第二章光纤结构、波导原理及制造

1、第二章 光纤结构、传输原理及制造第二章 光纤结构、传输原理及制造 2.1 光纤的结构及分类 2.2 光纤传输原理 2.3 光纤传输特性 2.4 光纤材料及制造 2.5 光缆2.12.1光纤的结构及分类光纤的结构及分类光纤组成及分类n光纤由三部分组成：纤芯、包层、涂覆层，且纤芯折射率大于包层折射率。n光纤的分类： 按传输模式数分：单模光纤、多模光纤 按纤芯折射率径向分布分: 阶跃光纤、渐变光 纤、三角型光纤、W型光纤等。 按光纤材料组成分：石英光纤、多组分玻璃光纤、 液芯光纤、塑料光纤、氟化物光纤、硫硒碲化合物光纤等。 按传输光的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤、超长波长光纤。 按用途分：通信

2、光纤、军事上的高强度导弹用光纤、激光手术刀用的传能光纤，内窥镜传像光纤等。横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)图 2.1三种基本类型的光纤 (a) 阶跃型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 下图是三种基本的光纤结构示意图n 实用的光纤有单模光纤和多模光纤。由上图可以看到，多模光纤具有较大的纤芯直径和数值孔径，这样有利于提高光纤收集光功率的效率，广泛应用于图像传输和照明中。但芯径和数值孔径的增大也使得光纤模式色散增加，不利于通信。因此单模光纤成为一种理想

3、长距离通信介质，它具有低损耗、频带宽、容量大、成本低、易于扩充等优点。2.22.2光纤传输原理光纤传输原理n分析光波在光纤中传输可应用两种理论：波动理论和射线理论。n用波动理论分析了光波在阶跃折射率光纤中传播的模式特性，分析的方法比较复杂。n射线理论是一种近似的分析方法，但简单直观，对定性理解光的传播现象很有效，而且对光纤半径远大于光波长的多模光纤能提供很好的近似。l射线理论分析法将光线看成一条几何射线，用几何光学方法(折射和反射)分析其传播特性，其传光原理比较直观,易理解。适用于均匀多模光纤。对非均匀光纤，误差大；对单模光纤完全不适用。l波动理论分析法将光波按电磁场理论，用麦克斯韦方程组(波

4、动方程)解析其传播特性。适用于均匀、非均匀、单模、多模光纤任何一种光纤。l所采用分析方法的根据由2a/比值大小决定。 2a/ 1时采用射线理论(近似分析法) 2a与的大小可比拟时必须采用波动理论进行分析。 均匀折射率光纤的射线理论分析均匀折射率光纤的射线理论分析子午光线和斜光线 可以把光纤中的光线分成两类。l 子午光线：始终处在一个平面里，经过波导的中心轴线，在光纤纤芯与包层界面上作全反射，呈锯齿形，是平面折线。l斜光线: 不在同一平面里，不经过光纤的中心轴线，但仍在光纤芯与包层的界面上作全反射，这种光线的范围是在边界面和焦散面之间，是空间折线。l斜光线的极限是焦散面与芯包层界面重合，这时斜光

5、线变成螺旋线。2. 阶跃光纤中的子午光线分析a. 数值孔径数值孔径n数值孔径数值孔径N.A.(Numerical Aperture)，是光纤的重要参数，用，是光纤的重要参数，用来计量光纤接受光的特性。仅由来计量光纤接受光的特性。仅由光纤的光纤的折射率折射率决定，而与光决定，而与光纤的几何尺寸无关。数值孔径越大，则入射光线越容易进入光纤的几何尺寸无关。数值孔径越大，则入射光线越容易进入光纤，形成导波。纤，形成导波。b. 子午光线的几何程长子午光线的几何程长 几何程长：某光线在光纤中所传播路程的长度。几何程长：某光线在光纤中所传播路程的长度。总几何程长总几何程长()取决于光线的入射角、纤芯折射率和

6、光纤长度，取决于光线的入射角、纤芯折射率和光纤长度，而与光纤直径无关。而与光纤直径无关。c. 子午光线的反射次数子午光线的反射次数 (,d)是入射角是入射角 和光纤直径的函数。和光纤直径的函数。d. 弯曲光纤的光线传输分析弯曲光纤的光线传输分析 e. 光纤入射端面倾斜时光线传输分析光纤入射端面倾斜时光线传输分析f. 光纤出射端面倾斜时光线传输分析光纤出射端面倾斜时光线传输分析g. 圆锥形光纤的光线传输分析圆锥形光纤的光线传输分析3. 阶跃光纤中斜光线的分析阶跃光纤中斜光线的分析2.3 2.3 光纤传输特性光纤传输特性1.光纤的衰减n光纤衰减是输出光相对于输入光的损耗量，总衰减是所有衰减之和。包

