光纤光学基础知识

光纤光学基础知识光纤结构及导光原理光纤中的传播模式光纤的传输特性光纤的连接损耗目录光纤结构及导光原理光纤结构如图1所示，光纤由三部分组成：纤芯－光能量主要在纤芯中传输；包层－折射率小于纤芯，与纤芯一起组成波导，限制光能量泄漏；涂覆层－对光纤起缓冲保护作用。光纤按传输的模式数量可分为单模光纤和多模光纤，按折射率分布可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤，如图2所示。纤芯包层涂覆层图1.光纤结构简图2an2n18～12um125um(a)单模阶跃折射率光纤2an2n150～200um125～400um(b)多模阶跃折射率光纤n2n12a50/62.5um125um(c)多模渐变折射率光纤图2.单模和多模光纤结构示意图光纤结构及导光原理光纤导光原理光纤结构及导光原理因为纤芯折射率大于包层折射率，当光线从纤芯入射到界面上时，如果入射角α大于临界角α

0，将发生全反射，没有光能量透射至包层而泄漏出去，此即光纤导光原理。αθ图3.光在光纤中的传播AB光纤中的传播模式数值孔径光线在纤芯与包层界面上的入射角α

大于全反射临界角α0，才能在光纤中传播；受此条件约束，光线在光纤端面的入射角θ必须小于孔径角θ

0，才能传播。定义光纤子午光线数值孔径为：光纤数值孔径与其折射率分布有关，阶跃折射率光纤纤芯各点数值孔径相同，渐变折射率光纤中心点数值孔径最大，在纤芯与包层界面数值孔径为0。数值孔径反映光纤接收光的能力，CorningSMF-28单模光纤、InfiniCor50/125um多模光纤、InfiniCor62.5/125um多模光纤数值孔径分别为0.14、0.20、0.275。光纤中的传播模式光纤的模式我们已经知道，小于孔径角入射的光线可以在光纤中传播，这只是从光线理论得到的结论。如图3所示，根据波动理论，光在两个反射点A、B的位相必须相同，即A、B间的光程差必须是传输波长的整数倍，此称为横向驻波条件。因此在所有入射角小于孔径角的光线中，只有满足驻波条件的一系列光能够传输，对应一系列分立的入射角θ1、θ2、θ3…，我们称之为光纤的模式。也可以用纵向传播常数β1、β2、β3…来描述光纤的模式，表示光线相位变化的速度。模式越高，θ角越大，β越小，光程越大，损耗越大。光纤中的传播模式单模与多模我们已经知道，光纤中传输的光必须同时满足全反射条件和驻波条件。前者与纤芯和包层折射率差有关(折射率差越大则孔径角越大)，后者与纤芯尺寸有关(纤芯越大则允许的模式数量越多)，因此我们可以用一个参数来描述光纤的结构特性－归一化频率V。V越小，则光纤限制光泄漏的能力越弱，允许传输的模式数量越少。当V<2.405时，光纤中只有一个模式可以传播，成为单模光纤。为了满足单模条件，单模光纤的纤芯包层折射率差和纤芯直径均比多模光纤小。在保证单模传输的前提下，V值应尽可能取髙值，以提升光纤导光能力，避免弯曲损耗。根据波动理论分析，继续减小V值，仍不能将最后一个模式截止，即此模式被牢牢限制在纤芯中传播，这也是单模光纤的微弯曲损耗较多模光纤小的原因。光纤中的传播模式λ越大则V越小，当λ<λc时则不再满足单模条件，产生高阶模，因而传输损耗增加。光纤中的传播模式截止波长当光纤参数(a、n1、n2)已经确定，单模光纤的截止波长和截止频率分别为：光纤中的传播模式单模光纤的模场半径单模光纤中传输的是类高斯光束，即光束能量在横截面近似高斯分布，其模场半径的经验公式如下：我们看到，归一化频率V越大则模场半径ω越小，光能量被约束得越集中，即导光能力越强。模场半径对分析单模光纤的连接损耗、微弯曲损耗等有重要作用。光纤的传输特性光纤的损耗材料吸收损耗第一窗口第二窗口第三窗口损耗(dB/km)0.10.20.55.01.02.00.60.81.01.21.52.0波长(um)图4.石英光纤损耗谱典型曲线光纤的传输特性目前光通信的三个窗口：0.85um－第一窗口，短距离多模光通信；1.31um－第二窗口，长距离单模和短距离多模光通信；1.55um－第三窗口，长距离单模光通信。我们看到，在1.31um和1.55um之间的1.385um处有一个吸收峰，这是由于OH－离子的吸收造成的，通常称之为水峰。Lucent公司率先推出AllWave光纤，Corning公司相继推出LEAF光纤，消除了水峰，将光纤的第二和第三窗口连接起来，可以在1280nm-1625nm之间345nm的带宽内进行通信，这对CWDM系统的应用大为有利。