第5章 信息传输材料

1、 光纤发展历史 光纤材料的结构、特性 光纤制备 光纤材料应用 光纤传输技术第五章信息传输材料信息传输的主要方法信息传输的主要方法一、光纤通信发展历程一、光纤通信发展历程 光光( (导导) )纤纤( (维维) )是是2020世纪世纪7070年代的重要发明之年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地技术，创造了光电子学的新天地( (领域领域) )。 光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信中的优势越来越突出，它为人类在有线通信中的优势越来越突出，它为人类2

2、121世纪的世纪的通信基础通信基础信息高速公路奠定了基础，为多媒体信息高速公路奠定了基础，为多媒体( (符号、数字、语音、图形和动态图像符号、数字、语音、图形和动态图像) )通信提供了实通信提供了实现的必需条件现的必需条件。 在这个时期，美国麻省理工学院利用He - Ne激光器和CO2激光器进行了大气激光通信试验大气激光通信试验。由于没有找到稳定可靠和低损耗的传输介质稳定可靠和低损耗的传输介质， 对光通信的研究曾一度走入了低潮。 1960年，美国人梅曼(Maiman)发明了第一台红宝石激光器， 给光通信带来了新的希望。激光器的发明和应用，激光器的发明和应用， 使使沉睡了沉睡了80年的光通信进入

3、一个崭新的阶段年的光通信进入一个崭新的阶段。 1880年，美国人贝尔(Bell)发明了用光波作载波传送话音的“光电话”。贝尔光电话是现代光通信的雏型贝尔光电话是现代光通信的雏型。 1、现代光纤通信、现代光纤通信 1966年，英籍华裔学者英籍华裔学者高锟高锟(C.K.Kao)和霍克哈姆和霍克哈姆(C.A.Hockham)发表了关于传输介质新概念的论文，指出了利用光纤(Optical Fiber)进行信息传输的可能性和技术途径，奠定了现代光通信光纤通信光纤通信的基础。 指明通过指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤通信使用的低损耗光纤”这一发展方

4、向。这一发展方向。光导纤维（Optical Fiber)：简称简称“光纤光纤”，是一种能，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维。维。光纤通信发明家高锟光纤通信发明家高锟( (左左) )1998年在英国接受年在英国接受IEE授予的奖章授予的奖章高高 锟锟于于1966年解决了石英光纤损耗的理论年解决了石英光纤损耗的理论问题问题 1970年，年，光纤光纤研制取得了重大突破研制取得了重大突破 1970年，美国康宁(Corning)公司研制成功损耗20dB/km的石英光纤。把光纤通信的研究开发推向一个新阶段。把光纤通信的研究开发推向一

5、个新阶段。 1972年，康宁公司高纯石英多模光纤损耗降低到4 dB/km。 1973 年，美国贝尔(Bell)实验室的光纤损耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本电报电话(NTT)公司将光纤损耗降低到0.47 dB/km(波长1.2m)。 在以后的 10 年中，波长为1.55 m的光纤损耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纤最低损耗的理论极限光纤最低损耗的理论极限。 2、实用实用光纤通信系统光纤通信系统的发展的发展 1976 年，美国在亚特兰大(Atlanta)

6、进行了世界上第一个实世界上第一个实用光纤通信系统的现场试验用光纤通信系统的现场试验。 1980 年，美国标准化FT - 3光纤通信系统投入商业应用。 1976 年和 1978 年，日本先后进行了速率为34 Mb/s的突变型多模光纤通信系统， 以及速率为100 Mb/s的渐变型多模光纤通信系统的试验。 1983年敷设了纵贯日本南北的光缆长途干线。 随后，由美、日、 英、法发起的第一条横跨大西洋 TAT-8海底光缆通信系统于1988年建成。 第一条横跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光缆通信系统于1989年建成。从此，海底光缆通信系统的建设得到了全面展开，促进了全球通信网的发展。 国内外光纤通

