综合布线基础知识讲义六零

第十二章：光纤结构、波导原理和制造

回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式主要内容12.1光的基本特性-17世纪意大利格里马蒂和英国胡克观测到光的衍射现象-1690年海牙物理学家惠更斯提出光的波动性学说-1801年托马斯·杨双缝干涉实验-1817年菲涅尔解释并重新演示了光的衍射-1865年麦克斯韦发表电磁场理论并预言光是一种电磁波-1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的预言光的波动性光两种典型的传播方式定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前性质：光的传播方向垂直于波前点光源球面波前平面波前光线假设光在各向同性的均匀介质中传播平面波光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振动方向(1821年，菲涅尔)给定一个空间直角坐标系O-xyz，假设一列平面波始终沿z方向传播，那么这列波可测量的电场可以表示为：其中：e为电场振动方向

w为光的角频率

k=2p/l为传播常数，表征相位变化的快慢E(z,t)=eEcos(t-kz)Oyxzee偏振态根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光Oyxzee电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：E(z,t)=Ex(z,t)+Ey(z,t)Ex(z,t)=exE0xcos(t-kz)Ey(z,t)=eyE0ycos(t-kz+)这两个垂直分量之间的相位差满足d=2mp,其中m=0,±1,±2,…线偏振光qE0yE0x椭圆偏振光(d

≠2mp,m=0,±1,±2,…)椭圆偏振光圆偏振光特别地，当两个相互正交的分量E0x=E0y=E0，且二者之间的相位差d=±p/2+2mp时，椭圆偏振光变成圆偏振光：迎着光传播的方向观察，根据d取p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光光的粒子性：光电效应(1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦成功解释)1.光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的2.光子的能量仅与光子的频率有关一个频率为n的光子能量为

E=hn

其中h=6.6310-34J·s为普朗克常数光的量子特性在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光照频率。光速c=3108m/s波长：=c/v当光在媒介介中传播时时，速度cm=c/n常见物质的的折射率：：空气1.00027；水1.33；；玻璃(SiO2)1.47；钻石2.42；硅3.5折射率大的的媒介称为为光密媒介介，反之称称为光疏媒媒介光在不同的的介质中传传输速度不不同12.2基本的光学学定律和定定义光的反射定定律[两种不同媒媒介的界面面]反射光线位位于入射光光线和法线线所决定的的平面内，，反射光线线和入射光线处处于法线的的两侧，且且反射角等等于入射角角：qin=qr折射光线位位于入射光光线和法线线所决定的的平面内，，折射光线线和入射光光线位于法法线的两侧侧，且满足足：n1sin1=n2sin2光的折射定定律(Snell定律)空气玻璃光从光密媒媒质折射到到光疏媒质质折射角大于入射角n1sinfc=n2sin90°[fc=sin-1(n2/n1),n1>n2]光的全反射射玻璃的折射射率为1.50，空气的折折射率为1.00，如果一束束光从玻璃璃入射到玻玻璃-空气界面，，那么，当当入射角大大于42度时，入射射光将发生生全反射。。