第二章 光纤的特性

第二章光纤的特性第二周第1页，课件共74页，创作于2023年2月1.光纤的结构和分类光纤的分层结构:纤芯、包层、涂敷层、护套第2页，课件共74页，创作于2023年2月各层的材料构成 纤芯:

SiO2以及少量GeO2、P2O5掺杂 包层：高纯度SiO2 涂敷层：环氧树脂等高分子材料 护套：尼龙或其他有机材料提高纤芯的折射率第3页，课件共74页，创作于2023年2月传光基本条件：n1>n2第4页，课件共74页，创作于2023年2月折射率剖面(Refractionindexprofile)阶跃型(step)渐变型(grading)n1n2abn1n2abn=n(r)第5页，课件共74页，创作于2023年2月光纤折射率分布表达式阶跃型渐变型第6页，课件共74页，创作于2023年2月光射线阶跃光纤渐变光纤n1n2n0

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z第7页，课件共74页，创作于2023年2月光纤分类阶跃光纤与渐变光纤按照折射率剖面分单模光纤与多模光纤按照模式分…第8页，课件共74页，创作于2023年2月

图2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤第9页，课件共74页，创作于2023年2月2光纤传光原理分析光纤传输原理的常用方法：（1）几何光学法可以给出有关波导特性清晰的物理图像和解释。不足之处是所给出的结论较为粗糙，不能获得有关电磁场模式在波导内的具体场分布和传输特性等方面的完整细节。（2）麦克斯韦波动方程法针对具体的波导结构，结合电磁场的边界条件求解Maxwell方程组，得到波导内各模式的场分布和特征方程。第10页，课件共74页，创作于2023年2月2.1光纤数值孔径的概念研究对象：阶跃型光线中的光射线（子午光线）研究目标：数值孔径思路：光纤中的光射线应满足全反射条件阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)第11页，课件共74页，创作于2023年2月2.1光纤数值孔径的概念已知条件：设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致。第一束光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层。阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)第12页，课件共74页，创作于2023年2月2.1光纤数值孔径的概念阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)[分析]改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角θc。(1)当θ<=θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2)当θ>θc时，相应的光线有一部分将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。

第13页，课件共74页，创作于2023年2月因此，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture)：

NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°

n0=1，经简单计算得到【NA的物理意义】

NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好其中Δ为纤芯与包层相对折射率差。2.1光纤数值孔径的概念第14页，课件共74页，创作于2023年2月2.2光纤模式的理解【疑问】是不是满足θ≤θc的光射线都可以在光纤中稳定传输？答案是否定的。能够在光纤中传导的电磁波模式不仅满足芯/包界面上的全反射条件，而且满足传输过程中的相干加强条件只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！从电磁波动理论来看，模式是光纤中电磁场传播的一种稳定的分布形态。第15页，课件共74页，创作于2023年2月2.2光纤模式的理解【分析】近似地，认为光纤中传播的光波是均匀平面电磁波，光射线方向就是波矢量k方向。通常将光纤中所传输的波矢量k在其波导传输方向(z方向)上的分量称为光波的传播常数：β=kz=k0*n1*sinθ;其中θ为光射线方向与光纤横截面的夹角。k0=2π/λ为真空中的波数。根据全内反射条件，sinθ>=n2/n1。只有传播常数满足k0*n2<β<k0*n1的光波才能在光纤中传播。垂直于波传播方向的由相同相位的点构成的平面称为波阵面。第16页，课件共74页，创作于2023年2月2.2光纤模式的理解考虑在光纤中传播的一列光波，上图给出了两条光线(红线和蓝线)，I-I和II-II是两个波阵面。点A和点B属于波阵面I-I，点C和点D属于波阵面II-II。属于同一波阵面的各点的振动情况应当完全同步，及其振动相位必须相同或相差2π的整数倍,因此有第17页，课件共74页，创作于2023年2月2.2光纤模式的理解【结论】相干加强条件说明，在满足全反射条件情况下，只有某些以特定角度入射的光线才能在光纤中稳定传播。每一种可以传到的电磁波称为光纤的一个模式。即一个模式对应一种平面波的入射角度。在光纤中的光波应该同时满足全反射条件（k0*n2<β<k0*n1）和相干加强条件。相干加强条件，模式特征方程第18页，课件共74页，创作于2023年2月2.2光纤模式的理解【讨论】引入概念：阶跃光纤归一化频率模式数量：由光纤结构、折射率分布以及光波长共同决定。模式数

