光纤chap21.pptx

1光纤概述光纤概述由于光纤具有低损耗、容量大以及其他方面的许多优点，现已成为通信系统的重要传输介质之一。23 2.1 光纤结构和类型光纤结构和类型2.1.1 光纤结构光纤结构光纤光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯和外围的包层）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝同轴组成的圆柱形细丝。纤芯纤芯的折射率折射率比包层包层稍高，损耗损耗比包层包层更低，光能量主要在纤芯纤芯内传输。包层包层为光的传输提供反射面反射面和光隔离光隔离，并起一定的机机械械保护作用。设纤芯纤芯和包层包层的折射率折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。=(n1-n2)/n1为纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差4图图2.1 光纤的外形光纤的外形5 2.1.2 光纤类型光纤类型光纤种类很多，这里只讨论作为信息传输波导用的由高纯度石英高纯度石英（SiO2）制成的光纤。实用光纤主要有三种基本类型：1、突变型多模光纤、突变型多模光纤（Step-Index Fiber,SIF）2、渐变型多模光纤、渐变型多模光纤（Graded-Index Fiber,GIF）3、单模光纤、单模光纤（Single-Mode Fiber,SMF）相对于单模光纤单模光纤单模光纤单模光纤而言，突变型光纤突变型光纤突变型光纤突变型光纤和渐变型光纤渐变型光纤渐变型光纤渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤多模光纤6n1光纤中光的传播方式有两种：a)子午光线：光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播 a-1)约束光线：约束在纤芯内部传播的光线 a-2)非约束光线：将折射到纤芯外面b)斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不 与光纤的轴线相交光纤中光的传播O0OPrn2n1QQn2P7 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 89 图 2.3典型特种单模光纤(a)双包层；(b)三角芯；(c)椭圆芯 特种单模光纤特种单模光纤 最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布示于图2.3，这些光纤的特征如下。双包层光纤双包层光纤双包层光纤双包层光纤 色散平坦光纤色散平坦光纤（DispersionFlattened Fiber,DFF）色散移位光纤色散移位光纤（DispersionShifted Fiber,DSF）三角芯光纤三角芯光纤三角芯光纤三角芯光纤 椭圆芯光纤椭圆芯光纤椭圆芯光纤椭圆芯光纤 双折射光纤双折射光纤或偏振保持光纤偏振保持光纤。10主要用途：主要用途：突变型多模光纤突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。渐变型多模光纤渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。单模光纤单模光纤用在大容量长距离的系统。特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平1.55m色散移位光纤色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。色散平坦光纤色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。三角芯光纤三角芯光纤有效面积较大，有利于提高输入光纤的光功率，增加传输距离。偏振保持光纤偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。11无源玻璃纤维玻璃纤维的主材：SiO2-物理和化学稳定性好-对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫属元素12有源玻璃纤维和塑料光纤有源光纤：在SiO2中掺入稀土元素(如：铒)-光纤放大器(如：掺铒光纤放大器)塑料光纤-更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合-损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输-使用范围还十分有限13直接加工和制造光纤 难度非常大利用熔融玻璃的特性，将加工尺寸放大！拉丝(Drawing)：在高温下将预制棒拉制成光纤，且保持原有的芯包结构制备光纤预制棒（Preform)预制棒与要获得的光纤具有相同物理和材料结构的大尺寸石英棒原料：主料：主料：SiClSiCl4 4;O;O2 2 掺杂料：掺杂料：GeClGeCl4 4;CF;CF2 2ClCl2 2;载运气体：载运气体：Ar;HeAr;He环境超净！提纯：要求杂质浓度（OH-,金属离子等）在ppb量级（10-9）光纤制造技术光纤制造技术光纤制造的两个基本步骤14光纤制造光纤制造两种基本方法1.直接熔化法：按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净 组分直接制造成光纤2.汽相氧化过程：-高纯度金属卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒 -(通过四种不同的方法)将微粒收集在玻璃容器的表面 -烧结(在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体)制成预制棒 -拉丝成纤15直接熔化法：双坩埚法石英光纤卤化物光纤硫属光纤优点：产量大可连续制造缺点：杂质使最低损耗为5 dB/km16汽相氧化法：外部汽相氧化法1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤17汽相轴向沉积法优点：1.预制棒不再有空洞2.预制棒可以任意长3.沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作 环境清洁4.