7、括光纤耦合损耗、光纤内的吸收和散射损耗、弯曲损耗等。n总损耗（dB）=损耗（dB）1+损耗（dB）2 +损耗（dB）3 +n通信光纤中最重要的特性包括：衰减、光纤色散、非线性等。 光纤的损耗在很大程度上决定了系统的光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离传输距离。 在最一般的条件下，在光纤内传输的在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率光功率P P随随距离距离z z的变化，可以用下式表示的变化，可以用下式表示 PadzdPpoP)exp(0LaPPp)/(343. 4)(110kmdBaPzPgLapo习惯上光纤的损耗用下式计算，用习惯上光纤的损耗用下式计算，用dBdBkmkm来表示，来表示，

8、式中，式中， 是损耗系数。设长度为是损耗系数。设长度为L(km)L(km)的光纤，输入光的光纤，输入光功率为功率为，根输出光功率应为，根输出光功率应为 损耗机理损耗机理 1) 1) 吸收损耗吸收损耗.(.(原子缺陷、杂质非本征吸收、原子本征原子缺陷、杂质非本征吸收、原子本征吸收吸收) )2322212143nnnRc临界曲率半径临界曲率半径4) 4) 辐射损耗辐射损耗 ( (弯曲弯曲) )2) 2) 散射损耗散射损耗. .（瑞利散射、波导散射、非线性散射）（瑞利散射、波导散射、非线性散射）3 3）耦合损耗）耦合损耗光纤损耗谱光纤损耗谱 下图是单模光纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的下图是单模光

9、纤的损耗谱，图中示出各种机理产生的损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两损耗与波长的关系，这些机理包括吸收损耗和散射损耗两部分。部分。 0.010.050.50.11510501000.81.01.21.41.61.8瑞利散射紫外吸收波导缺陷实验红外吸收损耗/（dBkm 1）吸收损耗本征吸收、原子缺陷损耗和杂质离子吸收 材料对光的本征吸收这是光纤固有的 a. 分子振动态的改变对光子的吸收(红外吸收) b. 电子跃迁对光子的吸收(紫外吸收)杂质离子的吸收 a. 过渡金属离子 b. 氢氧根离子原子缺陷损耗由于加热或强烈的辐射，使某些离子态 发生变化，导致原子缺陷。吸收损耗吸收损耗散射损

10、耗散射损耗l由于介质中有折射率不同的悬浮微粒存在，即使不正对着入射光的方向也能清楚地看到光线，这种现象称为光的散射，由于散射引起的光损耗称为散射损耗。 密度不均匀内部应力不均匀折射率不均匀悬浮颗粒瑞利散射本征散射非线性散射损耗 在强电场作用下，出现新的频率或输入光波频率发生变化，称为非线性散射。由非线性散射引起的损耗称为非线性散射损耗。弯曲损耗弯曲损耗模式损耗微弯损耗342263()cmfaEaNhEb光纤耦合损耗光纤耦合损耗 光源与光纤连接时，为获得最佳耦合效率，主要考虑两者的特性参量相互匹配问题。 光纤：纤芯直径、数值孔径、截止波长和偏振特性 光源：发光面积、发光角分布、光谱特性、输出功率

11、及偏振特性 通用光源为半导体激光器和半导体发光二极管，耦合方式分为直接耦合和透镜耦合。显然采用透镜耦合效率更高。采用直接耦合时，半导体激光器优于半导体发光二极管，因为自发辐射光发射的方向性差。 半导体发光二极管与多模光纤直接耦合的最大效率为22maxsinNAc多模光纤之间连接时，为获得最佳耦合效率，在同种类光纤中，主要考虑以下几方面问题： 1、轴偏离对耦合损失影响 2、两光纤端面之间的间隙对耦合损失影响 3、两光纤轴之间的倾斜对耦合损失影响 4、光纤端面不完整对耦合损失影响 在不同种类光纤中，主要考虑：1、光纤芯径 2、折射率不同 单模光纤之间连接时，也是考虑：轴偏离、轴倾斜、端面间隙和不同

12、种类光纤引起的损耗。 光纤和透镜耦合主要考虑数值孔径的匹配和透镜的像差。2.2.光纤的色散光纤的色散色散色散(Dispersion)(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。材料色散和波导色散总称为材料色散和波导色散总称为色度色散色度色散色散一般包括色散一般包括 模式色散模式色散、材料色散材料色散、波导色散波导色散和和偏振色散偏振色散。与损耗一样，色散限制了信号在光纤中的传输距离，与损耗一样，色散限制了信号在光纤中的传输距离，单色散并不使信号减弱，而是使光脉冲在

13、时域上重叠单色散并不使信号减弱，而是使光脉冲在时域上重叠。模式色散模式色散（模间色散）（模间色散）： 在多模光纤中，由于不同模式的时间延迟（群速度）在多模光纤中，由于不同模式的时间延迟（群速度）不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材不同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料折射率的波长特性有关。料折射率的波长特性有关。材料色散材料色散（色度色散）：（色度色散）： 由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光波长成分的光( (实际光源不是纯单色光实际光源不是纯单色光) )，其时间延迟不同，其时间延迟不同（群速度）而