7、信发展的现状国内外光纤通信发展的现状 1976年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信年美国在亚特兰大进行的现场试验，标志着光纤通信从基础研究发展到了商业应用的新阶段从基础研究发展到了商业应用的新阶段。 此后，光纤通信技术不断创新：光纤从多模发展到单模多模发展到单模，工作波长从0.85 m发展到1.31 m和1.55 m(短波长向长波短波长向长波长长），传输速率传输速率从几十Mb/s发展到几十Gb/s。 随着技术的进步和大规模产业的形成，光纤价格不断下光纤价格不断下降降，应用范围不断扩大。 目前光纤已成为信息宽带传输的主要媒质，光纤通信系统将成为未来国家信息基础设施的支柱。 在许多发达国

8、家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济在许多发达国家，生产光纤通信产品的行业已在国民经济中占重要地位中占重要地位。二、光纤结构与材料二、光纤结构与材料选材的准则：1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕2. 在特定波长损耗低3. 能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：1. 无源玻璃纤维；2. 有源玻璃纤维；3. 塑料纤维 一次涂覆层 纤芯 包层 套层一次涂覆层 包层 纤芯 套层 光纤的结构示意图光纤的结构 光纤是一种纤芯折射率比包层折射率高的同轴园柱形电介质波导。纤芯与包层的相对折射率 = 0.01 0.02。对于石英光纤，纤芯是参杂GeO2的高纯SiO2 （99.999%)

9、光纤的结构1纤芯纤芯包层包层保护保护套套光缆光缆通信波段划分及相应传输媒介通信波段划分及相应传输媒介频率频率 Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（自由空间波长（m）电力、电话电力、电话无线电、电视无线电、电视微波微波红外红外可见光可见光双铰线双铰线同轴电缆同轴电缆光纤光纤卫星卫星/微波微波AM无线电无线电FM无线电无线电频段频段划分划分传传输输介介质质电磁波谱的划分电磁波谱的划分光纤通信技术与应用光纤通信技术与应用光

10、纤常用单位和使用光谱 光纤通信中常用单位的定义： 1. dB = 10 log10 ( Pout / / Pin ) Pout :输出功率 ; Pin :输入功率 2. dBm = 10 log10 ( P / 1mw) 是通信工程中广泛使用的单位；通常表示以1毫瓦为参考的光功率；1cm 1mm 100um 10um 1um 100nm 10nm 1nm 波長波長10G 100G 1T 10T 100T 1015 1016 1017 f (Hz)1.6um 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0um 900 800 700 600nm光通信使用范围光通信使用范围红外线红外线紫外线紫外线

11、折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin1 = n2 sin21 1）光的折射定律）光的折射定律 (Snell(Snell定律定律 ) )空气玻璃光从光密媒质折射到光疏媒质折射角大于大于入射角三、光纤传输的基本原理三、光纤传输的基本原理n1 sinc = n2 sin 90 c = sin-1(n2/n1), n1 n2光的全反射光的全反射玻璃的折射率为1.50，空气的折射率为1.00，如果一束光从玻璃入射到玻璃 - 空气界面，那么，当入射角大于42度时，入射光将发生全反射。c光密媒质光疏媒质光导纤维光导纤维n光纤可传导光能，传递光学图象

12、，做成各种光纤传感器，光纤可传导光能，传递光学图象，做成各种光纤传感器，在医学（用于医疗诊病用的内视镜）、精密测量、计算在医学（用于医疗诊病用的内视镜）、精密测量、计算机以及光纤通信等方面得到广泛应用。机以及光纤通信等方面得到广泛应用。光利用全反射可在弯曲的光纤光利用全反射可在弯曲的光纤内行进。内行进。麦克斯韦方程0BDDJHBEtt00BDDHBEtt一般形式在线性的、各向同性的电介质中，没有电流和自由电荷E 电场强度；D 电位移矢量；H 磁场强度；B 磁感应强度J 电流密度； 自由电荷密度其中，D = eE B = mH2）光纤模式推导柱坐标下的波导方程)(0),(ztjer EE)(0)