fc光密媒质光疏媒质q1<p/2-fc全反射中，，光电场的的垂直分量量的相移(dN)和平行分量量的相移(dp)全反射光的的相移空气与玻璃璃界面n=n1/n2fcq1<p/2-fcfc48偏振态按光光平面分解解垂直分量水平分量fc=42度回顾光的特性、、基本的光学定定律和定义介绍光纤结构、、分类、特性和和射线光学解释释圆波导模式及其其理论简介*单模光纤的特性性、材料以及制制造工艺光纤的几种成缆缆方式主要内容包层纤芯涂覆层12.3光纤的结构和模模式纤芯1)位置：光纤的中中心部位2)尺寸：直径d1=4mm~50mm3)材料：高纯度SiO2，掺有极少量的的掺杂剂(GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯芯对光的折射率率(n1)，以传输光信号号纤芯包层包层位置：位于纤芯的周围尺寸：直径d2=125mm材料：其成分也也是含有极少量量掺杂剂的高纯纯度SiO2。而掺掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当当降低包层对光光的折射率(n2)，使之略低于纤纤芯的折射率，，即n1＞n2，它使得光信号号能约束在纤芯芯中传输涂覆层1)位置：位于光纤纤的最外层2)尺寸：涂覆后的的光纤外径约为为1.5mm3)结构和材料：包包括一次涂覆层，，缓冲层和二次次涂覆层a)一次涂覆层一般般使用丙烯酸酯酯、有机硅或硅硅橡胶材料b)缓冲层一般为性性能良好的填充充油膏(防水)c)二次涂覆层一般般多用聚丙烯或或尼龙等高聚物物4)作用：保护光纤纤不受水汽侵蚀蚀和机械擦伤，，同时又增加了了光纤的机械强强度与可弯曲性性，起着延长光光纤寿命的作用用按传输的模式数数目分单模光纤多模光纤按折射率的变化化分阶跃光纤梯度光纤ITU-T官方定义G.651光纤(渐变型型多模光纤)G.652光纤(常规单单模光纤)G.653光纤(色散位位移光纤)G.654光纤(衰减最最小光纤)G.655光纤(非零色散位移光光纤)光纤的分类单模光纤和多模模光纤单模光纤(SignalModeFiber)：仅允许一个模模式传播的光纤纤多模光纤(MultipleModeFiber)：同时允许多个个模式进行传播播在光纤的受光角角内，以某一角角度射入光纤端端面，并能在光光纤纤芯-包层交界面上产产生全反射的传传播光线，就可可以称为入射光的一个传播模式单模光纤和多模模光纤(续)一根光纤是不是是单模传输，与与(1)光纤自身的结构构参数和(2)光纤中传输的光光波长有关。当光纤芯径的几几何尺寸远大于于光波波长时，，光纤传输的过程中会存在着着几十种乃至几几百种传输模式式，即多模传输输。反之，当光纤的的几何尺寸较小小，与光波长在在同一数量级时，光纤只允许许一种模式在其其中传播，即单单模传输。因此，对于给定定波长，单模光光纤的芯径要比比多模光纤小。。例如，对于常用用的通信波长(1550nm)，单模光纤芯径径为8~12mm，而多模光纤芯芯径>50mm。注意：芯径尺寸寸不是判断单模模和多模光纤的的标准单模光纤优点：不存在模模间色散，带宽宽大，用于长途途传输缺点：芯径小，，较多模光纤而而言不容易进行行光耦合，需要要使用半导体激光器器激励多模光纤优点：芯径大大，容易注入入光功率，可可以使用LED作为光源缺点：存在模模间色散，只只能用于短距距离传输单模光纤和多多模光纤(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，造成脉冲展宽阶跃光纤梯度光纤阶跃光纤和梯梯度光纤梯度光纤可以以减小模间色色散：沿着轴轴心传播的光光经历的路程程短但折射率高，，沿纤芯外层层传播的光路路程长但折射射率低。