没有使用氢氧焰，单 模光纤所含的OH-较 低，损耗可以控制在 0.20.4 dB/km1977年日本开发18改进的化学汽相沉积法1974年贝尔实验室设计，用于制造低损耗梯度折射率光纤 玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成19等离子体活性化学汽相沉积法飞利浦提出1978年应用于量产直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形可快速移动，沉积厚度减少，有利于控制折射率分布沉积效率高、沉积速度快有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀20拉丝工艺拉丝工艺预制棒炉子外径监控涂敷牵引辊光纤拉丝塔拉丝塔（Drawing TowerDrawing Tower）21222.2 光纤传输原理光纤传输原理光的波粒二象性（光既可以看作电磁波，也可以看成由粒子组成的粒子流）描述光在光纤中的传输特性时对应的也有两套方法 两种分析方法：几何光学方法从几何光学出发，用射线理论分析光纤中的光传输特性。波动光学方法从麦克斯韦（Maxwell）方程出发，用波动光学理论精确、严密地分析光在光纤中的传输特性。232.2.1 几何光学方法几何光学方法几何光学法分析问题的两个出发点几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径数值孔径 时间延迟时间延迟通过分析光束在光纤中传播的空间分布空间分布和时间分布时间分布几何光学法分析问题的两个角度几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤突变型多模光纤 渐变型多模光纤渐变型多模光纤241.突变型多模光纤突变型多模光纤数值孔径数值孔径 为简便起见，以为简便起见，以突变型多模光纤突变型多模光纤的交轴的交轴(子午子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设设纤芯纤芯和和包层包层折射率分别为折射率分别为n1和和n2，空气的，空气的折射率折射率n0=1，纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z轴一致，轴一致，如如图图2.4。25数值孔径数值孔径(NA)(NA)：更为常用的表示光纤受光能力的参数：更为常用的表示光纤受光能力的参数bbbb26对于能在波导内传输的任意光线：对于能在波导内传输的任意光线：为芯包界面全反射临界角为芯包界面全反射临界角阶跃型光纤阶跃型光纤NANA27数值孔径（数值孔径（NANA）表示光纤的受光能力）表示光纤的受光能力即凡是入射到圆锥角即凡是入射到圆锥角 以内的所有光线都可以满足全以内的所有光线都可以满足全反射条件，在芯包分界面上发生全反射反射条件，在芯包分界面上发生全反射NANA与光纤几何尺寸无关，典型值与光纤几何尺寸无关，典型值0.050.050.20.2NANA大，受光能力强大，受光能力强光纤的重要参数数值孔径角圆锥形受光区域28NANA表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力表示光纤接收和传输光的能力，NA(或或c)越越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦耦耦耦合效率合效率合效率合效率越高。越高。对于无损耗光纤，在对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中内的入射光都能在光纤中传输。传输。NA越大，越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好曲性能越好;但但NA越大，经光纤传输后产生的信越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而号畸变越大，因而限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。图 2.4 突变型多模光纤的光线传播原理29关于多模光纤的NANA越大越好吗？NA越大，越容易耦合，微弯敏感性越小NA越大，能够在多模光纤中传输的模式越多，（不同路径传输的光束为不同的模式）模式色散越严重，影响传输30光线中的子午线和斜射线31模式色散的计算模式色散的计算几何光学几何光学包层n2 芯区n1 传输最快的子午线传输最快的子午线 传输最慢的子午线传输最慢的子午线对于，单位长度光纤传输的时延：对于，单位长度光纤传输的时延：多模光纤的模式色散为：多模光纤的模式色散为：仅考虑子午线的情况仅考虑子午线的情况常用单位是常用单位是ps/kmps/km32时时时时间间间间延延延延迟迟迟迟 根根据据图图2.4，入入射射角角为为的的光光线线在在长长度度为为L(ox)的的光光纤纤中中传传输输，所所经经历历的的路路程程为为l(oy)，在在不不大大的的条条件件下下，其传播时间即其传播时间即时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟为为式式中中c为为真真空空中中的的光光速速。由由式式(2.4)得得到到最最大大入入射射角角(=c)和和最小入射角最小入射角(=0)的光线之间的光线之间时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟差近似为差近似为(2.4)(2.5)这种时间延迟差在时域产生这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽脉冲展宽，或称为，或称为信号畸变信号畸变信号畸变信号畸变。由此可见，由此可见，突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其光线经光纤传输后，其时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟不同而产生的。不同而产生的。33 时间延迟时间延迟时间延迟时间延迟34渐变型多模光纤具有能渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点减小脉冲展宽、增加带宽的优点。渐变型光纤折射率分布的普遍公式为渐变型光纤折射率分布的普遍公式为 式中，式中，n1和和n2分别为分别为纤芯中心纤芯中心和和包层包层的折射率，的折射率，r和和a分分别为别为径向坐标径向坐标和和纤芯半径纤芯半径，=(n1-n2)/n1为为相对折射率相对折射率差差，g为为折射率分布指数折射率分布指数g g，(r/a)0(r/a)0的极限条件下，式的极限条件下，式(2.6)表示表示突变型多模突变型多模光纤光纤的折射率分布的折射率分布g g=2=2，n(r)按平方律按平方律(抛物线抛物线)变化，表示常规变化，表示常规渐变型多模渐变型多模光纤光纤的折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角的折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小n11-=n2 ra 0ran(r)=(2.6)2.