光纤传输理论及基本特性

光纤传输理论及基本特性第一页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院2.1光纤结构与分类1

2.1.1光纤的结构2

2.1.2

光纤的折射率分布3

2.1.3

光纤的分类第二页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院1.光纤的结构光纤的全称是光导纤维(OpticalFiber)，是一种多层同心对称圆柱结构，从里到外依次是纤芯、包层（可以是多层）和涂覆层。所传光的波长在可见光和红外光区域。2.1.1光纤的结构第三页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院1.相对折射率差△折射率(n1,n2)由制作光纤的材料决定，在光纤分析中通常定义相对折射率差

通常:单模光纤的相对折射率差△满足0.003<△<0.01，多模光纤的相对折射率差△满足0.01<△<0.03。2.1.2光纤的折射率分布第四页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院2.折射率剖面在数学上，光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数称为光纤的折射率剖面。在圆柱坐标系(r,φ,z)中，用n(r)表示。在理论分析时，折射率剖面n(r)

就是光纤的数学模型。2.1.2光纤的折射率分布第五页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院一些常见光纤的折射率分布

2.1.2光纤的折射率分布第六页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院2.1.3光纤的分类按折射率径向分布阶跃光纤渐变折射率光纤等按照用途分通信光纤非通信光纤(特殊光纤）低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤、液芯光纤、激光光纤和红外光纤等按照传输模式分单模光纤纤芯直径4-10μm(LP01)多模光纤纤芯直径50μm左右按照制作材料分高纯度石英玻璃光纤纤芯：锗硅材料；包层：硼硅材料。有三个低损耗传输窗口（0.85μm，1.31μm，1.55μm）。传输损耗低，可低于0.5dB/km。可作为长途光纤通信用。多组分玻璃光纤常规的光学玻璃，如Sodium-borosilicate，传输损耗较大，在λ=0.84μm时，损耗为3.4dB/km。传播光束，像束。塑料光纤重量轻、成本低、柔性好，加工方便，损耗大（λ=0.63μm时，损耗为100～200dB/km）。短距离传输用按照制作工艺分化学气相沉积法（CVD，MCVD）用来制作高纯度石英玻璃光纤等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)用来制作高纯度石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤双坩埚法（三坩埚法）用来制作多组分玻璃光纤第七页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院2.2光纤的制作和光缆在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺。石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段，即光纤预制棒的制造和预制棒拉制光纤。12.2.1光纤预制棒的制作方法22.2.2

预制棒拉丝3

2.2.3

光缆第八页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院常见的预制棒制作方法有：

1.外气相沉积法(OVPO);2.气相轴向沉积法(VPAD);3.改进的化学气相沉积法(MCVD);4.等离子体激活化学气相沉积法(PCVD)；

……2.2.1光纤预制棒的制作方法第九页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院1.外气相沉积法

OVPO:OutsideVapourPhaseOxidationCorningClassWork公司用于制造第一根损耗小于20dB/km的石英光纤的方法。抽掉中心棒，高温烧结成预制棒2.2.1光纤预制棒的制作方法第十页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院OVPO法的基本步骤

(1)中心棒在喷嘴下方，匀速旋转并来回平移，以便在中心棒外形成粉尘的均匀沉积。

(2)控制气体流量成分，可以使预制棒折射率分布是阶跃的，或是渐变的。

(3)沉积过程完成后，经过脱水处理后，抽出中心棒，在高温炉中将粉尘状预制棒烧结成透明玻璃预制棒。2.2.1光纤预制棒的制作方法第十一页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院2.气相轴向沉积法VPAD:VapourPhaseAxialDeposition日本NTT公司采用的光纤预制棒制作方法。化学反应生成SiO2微粒的过程与OVPO法完全一样，沉积时由横向变为纵向。VPAD法的优点：沉积速度快，适合批量生产；一根棒可拉100km以上的光纤。2.2.1光纤预制棒的制作方法第十二页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院3.改进的化学气相沉积法MCVD:ModifiedChemicalVapourDeposition由贝尔实验室设计。在旋转的石英管的内壁进行沉积。停止气相反应后，加高温将石英管烧结成实心棒，改变气相组分可以制成阶跃或梯度折射率预制棒。2.2.1光纤预制棒的制作方法第十三页，共二十九页，2022年，8月28日精密仪器与光电子工程学院4.等离子体激活化学气相沉积法PCVD:PlasmaActivatedChemicalVapourDeposition由Philips研究所的科学家们发明微波谐振腔使管内气体等离子化，产生高温化学反应，将一层纯净SiO2沉积在管壁上，SiCl4

的沉积率接近100％。2.2.1光纤预制棒的制作方法第十四页，共二十九页，2022年，8月28日为了防止石墨在高温下氧化，充入氩气等惰性气体加以保护；送棒机构和牵引辊的速度要匹配，以保证光纤外径的均匀性;激光测径；涂覆层紫外线固化；外径波动控制在0.5微米之内拉丝的速度可以调整，600m/min~1000m/min2.2.2预制棒拉丝精密仪器与光电子工程学院第十五页，共二十九页，2022年，8月28日2.2.3光缆精密仪器与光电子工程学院第十六页，共二十九页，2022年，8月28日第十七页，共二十九页，2022年，8月28日习题简答光纤的结构，相对折射率差。光纤的折射率剖面是什么？给出几种常见的光纤折射率分布情况。了解光纤的常见分类。简单叙述OVPO，VPAD，MCVD，PCVD等预制棒制作方法。第十八页，共二十九页，2022年，8月28日第十九页，共二十九页，2022年，8月28日2.3光纤的传光原理射线理论分析法—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。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。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。第二十页，共二十九页，2022年，8月28日2.3.1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。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。第二十一页，共二十九页，2022年，8月28日1.子午光线和斜光线斜光线(偏射线):

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。斜光线的极限是焦散面与芯包层界面重合，这时斜光线变成螺旋线。2.3.1均匀折射率光纤的射线理论分析第二十二页，共二十九页，2022年，8月28日2.阶跃光纤中的子午光线分析2.3.1均匀折射率光纤的射线理论分析第二十三页，共二十九页，2022年，8月28日a.数值孔径数值孔径N.A.(NumericalAperture)，是光纤的重要参数，用来计量光纤接受光的特性。仅由光纤的折射率决定，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，形成导波。2.3.1均匀折射率光纤的射线理论分析第二十四页，共二十九页，2022年，8月28日b.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。总几何程长ρ(θ)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。2.3.1均匀折射率光纤的射线理论分析第二十五页，共二十九页，2022年，8月28日c.子午光线的反射次数

η(θ,d)是入射角和光纤直径的函数。2.3.1均匀折射率光纤的射线理论分析第二