ITU-T建议分类G.652光纤(常规单单模光纤)在1310nm工作时，理论论色散值为零零在1550nm工作时，传输输损耗最低G.653光纤(色散位位移光纤)零色散点从1310nm移至1550nm，同时1550nm处损耗最低G.654光纤(衰减最最小光纤)纤芯纯石英制制造，在1550nm处衰减最小(仅0.185dB/km)，用于长距离离海底传输G.655光纤(非零色散位移移光纤)引入微量色散散抑制光纤非非线性，适于于长途传输光纤中光传播播的分析方法法射线追踪法(几何光学分析析法)可应用于分析析多模光纤(芯径尺寸>>波长)易于直观理解解电磁场导波模模式分析应用于分析单单模光纤(芯径尺寸波长)n1光纤中光的传传播方式有两两种：a)子午光线：光线始终在在一个包含光光纤中心轴线线的平面内传传播a-1)约束光线：约约束在纤芯内内部传播的光光线a-2)非约束光线：：将折射到纤纤芯外面b)斜光线：光线的传播播轨迹不在一一个固定的平平面内，并且且不与光纤的轴线线相交光纤中光的传传播O0OPrn2n1QQn2P光纤的数值孔孔径–阶跃光纤约束光线产生生内全反射的的最小入射角角应满足：sinfc=n2/n1空气的最小入入射角应满足足：nsinq0=n1sin(p/2-fc)=(n12–n22)1/2小于最小入射射角投射到光光纤端面的光光线将进入纤纤芯，并在芯芯包界面上被被全反射，向向前传播。定义：数值孔径为NA=nsinq0=(n12–n22)1/2=n1(2D)1/2其中D=(n2–n1)/n1为芯包相对折折射率差NA是一个小于1的无量纲的数数，其值通常常在0.14到0.50之间。NA大有利于光耦耦合。但是NA太大的光纤模模畸变加大，，使得通信带带宽较窄。n2n1n2纤芯包层q0nqf光纤的数值孔孔径–梯度光纤折射率分布其中n1为轴心上的折折射率，n2为包层折射率率。在离纤芯距离离r处的数值孔径径为：其中NA(0)为轴心上的数数值孔径光纤的数值孔孔径–梯度光纤平板波导中的的解释dn1n2n2假设：一个平平面波的两条条光线1和2，以角度q<p/2-fc入射到界面上。根据据平面波的性性质，光线1和2在传播过程中中等相面上的所有点相相位必须相同同。实际上在受光光角内，只有有一些以特定定离散入射角角入射的光线才能沿光纤纤传播。我们们用下面的介介质平板波导导模型来模拟拟光纤光轴剖面上上的光线传播播。A光线1光线2光线向上传播时的相前Cq光线向下传播播时的相前等相面dn1n2n2光线1从A点到B点传播距离为为s1，并在上下两两个反射面发发生两次相位突变d，此时它的波波前所经历的的相位差应等等于光线2从C传播到D点且未经反射射时波前所经经历的相位差差加上2kp。即有n1ks1+2d=2mp+n1ks1。由几何关系系,容易得出AB的长度s1=d/sinq和CD的长度s2=(cos2q–sin2q)d/sinq。波的相位变化化包括因传播播而引起的相相移，也包括括界面上产生反射时所引引起的相位变变化。A光线1光线2光线向上传播时的相前Cq光线向下传播播时的相前s1s2DBq光线1在B点反射并向上传播时的相前光线2在D点未经反射时的相前qqE光传播的入射射角条件将s1和s2的值代入相位位关系式并简简化可以得到到：假如只考虑波波的电场分量量垂直于入射射面的情况，，那么因发射射带来的相移为：：代入简化式中中可以得到：：只有入射角q满足该式的入入射光才能在在光纤中传播播。回顾光的特性性、基本的光光学定律和定定义介绍光纤结构构、分类、特特性和射线光光学解释圆波导模式及及其理论简介介*单模光纤的特特性、材料以以及制造工艺艺光纤的几种成成缆方式主要内容麦克斯韦方程程*一般形式在线性的、各各向同性的电介质中，没没有电流和自自由电荷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；r自由电荷密度其中，D=eEB=mHStep1：柱坐标下的波导导方程*注：其余Ef、Er、Hf和Hr分量均可由Ez和Hz求出采用分离变量法求求解Step2.分离变量法(阶跃光纤的波动方方程)*1)场量随时间t和坐标轴z的变化规律是简谐谐的2)波导结构圆对称场分量f以2p为周期(因此v=0,1,2,…)代入波动方程，得得到贝塞尔方程：：n1n2n2r=ar0场解为有限值r∞场解衰减为0其中u2=[(2pn1)/l]2–b2其中w2=b2-[(2pn2)/l]2Step3.