光纤基本知识.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光纤传感技术,光纤传光特性,光纤传感原理,（,不同于通讯上的应用,）,光纤传感器,调研：目前光纤传感器的实际应用情况,1.1,光纤结构,纤芯,包层,涂敷层,护套,主体结构，光波传播起决定性作用,纤芯直接,5-75,m,，主体材料,SiO,2,(Ge,2,O,5,P,2,O,5,),提高,纤芯的光学折射率？,包层折射率小于纤芯（一层，折射率稍有差异的二层或多层），直径,100-200,m,，材料,SiO2,(B,3,O,4,Si,2,O,4,),隔离杂光，提高强度，保护光纤,涂敷层材料硅酮，丙烯酸盐,护套材料尼龙，其他有机物,内,外,光纤分类,光纤的种类很多，分类方法也是各种各样,按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全塑料光纤和氟化物光纤。,按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。,按最佳传输频率窗口分：常规型单模光纤和色散位移型单模光纤。,按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤,。,按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤,。,1.2,光纤的结构特征,*其结构特征主要与折射率相关,阶跃光纤,（,1.1-1,）,为纤芯半径，,其差值用相对折射率差,表示,0,梯度光纤,特点,折射率沿径向呈非线性递减，纤轴（,r=0,）折射率最大，纤壁最小。常见分布函数为,0,1.2,光线在光纤中的传播,1.2.1,光线在阶跃光纤中的传播,N,P,C,C,/,Q,S,X,Y,Z,0,NXS=,0,入射角,CXP=,CXY=,反射角,PXY=,=Pi/2-,C,P,X,Y,NXS=,0,入射角,CXP=,CXY=,反射角,PXY=,=Pi/2-,S,平面,CXP,为光纤端面,YP,垂直光纤端面,当,时，满足全反射条件，光纤在纤芯内不断反射、传播,光线在纤内每次反射对应的,、,、,角保持不变，关系式（,1.2,-1,）始终成立,C,/,轴线,图,1.2,化简（,3,）式,证明,1.2.1.1,斜光线的传播路径,光线在光纤内的路径与入射光线及纤轴不共面,斜光线，,空间光线。传播路径为绕线轴的螺旋状空间折线。断面投影见下图,C,P,X,1.2.1.2,子午光线的传播路径,光线在光纤内的路径始终与入射光线及纤轴共面,子午线,即图,1.2,种入射光线,SX,cc,/,与,YP,共面，化简如图,1.3,所示,图,1.3,S,X,P,Y,Z,n,2,n,1,断面投影,有图可见，子午光线在单位长度光纤内的反射次数,利用折射定律和空气折射率,n,0,1,由此可知，子午光线在长度为,L,的光纤内的总反射次数为,证明,C,P,X,Y,S,C,/,斜光线在单位长度光纤内的总反射次数为,长度为,L,的光纤内的总反射次数为,由此可以看出，斜光线在光纤内传播的次数,大于子午光线的总反射次数。,光线的传播路径成为与光纤芯包界面相切的螺旋线，在光纤端面上,的投影为圆。,1.2.2,光线在梯度光纤中的传播,梯度光纤：纤芯折射率自轴心,界面逐渐减小，等径面相同。,设光线自离轴心,r,0,处任意点,O,以入射角,0,入射光纤，由折射定理,r,Z,n,2,n(r),光纤内部，折射率随着,r,增大而减小,P,+d(,),R,增大，,角增大，说明光线在内部内沿,一曲径传播。设曲率半径为,R,，则有曲率,为,P,点处的曲径弧长元。还可以得出,图,1.6,O,代入（,1.2-8,）式得,微分式（,1.2-7,），可得,由此可以看出，当,=0,，即光线沿与等折射率的垂线方向入射式，,K,0,光线不产生弯曲，只要,0,，,K,不等于,0,，光线始终沿一向折射率较大方,向弯曲的曲径传播。类似于光学透镜的聚焦作用,梯度光纤的自聚焦效应,P,O,0,0,为由端面折射后的折射角，则有,当光线前进时，,角不断增大，同时,也不断增大，当,等于,90,度，即与纤轴平行,曲率最大。当,继续增加，,Sin,由大变小，,也逐渐减小，曲率也减小。曲率中,心仍然位于折射率较大的一方，与全反射作,用相当。,子午光线的传播路径,为过纤轴的平面曲线，,斜光线的传播路径为,绕纤轴的空间曲线,1.2.3,数值孔径,数值孔径,是光纤传输光线的重要特征参数，用来计量光纤的受光能力,光在光纤中全反射的条件是,令临界全反射角,与之对应的光线入射角,m,在等式（,1.2-1,）两边同乘以,n,1,，得,由折射定律,可得,m,是光线在纤芯内产生全反射的最大入射角，表示光纤能接受光线的范围。