13、,(ztjer HH011222222zzzzEqErrErrE011222222zzzzHqHrrHrrH注：其余E、Er、H和Hr分量均可由Ez和Hz求出采用分离变量法求解 tTzZrAFtzrEz,分离变量法 (阶跃光纤的波动方程)1) 场量随时间t和坐标轴z的变化规律是简谐的 )(ztjetTzZ2) 波导结构圆对称场分量以2p为周期 (因此v = 0,1,2,) jve0122222FrvqrFrrF代入波动方程，得到贝塞尔方程：ztjjvvzeeurAJarEztjjvvzeeurBJarHztjjvvzeewrCKarEztjjvvzeewrDKarHn1n2n2r = ar 0

14、 场解为有限值r 场解衰减为0其中u2 = (2pn1)/l2 2其中w2 = 2 (2pn2)/l2 纤芯区域的解为贝塞尔函数纤芯外部的解为修正的贝塞尔函数 圆波导的模式圆波导的模式 麦克斯韦方程的一个解即对应一个模式，对应着电磁场在光纤中的一种分布形式。按分布形式，模式可以分为以下几种类型：1. 横电模 (TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z2. 横磁模 (TM)： z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的电场和磁场都不为0 HE (Ez Hz) 相反 EH (Ez Hz)模式概述模式概述 下面为光轴剖面的几个低阶横电模式的场分

15、布。它们表现出以下特点：(1) 它们的强度在纤芯区域简谐变化，在包层按指数衰减。(2) 模式的阶数等于波导横向场量零点的个数。光的入射角越小，激发的模式阶数越低。(3) 模场并不完全局限在纤芯，而是部分进入包层。强度简谐变化指数衰减指数衰减纤芯 n1包层 n2包层 n2辐射模和泄漏模辐射模和泄漏模 分析表明，只有那些满足特定条件的入射光才能激励起导波模。此外还有其它模式：辐射模：光的入射角过大，导致光在波导表面产生折射进入包 层形成包层模。包层模会与导波模分布在包层的能量 耦合，导致导波模的功率损耗，因此需要抑制。泄漏模：一些高阶模的能量在沿光纤传播的过程中连续辐射出 纤芯，很快衰减并消失。N

16、AannaVlplp222/12221归一化频率归一化频率 ( (重要参数重要参数) )最低阶模V才是判断单模和多模光纤的标准才是判断单模和多模光纤的标准 某个模式成为导波模的条件是，它的传播常数满足下列条件：n2k 20cm) 在偏僻地区存在有供电困难问题光纤通信整体发展时间表光纤通信整体发展时间表1974 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 100000 10000 1000 100 10 1 0.1 0.8m多模1.3m单模1.55m直接检测光孤子光放大器1.55m相干检测系统性能(Gb/sKm）光光 纤纤 光光 缆缆 普普 通通 电

17、电 缆缆 信息量大信息量大, ,每根光纤理论上可同每根光纤理论上可同时通过时通过1010亿路电话亿路电话 8 8管同轴电缆每管同轴电缆每条通话条通话18001800路路 原料来源广原料来源广( (石英玻璃石英玻璃),),节约有节约有色金属色金属 资源较少资源较少 质量小质量小, ,每公里每公里27 g,27 g,不怕腐蚀不怕腐蚀, ,铺设方便铺设方便 每公里每公里1.6 t 1.6 t 成本低成本低, ,每公里每公里1 1千元左右千元左右 每公里每公里2020万元万元 性能好性能好, ,抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强, ,能能防窃听防窃听, ,不发生电辐射不发生电辐射 2 2）光纤光缆与

18、普通电缆比较）光纤光缆与普通电缆比较 按传输的模式数目分单模光纤多模光纤按折射率的变化分阶跃光纤梯度光纤ITU-T官方定义G.651光纤 (渐变型多模光纤)G.652光纤光纤 (常规单模光纤常规单模光纤)G.653光纤 (色散位移光纤)G.654光纤 (衰减最小光纤)G.655光纤 (非零色散位移光纤)3 3）光纤的分类）光纤的分类单模光纤和多模光纤单模光纤(Signal Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式进行传播在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在

