùn)動(dòng)，附著在石英管壁上。MCVD工藝?yán)醚鯕夤呐輸y帶原料瓶中揮發(fā)出的氯化物（SiCl4、GeCl4）蒸汽進(jìn)入石英管，在高溫加熱（氫氧焰）下氯化物和氧氣反應(yīng)生成高純度氧化物SiO2或GeO2第51頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月MCVD方法簡(jiǎn)圖第52頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第53頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月PCVD（1976年，荷蘭Philips）使用微波在石英管內(nèi)產(chǎn)生高溫等離子代替MCVD法中的氫氧焰進(jìn)行加熱，使得原料發(fā)生反應(yīng)。第54頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第55頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月OVD:OutsideVaporDeposition------Corning,USARadialFlamousHydrolization第56頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月VAD:VaporAxialDeposition------NTT,Japan第57頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)反應(yīng)水解反應(yīng)氧化反應(yīng)脫水反應(yīng)第58頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月沉積拉絲原料預(yù)制棒光纖第59頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、拉絲工藝?yán)z工藝流程拉絲控制系統(tǒng)收絲控制設(shè)備預(yù)制棒裸光纖光纖拉絲塔結(jié)構(gòu)示意圖第60頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第61頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月拉絲工藝簡(jiǎn)介

光纖拉絲工藝包括以下幾個(gè)方面：

一．拉絲

將處理好的預(yù)制棒送入拉絲爐中，在高溫下，將預(yù)制棒的一端熔化以形成石英玻璃絲，再以一定的張力及速度對(duì)其進(jìn)行牽引，以保持光纖直徑穩(wěn)定在125±１μm范圍內(nèi)

二．涂覆

在光纖冷卻后，對(duì)光纖表面涂UV材料進(jìn)行UV固化，以保護(hù)光纖表面精確控制外徑在245±5μm，形成標(biāo)準(zhǔn)的商用光纖。涂覆層有機(jī)材料第62頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月拉絲長(zhǎng)度l預(yù)制棒體積Vpreform=D2L/4,D:mm,L:mm

光纖體積Vfiber=d2l/4,d=125umVpreform=Vfiber

l=6.410-5D2L(km)拉絲原理保持芯/包層結(jié)構(gòu)不變！第63頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纜光纖——成纜工藝——光纜——使用技術(shù)要求保護(hù)光纖免受外力作用（切斷、微彎、側(cè)應(yīng)力等）便于施工、維護(hù)、接續(xù)要有一定的余長(zhǎng)，光纖盡量靠近光纜中心保護(hù)材料的熱膨脹系數(shù)與光纖盡量接近，避免應(yīng)力和微彎尺寸小，重量輕防水，防潮，抗腐蝕，防蟲叮鼠咬第64頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光纜結(jié)構(gòu)纜芯、加強(qiáng)元件、護(hù)層纜芯作用：妥善安置光纖的位置，使光纖在各種外力影響下 仍能保持優(yōu)良的傳輸性能套塑方法緊套：無活動(dòng)空間，易受外力影響；外徑小，性能穩(wěn)定松套：外徑較大，須填充油膏來提高縱向密封性；溫度性 能好，易于緩沖外力，是發(fā)展方向*光纜中必須有防潮層，并填充油膏！第65頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月加強(qiáng)元件中心加強(qiáng)、外層加強(qiáng)要求高楊氏模量，高彈性范圍，高比強(qiáng)度（強(qiáng)度/重量），低線膨脹系數(shù)，抗腐蝕性，柔軟性材料鋼絲，鋼絞線，鋼管強(qiáng)電磁干擾區(qū)域、雷區(qū)——高強(qiáng)度非金屬材料，芳綸纖維第66頁(yè)，課件共74頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月護(hù)層是由護(hù)