,临界光锥与数值孔径,实际上，它是个圆锥半角，,2,m,越大，,进入光纤的光线越多，光纤受光能力越强。,由,可见,子午光线与斜光线的允许最大入射角不同，随着,得增加（即光线越斜）,m,增加，,产生全反射光线次数减少。（,增加，,减小，满足产生全反射的角度少,）,C,轴,n,1,n,0,n,2,r,式（,1.2-13,）表示光纤的数值孔径仅取决于纤芯的折射率大小及纤包相对折射率差,对于梯度光纤，数值孔径是入射点径向距离的函数，称为局部数值孔径,数值孔径与传光特点,模式理论的传输特性,在光纤直径比波长大得多的情况下,用光线理论,来解释光在光纤中的传输特点是适用的。但是，,当光纤的直径减小到与波长接近时，用光线理论,分析便不准确。因此，一般要的全面正确的解释,须采用波动理论。光波是一种,电磁波,，根据麦克,斯韦电磁场理论写出波动方程，再利用边界条件,求解。由于波动方程很复杂，根据具体情况，求,标量近似解或矢量严格解。,光纤模式,所谓的光纤模，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，即电磁场的稳态分布。这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式。,光波在光纤中的传播（波动理论）,先前的都是光线理论，主要利用折射和反射原理，几何光学光波长与光纤,芯径接近（,a=,m,）时，用光波传输理论来描述光的传播。,光纤中传播的光波遵从麦克斯韦方程组，由此可导出描述光波传输特性的波导方程,为光波的电场矢量,E,和,磁场矢量,H,的各分量，,在直角坐标系中写为,柱坐标,光纤结构特征出发，求解光纤中光场时可分为纵向分量和横向分量,或,纵向传播因子,（,1.3.1,）,为光波的横向传播常数，即波矢,K,的横向分量，定义为,化简（,1.3.1,）式，可得,根据,大小光波在光纤中传播存在三种模式，,导模,光功率限制在纤芯内传播,其能量被闭锁在纤芯内沿轴线,Z,方向传播,漏模,在纤芯内及距纤壁一定距离的包层中传播的光波场，,辐射模,波导完全处于截止状态，光波在芯与包层界面上因不满足全反射条件而,产生折射，模场能量向包层外逸出。,导模截止条件，从几何光学观点看，截止的临界状态即为入射光线的入射角等于全反射临界角的情形。,柱坐标,直角坐标到柱坐标的转化，,x,y,z-r,z,分离变量,角度相关的解,R,相关的解,圆偏振解，,m,代表在半圆周上光场出现最大值的个数，如,m=0,，圆周上光场,无变化；,m=1,时，变化一周出现,2,个最大值。,m=2,？,R,相关的解,式中,V,叫归一化频率或结构参数，它是光纤波导的重要特性参数之一，,它与纤径、真空波数、数值孔径有关。,截止条件和传输模,当,W,为虚数，则包层内部不再是修正的汉克,函数，而是第一类贝塞尔函数，即振荡解，同纤芯内光场解具有同样形式。此时,波形由衰减变成振荡。由导模变为辐射模，所以导模截止条件为,当,这种情况该模最不容易截止，光纤对导模场的约束最强，即远离截止，,U,值反映导模在纤芯中驻波场的横向振荡频率，,W,值反映导模在包层中,的渐逝场的衰减速度。,几个特殊的传输模式，当,m=0,，,E,z,或,H,z,分量为零时：,TE,0n,(,横电模,),，,TM,0n,(,横磁模,),不随角度,变化，它们是线偏振模，而且在子午面内。从几何观点看，他们就是子午光线。,大部分模式的,E,z,或,H,z,分量不为零，因而光纤中的模式是混合模。根据,E,z,和,H,z,的贡献大小，分为,EH,m,n,模（,E,z,H,z,）,和,HE,m,n,模（,E,z,H,z,）,混合模。下标,m,n,分别表示贝塞尔,函数的阶及相应得根数，不同的,m,n,代表不同的解，标识不同的模式。,光纤满足弱导条件时，,n1=n2,光纤对光波的约束和引导作用,大大减弱，使得导模的某些场分量相消为零，场分布得简并，,形成一种线偏模，即简并模，标记为,LP,m,n,。简并模与精确模,之间存在线性叠加关系。,LP,m,n,=HE,m+1,n,+EH,m-1,n,例如：,LP,11,=HE,21,+EH,01,其中,EH,01,是一种对称模，它可能是,TM,01,或,TE,01,输出模式斑谱,简并模式,LP,下标,m,表示沿圆周最大值有几对，,n,表示光场沿半径最大值的个数,LP,01,LP,11,LP,21,LP,模的分类及场分布和光斑,通常在光纤中传输的模式的数目很多，允许存在的导模数,目取决于光纤的归一化频率 ，,V,值越大，允许存在的导模越多，反之，越少。