19、光纤纤芯纤芯- -包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射光的一个光的一个传播模式传播模式单模光纤和多模光纤 (续) 一根光纤是不是单模传输，与 (1) 光纤自身的结构参数和 (2) 光纤中传输的光波长有关。 当光纤芯径的几何尺寸远大于光波波长时，光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。 反之，当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级时，光纤只允许一种模式在其中传播，即单模传输。 因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。例如，对于常用的通信波长 (1550 nm)，单模光纤芯径为812 mm，而多模光纤芯

20、径 50 mm。注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准单模光纤优点：不存在模间色散，带宽大，用于长途传输缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励多模光纤优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输单模光纤和多模光纤 (续)模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽 (1)单模光纤单模光纤 单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，

21、光纤传输模数很少，原通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合难以制造和耦合。 (2)多模光纤。多模光纤。 多模光纤纤芯直径约为多模光纤纤芯直径约为50m，纤芯直径远大于光的波长。，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的

22、截面积大，容易这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。 多模光缆 62.5微米最为常用 典型距离为8公里 用于: 闭路电视 广播 数据传输 带宽为50-500 MHz-km单模光缆 无限带宽 8 至 10 微米 典型距离超过8公里 用于: 长途通讯 长途电视信号传输 长途多路广播 长途数据传输 比电传输更便宜包层包层(n2)芯(n1)DCBA2b2a折射率折射率包层包层CBA芯A包层芯折射率(a)(b)(c) 图图 裸光纤结构示意图裸光纤结构示意图(a) 阶跃型多模光纤阶跃型多模光纤; (b) 梯

23、度型多模光纤梯度型多模光纤; (c) 单模光纤单模光纤 3）光纤折射率变化）光纤折射率变化阶跃型光纤阶跃型光纤 纤芯与包层间折射率的变化是纤芯与包层间折射率的变化是阶梯状阶梯状的。的。)r(n1n2nr)r(n1n2nr梯度型光纤梯度型光纤纤芯与包层间折射率的变化是纤芯与包层间折射率的变化是渐变渐变的。的。光纤中的射线光纤中的射线光纤中的射线光纤中的射线无源玻璃纤维无源玻璃纤维玻璃纤维的主材：玻璃纤维的主材：SiOSiO2 2 - - 物理和化学稳定性好物理和化学稳定性好- - 对通信光波段的透明性好对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在折射率差的引入：通过在SiOSiO2 2中掺入不同

24、杂质中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫属元素增加非线性效应：通过掺入硫属元素GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层在0.28mm具有极低损耗有源玻璃纤维和塑料光纤有源玻璃纤维和塑料光纤有源光纤：在SiO2中掺入稀土元素 (如：铒)- 光纤放大器 (如：掺铒光纤放大器)塑料光纤- 更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合- 损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输- 使用范围还十分有限光纤种类光纤种类材材 料料 成成 分分采采 用用 原原 料料石英光纤芯线：SiO2 GeO2 P2O5 包层：SiO2 B2O3SiCl4 G

25、eCl4 POCl3SiCl4 BCl3 BBr3多 组 分 光纤芯线：SiO2 Na2O CaO GeO2 包层：SiO2 Na2O CaO B2O5：S i C l4 N a N O3 C a ( N O3)2 Ge(C4H9O)4SiCl4 NaNO3 Ca(NO3)2 BCl3石英芯线塑 料 包 层光纤芯线；SiO2包层：有机硅SiCl4二甲基二氯硅烷 塑料光纤芯线：PMMA包层：氯化MAP聚甲基丙烯酸甲酯氟化甲酯表表20.5 20.5 光纤的种类与材料光纤的种类与材料五、光纤传输特性 光纤特性有光学特性,传输特性,机械特性,温度特性等九项,其中传输特性有两个 损耗特性 色散特性光纤损