V2/2什么情况下光纤中只有一种模式传输？阶跃型光纤单模条件：0<V<2.4048单模光纤中光射线形状？平行于光纤轴线的直线单模光纤第19页，课件共74页，创作于2023年2月2.2光纤模式的理解如何直观地理解模式第20页，课件共74页，创作于2023年2月损耗、色散和非线性对光信号传输的影响衰减损耗输入信号输出信号时间频率非线性新频率时间色散脉冲展宽3.光纤中光传输特性第21页，课件共74页，创作于2023年2月3.1光纤传输损耗功率传输损耗是光纤最基本和最重要的参数之一。光纤中传输的光功率随着传输距离的增加按指数形式衰减。工程应用中，光纤损耗的表述形式：P0和PL分别为光纤的输入输出功率L为光纤长度为光纤损耗系数第22页，课件共74页，创作于2023年2月3.1光纤传输损耗—固有损耗(1)【材料损耗】本征吸收：红外吸收、紫外吸收杂质吸收：有用掺杂吸收、有害杂质吸收瑞利散射(微观不均匀性)(2)【波导损耗】模式损耗：场分布不集中与芯子耦合损耗：模式耦合成辐射模或高次模（应力、微弯、芯子包层界面不规则、折射率纵向不均匀）(3)【工艺缺陷】微裂纹气泡第23页，课件共74页，创作于2023年2月3.1光纤传输损耗—使用损耗(4)【光缆附加损耗】微裂纹微弯应力(5)【使用阶段附加损耗】外力(拉力、压力)弯曲温度变化水侵蚀第24页，课件共74页，创作于2023年2月0.680.921.551.380.851.300.20.33α(dB/km)λ(μm)总损耗光纤损耗谱第25页，课件共74页，创作于2023年2月光纤损耗的克服提纯材料优化制造工艺控制光功率减小光纤弯曲和接续损耗第26页，课件共74页，创作于2023年2月3.2光纤色散什么是色散？在同一介质中不同频率(波长)的光波传播速度不等的现象。第27页，课件共74页，创作于2023年2月第28页，课件共74页，创作于2023年2月3.2光纤色散色散是限制光纤容量和传输距离的主要因素光纤色散构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象第29页，课件共74页，创作于2023年2月光纤色散DispersivefiberDispersedpulseRBIN色散对光通信系统的影响信号畸变光脉冲形状畸变引起误码第30页，课件共74页，创作于2023年2月光纤色散产生的原因模间色散：不同模式不同传输速度材料色散：不同频率不同折射率波导色散：不同频率不同模场分布偏振模色散：不同偏振态不同传输速度长途系统使用单模光纤第31页，课件共74页，创作于2023年2月单模光纤色散的定义单位长度光纤传输时延随波长的变化率色散调节手段：改变光纤结构，改变波导色散第32页，课件共74页，创作于2023年2月1.概念光脉冲能量的载体：所有模式不同模式具有不同的传输速度，在光纤中沿传输方向行进的过程中，各模式逐渐分离，使得光信号展宽。2.模式色散的表示单位光纤长度上，模式的最大时延差传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差。3.2.1多模光纤中的模式色散第33页，课件共74页，创作于2023年2月几何光学①②包层n2芯区n1①传输最快的子午线②

传输最慢的子午线对于①，单位长度光纤传输的时延：对于②

，单位长度光纤传输的时延：多模光纤的模式色散为：2.模式色散的计算第34页，课件共74页，创作于2023年2月1.概念不同频率的电磁波在介质中具有不同的群速度或群时延的材料属性，从而在传输过程中信号展宽。2.材料色散的表示用单位频率或波长间隔上的群时延差来表示3.2.2材料色散第35页，课件共74页，创作于2023年2月为什么存在材料色散:Sellmeyer定律不论任何介质，由于在某些波长上，材料对电磁波存在谐振吸收现象，因此，材料对外场的响应与电磁波的波长相关。即材料的折射率应当是电磁波频率或波长的函数。第36页，课件共74页，创作于2023年2月1.概念由于波导效应的存在,使模式的不同频率成分在波导中的传输速度不同,由此引起的色散2.波导色散的表示用单位频率或波长间隔上的群时延差来表示3.2.3波导色散第37页，课件共74页，创作于2023年2月200127013101550波长nm色散ps/nm.km波导色散材料色散G652光纤色散G653光纤色散材料色散与波导色散第38页，课件共74页，创作于2023年2月+Disp

输入脉冲

输出脉冲0.10.20.30.40.50.6衰减(dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)EDFA频带20100-10-20色散(ps/nm.km)G.652&G.654G.655G.653损耗与色散谱第39页，课件共74页，创作于2023年2月Advanceintransmissionfiber:maincharacteristics(Dataaregivenat1.55µm)第40页，课件共74页，创作于2023年2月G.655光纤的零色散点都移到了1350nm以下，目前多数G.655光纤的色散量多在6～8ps/km/nm，色散斜率低于0.07ps/km/nm²，光纤在1550nm附近的有效面积大于50µm²；

G.652光纤在1550nm附近典型参数为色散量多在16ps/km/nm左右，色散斜率0.058ps/km/nm²，有效面积75µm²。色散补偿是G.652光纤应用的关键无论是在G.652光纤还是在G.655光纤上开通10Gbit/s以上的系统都需要色散补偿，只是使用DCF的长度和补偿方式上有所不同。