,当,V,2.4048,（阶跃光纤），或,V3.401,（梯度光纤）时，,只允许一种模式，即,HE,11,存在。这种光纤称为单模光纤。,其他情况都存在多种模式，称为多模光纤。,图,2.11,多模光纤与单模光纤的横截面尺寸,多模光纤中传导模的总数可有下式估算,式中，,g,为光纤中纤芯的折射率分布参数（,1-,）,。,对于阶跃光纤，,g,，,其模式数目为,对于渐变光纤,g,，,其模式数目为,光纤损耗,光波在光纤中传播时，由于光纤材料对光波的吸收、散射、光纤结构缺陷、弯曲及光纤中间的不完善耦合等原因，导致光功率随传输距离呈指数规律衰减，这种现象称为光纤的传输损耗。,损耗大小：传输,1km,产生的功率衰减分贝数,光纤损耗,尽管光波有着极大的带宽，但在,1961,1970,年，人们主要研究利用大气,传输光信号，实践证明，由于受到气候环境的严重影响，无法实现正常,的通信。在人们考虑的其它传输介质中，用石英玻璃材料制成的光导纤,维即光纤来传输光信号成为研究的重点。但是当时普通石英玻璃材料的,损耗高达,1000dB,km,，传输距离很有限。,1966,年,7,月，英国标准电信,研究所的英藉华人高锟（,K.C.Kao,）博士和霍克哈姆（,G.A.HocKham,）,博士根据介质波导理论指出：光纤的高损耗并不是其本身固有的，而是,由材料中所含的杂质引起的。并预言如果降低材料中的杂质含量，可使,得光纤的损耗降至,20dB,km,，甚至更小。,1970,年，美国康宁（,Corning,）,玻璃有限公司成功地研制了损耗为,20dB,km,的低损耗石英光纤，这使得光纤完全能胜任作为传输光波的传输媒介，也开辟了光纤通信的新纪元。,光纤的吸收损耗,光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换为热量造成的,传输损耗。,本征吸收损耗,:,电子跃迁、,振动跃迁，本征吸收损耗一般,很小,0.01,0.05 dB/km,光纤的吸收损耗,杂质吸收损耗,含正过度金属离子（,Fe,3+,Cu,2+,Ni,3+,等）电子跃迁和,OH,1-,分子振动跃迁。制备工艺可以改善杂质含量,光纤的吸收损耗,光纤材料的量子跃迁致使一部分光功率转换为热量造成的,传输损耗。,本征吸收损耗,电子跃迁、振动跃迁，本征吸收损耗一般很小,0.01,0.05dB/km,杂质吸收损耗,含正过度金属离子（,Fe,3+,Cu,2+,Ni,3+,等）电子跃迁和,OH,1-,分子振动跃迁。制备工艺可以改善杂质含量,原子吸收损耗,由于强烈的热、光、射线辐射使光纤材料中出现原子缺陷,2.,光纤的散射损耗,瑞利散射；,自发拉曼散射：,斯托克斯，,反斯托克斯,非线性散射,（受激拉曼和布里渊散射）,传输小功率信号，光纤中远小于光波长的物质折射率、,参杂粒子浓度不均匀等引起光的散射，特征是散射光,正比于,1/,4,。,散射与传输光波长相同,相对传输光频移,向长波方向偏移,向短波方向偏移,当波长加大时，散射损耗迅速减小，抑制这类散射要选择波长大的光源,大功率信号传输,光纤的弯曲损耗,指曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生的附加损耗，即宏观弯曲损耗。,主要来源于光纤弯曲产生的,空间滤波（主）,、模式泄漏以及模式耦合。,空间滤波，光纤弯曲导致光波传播的,全反射条件破坏,，折射到包层中,将携带的能量辐射到光纤外。直线部分承载模式大于弯曲的部分。光,纤越弯曲，空间滤波效应越明显，传输模式越少，损耗大。,光纤色散,光纤的色散是指光脉冲在光纤传输时，由于光的群速度不同而产生的脉冲展宽现象。,根据群速度产生的差异，将光纤的色散分为三类：材料色散，模式色散和波导色散。,材料色散：折射率随波长变化而变化,波导色散：传播模的群速度随波长变化而变化。,模式色散：模式色散存在于多模光纤中，也叫,模间色散，是由于各个传输模之间,的群速度不同引起的。,对于多模光纤，其纤芯为,50,m,，远大于光的波长,1.3,m,，因而波动理论与几何光学分析的结论是一致的。可以将一个模式看成是光线在光纤中一种可能的行进路径。由于不同的路径其长度不同，因而对应的不同的模式其传播时延也不同。,设有一光脉冲注入长为,L,的阶跃型光纤中，可以用几何光学求出其最大的时延差,，,如图所示。设一单色光波注入光纤中，其能量将由不同的模式携带，速度最快的模（路径最短）与中心轴线光线相对应，速度最慢的模（路径最长）与沿全反射路径的光线相对应，可求出最大的时延差：,利用了全反射定理：,si,n,=,n,2,/,n,1,图为,模间时延差,当,n1=1.5,=0.5%,光纤长度,L=1Km,脉冲展宽？,