26、耗产生的原因光纤损耗产生的原因 吸收损耗吸收损耗 本征吸收本征吸收 紫外本征吸收（电子越迁）紫外本征吸收（电子越迁） 红外本征吸收（分子振动）红外本征吸收（分子振动） 杂质吸收（杂质吸收（OHOH- -） 散射损耗（瑞利散射）散射损耗（瑞利散射） 被覆层效应被覆层效应 弯曲损耗（微弯损耗）弯曲损耗（微弯损耗）图8.3 光纤损耗的分类 1.损耗特性LA(P1)B(P0)=log10LP1P0为损耗系数 损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗: 第一窗口光工作波长0.85m,损耗稍大 第二窗口光工作波长1.31m,损耗中等 第三窗口光工作波长1.55m,损耗最小0.7 0.8 0

27、.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5衰减（衰减（dB/km）第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口波长波长（m）普通单模光纤的衰减随波长变化示意图普通单模光纤的衰减随波长变化示意图6 5 4 3 2 10。40。2第三窗口第三窗口 C 波段波段15251565nm 1.57 1.62 L波段波段图 8.4 光纤损耗波长曲线 0.010.1125实测瑞利散射紫外吸收红外吸收0.81.0 1.2 1.4 1.6 2.0l / mm损耗 / (dB/km)表表8.4 光纤的色散种类和特点光纤的色散种类和特点 1. 模式色散模式色散 1) 阶跃光纤的模色散 阶跃型多模光纤模色散产生的脉冲展宽

28、决定于最大时延差M。在光纤中不是所有模式的光线均能在光纤内传播，因为光纤是利用全反射原理来导引光线的，所以只有小于光纤的全反射截止角(又称传输角)范围内的模式光线，才能在光纤内继续传播。 把它们称为光纤的传输模。如图8.8所示，光线是平行光纤轴直线传播的低次模(基模)，光线是折线传播的最高阶模。 由于光在光纤中的传播速度为v=c/n，其中n为介质折射率，c为光速，故可求得光线和光线通过长度为L的光纤后的最大时延差M为 LcnncLncLvLvLttcsin1111212Mq(8.13) 式中，t1, t2分别为光线和光线经过长度为L的光纤到达终端的时间；v2为光线对光纤轴向的传播速度；v1为光

29、线的传播速度；=(n1-n2)/ n1 。 图 8.8 光线在光纤中的传播qc12 2) 渐变光纤的模色散 渐变光纤轴上折射率n1最大，光在轴上的传播速率v1=c/n1最小，而在离开光纤轴距离为r处的折射率n(r)小于n1，因此作曲线传播的光线的线速度v(r)=c/n(r)必然大于v1。所以适当控制折射率分布指数, 有可能使作曲线传播的光线与直线传播的光线同时到达光纤终点。一般2时，渐变光纤的脉冲展宽模色散最小，此时光线在光纤中呈周期性会聚和发散传播， 所以渐变光纤又叫自聚焦光纤。这种光纤的时延表达式推导过程比较复杂，其结果为 222-22121cLncLnM(8.14) 设纤芯折射率n1=1

30、.5, =0.01，=2。对于L=1km的阶跃光纤和渐变光纤，分别用式(8.13)和式(8.14)求得M分别为50 ns和0.25 ns。而当=2.22时可求出渐变光纤的M(1 km)=2.6 ns。 可见，渐变光纤的模色散远小于阶跃光纤，而且当=2时，其模色散最小。因此，渐变光纤的是一个重要的指标。 需要指出，一般并不利用式(8.13)和式(8.14)来计算脉冲展宽。因为折射率测量并不方便，再则光纤的工艺不很均匀，所以计算不可能得到很精确的结果。工程上通常直接测量光纤的脉冲展宽，并以此作为系统设计的依据。光纤产品一般给出光纤色散脉冲展宽值，而不给出折射率差。 2.色散特性 由于光纤所传输信号