阶跃光纤中的波动动方程*纤芯区域的解为贝贝塞尔函数纤芯外部的解为修修正的贝塞尔函数数12.4圆波导的模式麦克斯韦方程的一一个解即对应一个个模式，对应着电电磁场在光纤中的一种分布布形式。按分布形形式，模式可以分分为以下几种类型：1.横电模(TE)：z方向上的电场分量量为0，或电场分量垂直直于z2.横磁模(TM)：z方向上的磁场分量量为0，或磁场分量垂直直于z3.混合模(HEorEH)：z方向上的电场和磁磁场都不为0HE(Ez>Hz)相反EH(Ez<Hz)模式概述下面为光轴剖面的的几个低阶横电模模式的场分布。它它们表现出以下特点：(1)它们的强度在纤芯芯区域简谐变化，，在包层按指数衰衰减。(2)模式的阶数等于波波导横向场量零点点的个数。光的入射角越小，，激发的模式阶数数越低。(3)模场并不完全局限限在纤芯，而是部部分进入包层。强度简谐变化指数衰减指数衰减纤芯n1包层n2包层n2辐射模和泄漏模分析表明，只有那那些满足特定条件件的入射光才能激激励起导波模。此外还有其其它模式：辐射模：光的入射射角过大，导致光光在波导表面产生生折射进入包层形成包层模。包包层模会与导波模模分布在包层的能能量耦合，导致导波模模的功率损耗，因因此需要抑制。泄漏模：一些高阶阶模的能量在沿光光纤传播的过程中中连续辐射出纤芯，很快衰减并并消失。如何判断某个模式式是否是导波模呢呢？归一化频率(重要参数)某个模式成为导波波模的条件是，它它的传播常数b满足下列条件：n2k<b<n1k。导波模和泄漏模模的分界点(截止条件)为：b=n2k。与截止条件相对对应的重要参数是是归一化频率V：它决定了光纤可支支持的模式总数。。下图给出了b/k和V的关系。如图所示，当V≤2.405时，光纤只支持一个模模式，即所谓的单模传输。。让V变小的一个途径就是是减小光纤半径a的值。故单模光纤半径比多模光纤纤小。最低阶模V才是判断单模和多多模光纤的标准多模光纤的模式总总数当V>2.405时，光纤可以支持持多个传输模式，，即多模光纤。这这里用M表示多模光纤的模模式总数，当M比较大的时候，M与V之间存在近似关系系：功率分布如前所示，导波模模的部分能量会进进入包层：(1)当光纤的V值接近某个个模式的截截止值时，，这个模式式将有较多的功率进进入包层。。在截止点上上，模式功功率几乎全全部进入包层并辐射射出去；(2)如果光纤中中有大量的模式存在在，包层中总的平均均光功率所占的比例例可以近似等于：2.405最低阶模：：包层20%；纤芯80%回顾光的特特性、基本本的光学定定律和定义义介绍光纤结结构、分类类、特性和和射线光学学解释圆波导模式式及其理论论简介*单模光纤的的特性以及及光纤的材材料和制造造工艺光纤的几种种成缆方式式主要内容单模光纤中中只有最低低阶模式HE11存在，它的的光纤横向向光斑图类类似于左上角的的截面图：：12.5单模光纤圆柱空心波波导中的模模式结论：低阶阶模能量集集中在波导中心，而而模式阶数数越高横截面直径越越大且能量量分布越分散模场直径(MFD)：光功率为为e-2E0时的光场半半径宽度(E0为轴心的光光功率)，即光纤截截面的光斑斑尺寸。模场直径习题2.24电场分布一一般为高斯斯分布：HE11偏振态相互互正交的两两个简并模模双折射任何单模光光纤中都存存在两个相相互独立且且偏振面相相互正交的的简并模式式。由于光光纤结构的的不完善，，使得两个个相互简并并的模式在在光纤中以以不同的相相速度传播播，光纤对对它们具有有不同的有有效折射率率，即双折射效应应：b=k(ny-nx)或者Bf=ny-nx(低双折射光光纤)10-8<Bf<10-3(高双折射光光纤)光纤拍长两个简并模模在传播时时会产生相相位差。当当二者相位差为2p整数倍时，则光的的偏振态与入入射点相同同，此时称该该点处出现现“拍”，两个拍之之间的间隔隔称为拍长长：LB=2p/b。