光纤结构波导原理及制造

关于光纤结构波导原理及制造第1页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三2.1光纤的结构及分类第2页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光纤组成及分类光纤由三部分组成：纤芯、包层、涂覆层，且纤芯折射率大于包层折射率。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。

第3页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三按光纤材料组成分：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。第4页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三图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第5页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三

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。第6页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三2.2光纤传输原理第7页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三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。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。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。

第8页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三射线理论分析法—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9页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三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10页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三斜光线:

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。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。第11页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三2.阶跃光纤中的子午光线分析第12页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三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。第13页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三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。第14页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三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。第15页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三d.弯曲光纤的光线传输分析第16页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三e.光纤入射端面倾斜时光线传输分析第17页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三f.光纤出射端面倾斜时光线传输分析第18页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三g.圆锥形光纤的光线传输分析第19页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三3.阶跃光纤中斜光线的分析第20页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三2.3光纤传输特性

第21页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三1.光纤的衰减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。包括光纤耦合损耗、光纤内的吸收和散射损耗、弯曲损耗等。总损耗（dB）=损耗（dB）1+损耗（dB）2+损耗（dB）3+……通信光纤中最重要的特性包括：衰减、光纤色散、非线性等。第22页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离。在最一般的条件下，在光纤内传输的光功率P随距离z的变化，可以用下式表示

习惯上光纤的损耗用下式计算，用dB／km来表示，式中，是损耗系数。设长度为L(km)的光纤，输入光功率为α，根输出光功率应为第23页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三损耗机理1)吸收损耗.(原子缺陷、杂质非本征吸收、原子本征吸收)临界曲率半径4)辐射损耗(弯曲)2)散射损耗.（瑞利散射、波导散射、非线性散射）3）耦合损耗第24页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三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。

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/（dB·km–1）第25页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三吸收损耗—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。吸收损耗第26页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三散射损耗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。第27页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三弯曲损耗模式损耗微弯损耗第28页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光纤耦合损耗

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第29页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三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。第30页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三2.光纤的色散色散(Dispersion)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。材料色散和波导色散总称为色度色散色散一般包括

模式色散、材料色散、波导色散和偏振色散。与损耗一样，色散限制了信号在光纤中的传输距离，单色散并不使信号减弱，而是使光脉冲在时域上重叠。第31页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三模式色散（模间色散）：在多模光纤中，由于不同模式的时间延迟（群速度）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。材料色散（色度色散）：由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其时间延迟不同（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。第32页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三波导色散（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的色散（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与包层的相对折射率差。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，与波长有关的色度色散是材料色散和波导色散之和。第33页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三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：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。第34页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三群时延——光纤单位长度传播的延迟时间

色散系数——描述光纤色散程度定义为：

单位是:ps/nm·km第35页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三3.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应用。第36页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三2.4光纤材料及制造

第37页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光纤材料高纯度熔石英光纤传输损耗低多组分玻璃纤维纤芯－包层折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径的光纤。(2)、塑料光纤成本低、材料损耗大、温度性能差。(3)、晶体光纤纤芯为单晶，可用于制作有源和无源光纤器件。(1)、石英光纤第38页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光纤制造光纤的制造要经历光纤预制棒制备、光纤拉丝、涂覆等具体的工艺步骤。制备光纤预制棒两步法工艺：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。

第39页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三气相沉积技术气相沉积技术芯棒外包层外部化学气相沉积法（OVD）轴向气相沉积法（VAD）改进的化学气相沉积法（MCVD）等离子化学气相沉积法（PCVD）套管法粉末法等离子喷涂法溶胶－凝胶第40页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三南京邮电大学光电工程学院光通信研究所气相沉积工艺——MCVD法改进的化学气相沉积法ModifiedChemicalVapourDeposition(MCVD)第41页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三气相沉积工艺——MCVD法第42页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三气相沉积工艺——OVD法外部化学气相沉积法OutsideVapourDeposition(OVD)第43页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三第44页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三制作预制棒第45页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三等离子化学气相沉积法第46页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三VAD工艺第47页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三预制棒第48页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三拉丝工艺预制棒加热炉加涂覆层参数测量第49页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三拉丝工艺拉丝塔第50页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三加涂覆层第51页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三成缆第52页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三2.5光缆

第53页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光缆及其结构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。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的传输特性。第54页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光缆的分类方法按成缆光纤类型多模光纤光缆和单模光纤光缆按缆芯结构中心束管、层绞、骨架和带状按加强件和护层金属加强件、非金属加强、铠装按使用场合长途/室外、室内、水下/海底等按敷设方式架空、管道、直埋和水下第55页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光缆的结构（成缆方式）层绞式骨架式中心束管式带状式第56页，讲稿共64页，2023年5月2日，星期三光缆结构示意图层绞式中心束管式带状式第57页，讲稿共64