14、产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的（群速度）而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度。波长特性和光源的谱线宽度。波导色散波导色散（色度色散（色度色散 ）：）： 由于导波模具有不同的波长而导致的群速度不同引起由于导波模具有不同的波长而导致的群速度不同引起的色散（的色散（ 不是常数），与波导效应有关，即波导不是常数），与波导效应有关，即波导结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯结构参数与波长有关而产生的，它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差与包层的相对折射率差。1gvdd偏振色散：偏振色散： 实际应用的单模光纤由于存在少量的不对称性，使得实际应用的单模

15、光纤由于存在少量的不对称性，使得两个偏振模的群时延不同而形成的色散。两个偏振模的群时延不同而形成的色散。模内色散：发生在单个模式中的色散，与波长有关的模内色散：发生在单个模式中的色散，与波长有关的色度色度色散是材料色散和波导色散之和。色散是材料色散和波导色散之和。n色散是度量每千米长度上脉冲展宽的的物理量，总脉冲宽度为：距离）色散（ns/kmt距离）色散（ns/kmt2mod22modtotal)()()(teonpolarizatichromaticalttt以上简单方程适合于模式色散，另外光纤中还存在色度色散和偏振模色散，用这三种色散值平方和的平方根来计算总的脉冲展宽。群时延群时延光纤光纤

16、单位长度单位长度传播的延迟时间传播的延迟时间00220dd11ddddkcddvg ddcdkdcgg2112 ddDg)( 色散系数色散系数描述光纤色散程度描述光纤色散程度 定义为：定义为： 单位是单位是:ps/nmkm:ps/nmkm3.光纤的非线性效应 在光纤通信系统中，光纤中的非线性效应，一方面引起传输信号的附加损耗，通信之间的串话，信号频率的移动；另一方面又可以被用来开发新型器件，如激光器、放大器、调制器等。 光孤子通信就是利用光纤中的非线性效应克服色散的影响，压缩后的脉冲已达到6fs( 飞秒)的窄脉冲，使通信速率极大提高，传输距离极大延长。因此要了解和掌握光纤非线性效应的基本原理及

17、应用。sfs151012.42.4 光纤材料及制造光纤材料及制造 高纯度熔石英光纤高纯度熔石英光纤传输损耗低传输损耗低多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维纤芯包层折射纤芯包层折射率可在较大范围率可在较大范围内变化，易于制内变化，易于制造大数值孔径造大数值孔径 的的光纤。光纤。(2)、塑料光纤、塑料光纤成本低、材料损耗大、成本低、材料损耗大、温度性能差。温度性能差。(3)、晶体光纤、晶体光纤纤芯为单晶，可用于制作纤芯为单晶，可用于制作有源和无源光纤器件。有源和无源光纤器件。(1)、石英光纤、石英光纤n光纤的制造要经历光纤预制棒制备、光纤光纤预制棒制备、光纤拉丝、涂覆拉丝、涂覆等具体的工艺步骤。n制备光纤

18、预制棒两步法工艺：第一步采用气相沉积工艺生产光纤预制棒的芯棒；第二步是在气相沉积获得的芯棒上施加外包层制成大光纤预制棒。南京邮电大学南京邮电大学 光电工程学院光电工程学院 光通信研究所光通信研究所Modified Chemical Vapour Deposition (MCVD) Outside Vapour Deposition (OVD)预制棒预制棒加热炉加热炉加涂覆层加涂覆层参数测量参数测量拉丝塔拉丝塔2.52.5 光缆光缆光缆及其结构n 光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件和外护层组合成的整体。n光缆是依靠其中的光纤来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必须要保证其中的光纤具有稳定

19、的传输特性。光缆的分类方法 按成缆光纤类型l多模光纤光缆和单模光纤光缆 按缆芯结构l中心束管、层绞、骨架和带状 按加强件和护层l金属加强件、非金属加强、铠装 按使用场合l长途/室外、室内、水下/海底等 按敷设方式l架空、管道、直埋和水下光缆的结构（成缆方式）o 层绞式o 骨架式o 中心束管式o 带状式光缆结构示意图层绞式层绞式中心束管式中心束管式带状式带状式松套层绞式铠装光缆金属加强自承式光缆微束管室内室外光缆微束管室内室外光缆适合大楼和多层住宅楼的管道引入使用，适合室微束管室内室外光缆适合大楼和多层住宅楼的管道引入使用，适合室内和室外两种环境，芯数一般为内和室外两种环境，芯数一般为12123232。微束管松套光纤为半干式结构，。微束管松套光纤为半干式结构，便于室内光缆分支和施工。便于室内光缆分支和施工。分支型室内布线光缆与分支型室内布线光缆类似，还有一种束状室内布线光缆，使用与分支型室内布