2pp/2单模光纤中中的特有现现象：光偏偏振态呈周周期变化实际中，由由于受到应应力影响，，双折射系系数沿轴并并非常量，，因此线偏偏振光很快快变成任意意偏振光。。d=0d<p/2d=p/2d>p/2d=2pLB12.6光纤材料选材的准则则：1.能拉长、拉拉细、具有有一定的柔柔韧性、可可卷绕2.在特定波长长损耗低3.能使纤芯的的折射率略略高于包层层，满足波波导条件按材料分类类：1.无源玻璃纤纤维；2.有源玻璃纤纤维；3.塑料纤维无源玻璃纤纤维玻璃纤维的的主材：SiO2-物理和化学学稳定性好好-对通信光波波段的透明明性好折射率差的的引入：通通过在SiO2中掺入不同同杂质增加非线性性效应：通通过掺入硫硫属元素GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层在0.2~8mm具有极低损耗有源玻璃纤纤维和塑料料光纤有源光纤：：在SiO2中掺入稀土土元素(如：铒)-光纤放大器器(如：掺铒光光纤放大器器)塑料光纤-更好的韧性性、更耐用用，可用于于环境恶劣劣的场合-损耗比玻璃璃纤维高，，一般用于于短距离传传输-使用范围还还十分有限限12.7光纤制造两种基本方方法1.直接熔化法法：按传统制造造玻璃的工工艺将处在在熔融状态态的石英玻玻璃的纯净净组分直接制制造成光纤纤2.汽相氧化过过程：-高纯度金属属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生生成SiO2微粒-(通过四种不不同的方法法)将微粒收集集在玻璃容容器的表面面-烧结(在尚未熔化化的状态将将SiO2转化成玻璃璃体)制成预制棒棒-拉丝成纤直接熔化法法：双坩埚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(到拉丝机)包层玻璃直接熔化法法：可用于制造造石英光纤、卤化化物光纤和硫属光光纤具有产量大大、可连续制造的的优点但坯料棒熔熔化过程中容易带带来杂质，它的最最低损耗值为5dB/km汽相氧化法法：外部汽汽相氧化法法(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年康宁第第一根损损耗小于20dB/km的光纤汽相轴向沉沉积法(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口优点：1.预制棒不再再具有空洞洞2.预制棒可以以任意长3.沉积室和熔熔融室紧密密相连，可以以保证制作作环境清洁4.没有使用氢氢氧焰，单单模光纤所含含的OH-较低，因此损损耗较低在在0.2~0.4dB/km1977年日本开发改进的化学学汽相沉积积法(MCVD)贝尔实验室室设计，可可用于制造造低损耗梯梯度折射率率光纤玻璃粉层沉沉积初步烧结加强热成实实心棒烧结后，，纤芯由由汽相沉沉积材料料构成，，包层由由原始的的石英管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等离子体体活性化化学汽相相沉积法法(PCVD)熔融石英英管SiCl4+O2+参杂物质质反应物质质排气口低压工作作的等离离子体玻璃层快速来回回移动的的微波谐谐振腔(2.45GHz，8米/分钟)1000~1200度飞利浦提提出1978年应用于于量产直接玻璃璃沉积不需高温温烧结反应管不不易变形形可快速移移动，沉沉积厚度度减少，，有利于控控制折射射率分布布沉积效率率高、沉沉积速度快有有利于消消除包层沉积积过程中中的微观不均均匀光纤预制制棒置备备好之后后进行光光纤拉丝丝光纤拉丝丝机d=10~25mm;L=60~120cm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12.8光纤的机机械和温温度特性性1)光纤的抗抗拉强度度很高，，接近金金属的抗抗拉强度度2)光纤的延延展性(1%)比金属差差(20%)3)当光纤内内存在裂裂纹、气气泡或杂杂物，在在一定张张力下容容易断裂裂4)光纤遇水水容易断断裂且损损耗增大