31、中不同模式或不同频率成分因传输速度的不同而引起传输信号发生畸变的一种物理现象. 色散与光的工作波长有关,1.31m处是色散的最小点.1.01.21.41.6色散 2. 材料色散材料色散 光源辐射的光载波，严格讲不是单一频率，其总是占据一定的频谱宽度，而光纤材料折射率随频率而变化，因此，信号不同频率分量具有不同的传播速度，即经过不同的时延到达接收点，从而引起光纤的脉冲展宽，称为光纤的材料色散。材料色散引起的脉冲展宽可用下式表示为m=DL() (8.15)式中，L为光纤长度，为光源半幅值谱线宽度，D为光纤材料 色 散 系 数 。 典 型 的 石 英 光 纤 材 料 色 散 系 数 D = 8 5

32、ps/(nmkm)(0.85 m)。典型激光器的谱线宽度=2nm左右。 典型发光管的谱线宽度=50 nm左右，它们在1km光纤的材料色散m分别为0.17ns和4.25 ns。 3. 波导色散波导色散 假设一根没有材料色散的光纤仍可发现光脉冲的谱线宽度对于光纤的脉冲展宽有影响。这是因为在特定结构的光纤中， 传输模的个数以及它们的传播常数与光波长有关。这种色散称为光纤的波导色散W。由于波导色散是由光纤几何结构决定的，故也称为结构色散。一般波导色散很小，在多模光纤中可以忽略。 在单模光纤中，由于光在纤芯内传播时，还会有部分光功率进入包层， 而包层中的光速比芯中的快，这样也会出现时延差。这种色散在芯径

33、和数值孔径很小的单模光纤中才明显地呈现出来。 但它并不是单模光纤中色散的主要部分。 上述三种色散的总色散， 即总的脉冲展宽近似式为 2W2m2M其中，多模光纤 ，单模光纤 2m2M2W2m。 4. 偏振模色散偏振模色散 偏振是与光的振动方向有关的光性能。光纤中的光信号传输可描述为完全是沿X轴上的振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动，如图8.9所示。每个轴代表一个偏振“模”。两个偏振模到达的时延差称为偏振模色散(PMD)， PMD的度量单位为ps。光纤的PMD系数表示的单位为 km/ps图 8.9 光纤偏振模色散 光纤轴散射损耗 由于下列原因，光信号会损耗: 光缆中的分子不均匀 光

34、缆的光学纯度不高吸收损耗 光缆中的杂质会吸收光的能量界面品质引起的损耗 光缆内核与覆层之间的不均匀会引起如图所示的损耗弯曲损耗 光纤的弯曲会造成损耗 光穿越叠层光损耗与波长 损耗计量： 分贝/公里 与波长有关 单模损失较小 波长常被称作窗口 光谱中红外部分的影响激光光源频谱图六、六、 光纤制造光纤制造两种基本方法1. 直接熔化法： 按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净 组分直接制造成光纤2. 汽相氧化过程： - 高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒 - (通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面 - 烧结 (在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻

35、璃体) 制成预制棒 - 拉丝成纤 主要制棒工艺： 属化学气相工艺法的有：改进的化学气相沉积法（MCVD, modified chemical vapor deposition）；等离子体激活化学气相沉积法（PCVD, plasma activated chemical vapor deposition）；轴向气相沉积法（VAD, vapor phase axial deposition）；外气相沉积法（OVD, outside vapor phase deposition）。 属非气相工艺的方法有：多组分玻璃熔融法；溶胶-凝胶（Sol - Gel）法；机械成型法（mchanical shape

36、d perform）。光纤种类及制备 (1) 高纯度石英高纯度石英(SiO2)玻璃纤维。玻璃纤维。 这种材料的光损耗比较小，在波长这种材料的光损耗比较小，在波长1.2m时、最低损耗约为时、最低损耗约为0.47dB/km。 (2) 多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波钠玻璃光纤，在波 长长0.84m时，最低损时，最低损耗为耗为3.4dB/km。 (3) 塑料光纤。塑料光纤。 用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当当0.63m时，损耗高达时，损耗高达100200 dB/km；但重量