光纤的传输特性弯曲损耗(BendingLoss)如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角α1入射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度α2(<α1)入射，不再发生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光纤弯曲损耗。ABα1α2图5.光纤的弯曲损耗Rc与β有关，因此在同一弯曲半径下，不同模式的损耗不同，低阶模的损耗小，高阶模的损耗大。单模光纤的临界曲率半径：其中：宏弯曲损耗光纤弯曲半径R大于临界值Rc，因弯曲引起的损耗很小，可以忽略；弯曲半径小于临界值，损耗按指数规律迅速增加。多模光纤的临界曲率半径：光纤的传输特性光纤的传输特性单模光纤的临界曲率半径与截止波长λc有关，λc越大则Rc越小，也就是说，截止波长越大(归一化频率V越大)则弯曲特性越好。微弯曲损耗多模光纤微弯曲损耗：多模光纤的微弯曲情况非常复杂，仅作定性描述。多模光纤的微弯曲损耗与弯曲形状有关，如果对光纤进行周期性弯曲时，如图6所示，将会在某个弯曲频率下产生最大损耗，而且损耗与弯曲振幅A2成正比，与弯曲总长度L成正比。图6.多模光纤的周期性微弯曲单模光纤微弯曲损耗：光纤的传输特性单模光纤微弯曲损耗与模场半径和波长有关，模场半径越小(归一化频率V越大)则微弯曲损耗越小，波长越大则微弯曲损耗越小。因为长波的模场半径较短波大，因而损耗较大，以上结论似乎矛盾。实际情况是，波长对微弯曲损耗的直接影响较通过模场半径的影响更明显。通过改变光纤结构参数(a、n1、n2)可以减小模场半径，以提升弯曲损耗特性。光纤的传输特性弯曲损耗实例1.多模光纤扰模：属于宏弯曲，高阶模的弯曲损耗较大，经过多个扰模圈之后被损耗掉，剩余低阶模。在实际光纤链路中，高阶模的传输不稳定，很容易损耗掉，因此多模器件在扰模后的测试值，更符合实际应用情况。2.单模跳线BR测试中的Bending：属于微弯曲，单模纤芯较小，通过Bending可将光路完全隔断。多模纤芯大得多，从弯曲损耗产生机制(图5)来看，光纤弯曲半径再小也不能将通过的低阶模完全损耗掉。3.光纤Bending判定：在跳线组装和Coupler构装时，我们经常依据1550nm光损耗远大于1310nm来判定光纤Bending。光纤的传输特性光纤的色散棱镜的色散图7所示为棱镜的色散，由于棱镜材料对不同波长光的折射率不同，产生的偏折角度不同，表现为不同波长的光在空间展开。图7.棱镜的色散光纤材料色散与棱镜色散类似，由于光纤材料对不同波长光的折射率不同，也会产生色散，只是表现形式不同。光纤的传输特性光纤材料色散不会在空间展开，表现为不同波长的光程不同，到达光纤另一端的时间也不相同。光纤波导色散对于同一阶次的模式，不同波长的传播常数β不同，光程不同，称为波导色散。光纤模间色散对于同一波长的光，不同模式的传播常数β不同，光程不同，称为模间色散。模间色散只存在于多模光纤中，渐变折射率多模光纤的模间色散参数优于阶跃折射率多模光纤。单模光纤中不存在模间色散，为了工艺简单，不需设计成渐变折射率。光纤的传输特性(a)光纤波导色散(b)光纤模间色散图8.光纤波导色散与模间色散光纤波导色散与模间色散的比较如图8所示，前者为同阶模式不同波长的色散，后者为同一波长不同模式间的色散。偏振模色散(PMD)由于光纤的双折射效应，同一波长、同阶模式、不同偏振态的光，传播常数β亦不相同，称为偏振模色散。光纤的传输特性tt图9.材料色散造成的码间串扰色散对光纤通信系统的影响光源总是有一定的谱线宽度，当一个光脉冲通过光纤，由于材料色散和波导色散，其中不同波长成分到达的时间将不同，即脉冲被展宽了。如果脉冲展宽达到脉冲间隔宽度，将会造成码间串扰，如图9所示。材料色散在1.3um附近为零，且零色散波长与光纤掺杂种类和浓度无关；而波导色散随折射率分布(即光纤掺杂情况)而变，因此可设计在某一特定波长色散为零的光纤，在此波长上材料色散和波导色散相互抵消。G652光纤是常规光纤，其零色散波长在1.3um附近；G655光纤是色散位移光纤(DSF)，其零色散波长在1.55um附近。类似的，光纤模间色散亦会造成码间串扰，特别是多模光纤中的模间色散非常大，因此多模光纤不能用于长距离、高速通信系统。在更高速的通信系统中，偏振模色散亦会导致码间串扰，可用色散系数相反的色散补偿光纤(DCF)进行补偿。光纤的传输特性光纤的连接损耗d2a(a)纤芯错位Z(b)端面间隙θ(C)纤芯倾斜图10.光纤的连接失配光纤的连接失配两根光纤连接时，可能因纤芯错位、端面间隙和纤芯倾斜三种失配情况，而引入额外的插入损耗