第41页，课件共74页，创作于2023年2月当光场较强时，所有介质均对外场表现出一定的非线性。微观——电子在强场作用下对简谐运动的偏离宏观——介质在外场作用下的非线性极化电极化强度矢量石英光纤极化强度真空介电常数极化率张量外电场线性响应非线性响应3.3光纤非线性第42页，课件共74页，创作于2023年2月石英光纤中的非线性现象光子与光子之间自相位调制SPM交叉相位调制XPM四波混频FWM光脉冲畸变，啁啾，串音；复用/解复用，波长变换！光子与声子之间声学声子——受激Brillouin散射SBS光学声子——受激RAMAN散射SRS信号光能量损失，串音；分布放大！第43页，课件共74页，创作于2023年2月4.光纤的物理化学特性1.SiO2密度：2.2g/cm32.单模光纤外径：125microns裸纤重量：27g/km3.不溶于水4.受OH-影响，必须防水5.抗酸碱性能较差6.绝缘性好7.承受轴向应力能力强,承受径向作用力弱第44页，课件共74页，创作于2023年2月寿命：>25年光纤的物理化学特性SiO2的软化温度在1700度左右，掺杂后的软化温度降低。石英光纤热膨胀系数：3.4

10-7/oC；涂覆层：5

10-7/oC因此，限制一定的工作温度范围。温度特性表第45页，课件共74页，创作于2023年2月(2)光缆(1)光纤制造技术5.光纤制造技术和光缆第46页，课件共74页，创作于2023年2月沉积拉丝原料预制棒光纤第47页，课件共74页，创作于2023年2月光纤制造的关键原料：SiCl4,GeCl4,POCl3,BBr3,O2,He,……提纯：过渡金属离子，OH-，…...要求达到ppb量级原料提纯光纤丝径控制，温度控制拉制光纤制作中对各种参数的精确控制预制棒制备第48页，课件共74页，创作于2023年2月光纤制造技术制备光纤预制棒与光纤有相同物理结构和材料结构，尺寸大的实心石英棒拉丝 光纤预制棒高温下，拉制成光纤原料：SiCl4,GeCl4,CF2Cl2,O2,Ar,H2,He,……提纯：过渡金属离子，OH-，…...预制棒制备工艺：非气相工艺，气相工艺非气相工艺：双坩埚法，溶胶—凝胶法，管棒法，粉末机械成形法，…...第49页，课件共74页，创作于2023年2月MCVD法:美国AT&T公司PCVD法:荷兰飞利浦公司OVD法:美国康宁公司VAD法:日本住友、古河、腾仓等公司重点介绍第50页，课件共74页，创作于2023年2月气相工艺：MCVD，PCVD，OVD，VAD，…...MCVD:改良的化学气相沉积法

------AT&T,USA化学反应热泳现象处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用而向低温区运动，附着在石英管壁上。MCVD工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物（SiCl4、GeCl4）蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物SiO2或GeO2第51页，课件共74页，创作于2023年2月MCVD方法简图第52页，课件共74页，创作于2023年2月第53页，课件共74页，创作于2023年2月PCVD（1976年，荷兰Philips）使用微波在石英管内产生高温等离子代替MCVD法中的氢氧焰进行加热，使得原料发生反应。第54页，课件共74页，创作于2023年2月第55页，课件共74页，创作于2023年2月OVD:OutsideVaporDeposition------Corning,USARadialFlamousHydrolization第56页，课件共74页，创作于2023年2月VAD:VaporAxialDeposition------NTT,Japan第57页，课件共74页，创作于2023年2月化学反应水解反应氧化反应脱水反应第58页，课件共74页，创作于2023年2月沉积拉丝原料预制棒光纤第59页，课件共74页，创作于2023年2月2、拉丝工艺拉丝工艺流程拉丝控制系统收丝控制设备预制棒裸光纤光纤拉丝塔结构示意图第60页，课件共74页，创作于2023年2月第61页，课件共74页，创作于2023年2月拉丝工艺简介

光纤拉丝工艺包括以下几个方面：

一．拉丝

将处理好的预制棒送入拉丝炉中，在高温下，将预制棒的一端熔化以形成石英玻璃丝，再以一定的张力及速度对其进行牵引，以保持光纤直径稳定在125±１μm范围内

二．涂覆

在光纤冷却后，对光纤表面涂UV材料进行UV固化，以保护光纤表面精确控制外径在245±5μm，形成标准的商用光纤。涂覆层有机材料第62页，课件共74页，创作于2023年2月拉丝长度l预制棒体积Vpreform=D2L/4,D:mm,L:mm

光纤体积Vfiber=d2l/4,d=125umVpreform=Vfiber

l=6.410-5D2L(km)拉丝原理保持芯/包层结构不变！第63页，课件共74页，创作于2023年2月光缆光纤——成缆工艺——光缆——使用技术要求保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）便于施工、维护、接续要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯尺寸小，重量轻防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬第64页，课件共74页，创作于2023年2月光缆结构缆芯、加强元件、护层缆芯作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下 仍能保持优良的传输性能套塑方法紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性 能好，易于缓冲外力，是发展方向*光缆中必须有防潮层，并填充油膏！第65页，课件共74页，创作于2023年2月加强元件中心加强、外层加强要求高杨氏模量，高弹性范围，高比强度（强度/重量），低线膨胀系数，抗腐蚀性，柔软性材料钢丝，钢绞线，钢管强电磁干扰区域、雷区——高强度非金属材料，芳纶纤维第66页，课件共74页，创作于2023年2月护层是由护