37、轻，成本低，柔软性好，适但重量轻，成本低，柔软性好，适 用于短距离用于短距离导光。导光。1 1、石英光纤的基本构造、石英光纤的基本构造 石英光纤的基础材料是二氧化硅，密度约为2.2 gcm-3，熔点约为1700。纤芯材料的主要成份是高纯度二氧化硅（SiO2），纯度高达99.9999%，另有极少量掺杂材料，如二氧化锗（GeO2），用于提高纤芯的折射率。纤芯直径一般在5-50 m之间。包层材料一般是纯净二氧化硅，其折射率一般比纤芯折射率低百分之几。若是多包层光纤，则包层中会掺杂少量硼或氟材料来降低折射率。包层直径为125 m，包层外面的涂覆层是高分子材料（如环氧树脂、硅橡胶等），旨在增强光纤的柔性

38、和机械强度，光纤外径为250 m。2 2、石英光纤的制备、石英光纤的制备 石英光纤的生产原料多数是液态卤化物，四氯石英光纤的生产原料多数是液态卤化物，四氯化硅、四氯化锗和氟里昂（化硅、四氯化锗和氟里昂（CFCF2 2ClCl2 2）等。为保证光纤）等。为保证光纤质量并降低损耗，要求原材料中含的过渡金属离子、质量并降低损耗，要求原材料中含的过渡金属离子、氢氧根杂技的质量比不应高于氢氧根杂技的质量比不应高于1010-9-9量级，为此，需对量级，为此，需对大部分卤化物进一步提纯。大部分卤化物进一步提纯。 制备石英光纤主要包括两个过程，即制棒和拉制备石英光纤主要包括两个过程，即制棒和拉丝。丝。 制备光

39、纤时先要熔制出一根玻璃棒，玻璃棒的制备光纤时先要熔制出一根玻璃棒，玻璃棒的芯包层材料都是石英玻璃。纯石英玻璃的折射率约芯包层材料都是石英玻璃。纯石英玻璃的折射率约为为1.4571.457，为满足光在纤芯中的传输条件，必须使纤，为满足光在纤芯中的传输条件，必须使纤芯中的折射率稍高于包层的折射率。为此，在制备芯中的折射率稍高于包层的折射率。为此，在制备芯玻璃时均匀掺入少量的比石英折射率稍高的材料。芯玻璃时均匀掺入少量的比石英折射率稍高的材料。这样制成的玻璃棒叫光纤预制棒。这样制成的玻璃棒叫光纤预制棒。直接熔化法：双坩埚法直接熔化法：双坩埚法纤芯坯料棒 内坩埚包层坯料棒纤芯玻璃外坩埚熔炉 拉制光纤

40、(到拉丝机)包层玻璃直接熔化法：可用于制造石英光纤、卤化物光纤和硫属光纤具有产量大、可连续制造的优点但坯料棒熔化过程中容易带来杂质，它的最低损耗值为5 dB/km汽相氧化法：外部汽相氧化法汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO)(OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽饵棒粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉 1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤汽相轴向沉积法汽相轴向沉积法 (VAD)(VAD)推进机 马达马达输送杆透明预制棒容器环状加热器疏松的预制棒真空泵红外热成像仪玻璃微粒反应室 喷灯

41、口优点：1. 预制棒不再具有空洞2. 预制棒可以任意长3. 沉积室和熔融室紧密相连，可以保证制作 环境清洁4. 没有使用氢氧焰，单模光纤所含的OH- 较低，因此损耗较低在 0.20.4 dB/km1977年日本开发改进的化学汽相沉积法改进的化学汽相沉积法 (MCVD)(MCVD)贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤 玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成反应物质金属卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口SiO2饵管 烧结后的玻璃粉层沉积物来回移动的喷灯H-O等离子体活性化学汽相沉积法等离子体活

42、性化学汽相沉积法 (PCVD)(PCVD)熔融石英管SiCl4 + O2 + 参杂物质反应物质排气口低压工作的等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)10001200度飞利浦提出1978年应用于量产直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形可快速移动，沉积厚度减少，有利于控制折射率分布沉积效率高、沉积速度快有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀几种常规制备方法示意图光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝光纤拉丝机光纤拉丝机d = 1025 mm; L = 60120 cm精密输送机构夹具预制棒拉丝炉光纤粗细监测仪裸光纤涂覆机 已涂覆光纤光纤卷绕光纤的机械和温度特性光纤的机械

43、和温度特性1) 光纤的抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度2) 光纤的延展性(1%)比金属差(20%)3) 当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂4) 光纤遇水容易断裂且损耗增大5) 在低温下损耗随温度降低而增加需要增强机械性能、需要防水七、光纤通信系统的基本组成七、光纤通信系统的基本组成 下图示出单向传输的光纤通信系统，包括发射发射、接收接收和作为广义信道的基本光纤传输系统光纤传输系统。信息源电发射机光发射机光接收机电接收机信息宿基本光纤传输系统光纤线路接 收发 射电信号输入光信号输出光信号输入电信号输出 基本光纤传输系统基本光纤传输系统的三个组成部分的三个组成部分)( 1)(lg1

44、0)(mvmvpdBmp电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。 这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 外调制外调制 把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。 外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 2. 光纤线路光纤线路 是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失失真真)和衰减传输到光接收机和衰减传输到光接收

45、机光纤光纤、光纤接头光纤接头和光纤连接器光纤连接器 普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85 m、1.31 m和1.55 m有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。激光器的发射波长激光器的发射波长和光电二极管的波长响应光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口窗口相一致。 目前在实验室条件下，1.55 m的损耗已达到0.154 dB/km， 接近石英光纤损耗的理论极限。 波分复用 信道复用技术 光波分复用原理 点对点光波分复用传输系统 光波分复用器件 1传送器传送器 2传送器传送器 1+ 2 1+ 2 1接收器接收器 2接收器接收器 信道复用技术信道复用

46、：在同一信道上同时传输N路或N个用户的信息（N1） ，其基本方法是将该信道划分为N个子信道。 频分复用（FDM）：各子信道占用不同的频带，用滤波器分路；新发展的技术有正交频分复用（OFDM）、编码正交频分复用（COFDM）。 时分复用（TDM）：各子信道占用不同的时隙，用门分路；又有同步时分复用和异步时分复用（又称统计时分复用）之分。 码分复用（CDM）：各子信道采用不同的相互正交的码序列，用相关器分路。 光波分复用（WDM）：各子信道采用不同的光载波，用光滤波器分路。光波分复用原理 光波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）是在一根光纤中同时传输多

47、个波长光信号的技术。 发送端复用（OMUX）：组合不同波长的光信号并耦合到同一根光纤中。 接收端解复用（ODMX）：分离不同波长的光信号并作进一步处理。 中继放大：经过一定距离的传输后，要用宽带放大器对光信号进行放大；目前普遍采用掺铒光纤放大器（EDFA）。 耦合器 滤波器 波分复用器/ 解复用器 掺铒光纤放大器（EDFA ） 用于WDM的激光器 N11NNM耦 合 器（1）功能：组合组合来自不同光纤的光信号或 将光信号分离分离到不同的光纤中工作原理：分光纤型光纤型、微光学机械型、波导型。从性能和价格考虑，光纤型为最好。下面介绍光纤型耦合器的基本结光纤型耦合器的基本结构和工作原理构和工作原理。把两根或多根光纤排列，用熔拉双锥技术制作。在熔接区，光纤变细，相互靠近，发生了耦合。由于常规单模光纤中大约有20的光是靠包层传输的，光纤变细就有更多的能量分布于芯线外，加之光纤相互靠近，于是在耦合区就发生了不同程度的耦合。耦合区)( 1)(lg10)(mvmvpdBmp电信号对光的调制的实现方式电信号对光的调制的实现方式 直接调制直接调制 用电信