渐变型多模光纤渐变型多模光纤35 由于由于渐变型多模光纤渐变型多模光纤渐变型多模光纤渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标折射率分布是径向坐标r的函数，的函数，纤芯各点纤芯各点数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径不同，所以要定义不同，所以要定义局部数值孔径局部数值孔径NA(r)和和最大数值孔径最大数值孔径最大数值孔径最大数值孔径NAmaxNAmax 36 式式中中，为为特特定定光光线线的的位位置置矢矢量量，s为为从从某某一一固固定定参参考考点点起起的的光光线线长长度度。选选用用圆圆柱柱坐坐标标(r,，z)，把把渐渐变变型型多多模模光光纤纤的的子子午午面面(r-z)示于图示于图2.5。如如式式(2.6)所所示示，一一般般光光纤纤相相对对折折射射率率差差都都很很小小，光光线线和和中中心心轴轴线线z的的夹夹角角也也很很小小，即即sin。由由于于折折射射率率分分布布具具有有圆圆圆圆对对对对称称称称性性性性和和沿沿沿沿轴轴轴轴线线线线的的的的均均均均匀匀匀匀性性性性，n与与和和z无无关关。在在这这些些条条件件下下，式式(2.7)可简化为可简化为(2.8)射线方程的解射线方程的解射线方程的解射线方程的解 用用几几几几何何何何光光光光学学学学方方方方法法法法分分析析渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤要要求求解解射射线线方方程程，射射线方程一般形式为线方程一般形式为(2.7)37 图 2.5 渐变型多模光纤的光线传播原理 38 解这个二阶微分方程，得到光线的轨迹光线的轨迹光线的轨迹光线的轨迹为 r(z)=C1sin(Az)+C2 cos(Az)(2.10)式中，A=，C1和C2是待定常数，由边界条件确定。设光线以0从特定点(z=0,r=ri)入射到光纤，并在任意点(z,r)以*从光纤射出。由方程(2.10)及其微分得到(2.9)C2=r(z=0)=ri C1=(2.11)把式(2.6)和g=2代入式(2.8)得到 39 由图2.5的入射光得到dr/dz=tanii0/n(r)0/n(0)，把这个近似关系代入式(2.11)得到 由出射光线得到dr/dz=tan*/n(r)，由这个近似关系和对式(2.10)微分得到 *=-An(r)risin(Az)+0 cos(Az)(2.12b)取n(r)n(0)，由式(2.12)得到光线轨迹光线轨迹的普遍公式为把C1和C2代入式(2.10)得到 r(z)=ricos(Az)+(2.12a)40 r*=cos(Az)-An(0)sin(Az)cos(Az)ri 这个公式是第三章要讨论的自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜自聚焦透镜的理论依据。(2.13)41 由此可见，渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0，其周期=2/A=2a/，取决于光纤的结构参数(a,)，而与入射角0无关。自自自自聚聚聚聚焦焦焦焦效效效效应应应应 为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0,ri=0)，由式(2.12)和式(2.13)得到(2.14a)*=0cos(Az)(2.14b)这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，见图2.5和图2.2(b)，这种现象称为自聚焦自聚焦自聚焦自聚焦(Self-Focusing)(Self-Focusing)效应效应效应效应。42 渐渐渐渐变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤具有自自自自聚聚聚聚焦焦焦焦效效效效应应应应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟时间延迟也近似相等。43 式中，E和H分别为电电电电场场场场和磁磁磁磁场场场场在直角坐标中的任一分量，c为光速。选用圆柱坐标(r，z)，使z轴与光纤中心轴线一致，如图2.6所示。将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez 的波波波波动方程动方程动方程动方程为(2.18a)(2.18b)(2.19)1.波动方程和电磁场表达式波动方程和电磁场表达式 设光纤没有损损耗耗，折折射射率率n变化很小，在光纤中传播的是角频率为的单单色色光光，电磁场与时间t的关系为exp(jt)，则标标标标量量量量波动波动波动波动方程为 2.2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论44图 2.6 光纤中的圆柱坐标 45麦克斯韦方程的一个解对应着电磁场在光纤中的一种分布形式，即模式。按分布形式，模式可以分为以下几种类型：1.横电模(TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z2.横磁模(TM)：z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z3.混合模(HE or EH)：z方向上的电场和磁场都不为0 HE(Ez Hz)相反 EH(Ez Hz)46光纤中模场的特点qq低阶导波模式的场分布表现出以下特点：(1)模场并不完全局限在纤芯，而是部分进入包层(2)强度在纤芯区域简谐变化，在包层按指数衰减(3)模式的阶数等于波导横向场量零点的个数(4)光的入射角越小，激发的模式阶数越低强度简谐变化指数衰减指数衰减纤芯 n1包层 n2包层 n247辐射模和泄漏模入射光除了能激励起导波模外，还有其它模式：辐射模：光的入射角过大，导致光在波导表面产生折射进入包 层形成包层模。泄漏模：一些高阶模的能量在沿光纤传播的过程中连续辐射出 纤芯，很快衰减并消失。某个模式怎样才能成为导波模呢？48归一化频率(重要参数)导波模条件：传播常数b(单位长度内光相位的变化量)满足n2k b n1k 或 n2 b/k n1。导波模和泄漏模的分界点(截止条件)为：b=n2k。与截止条件相对应的重要参数是归一化频率V：它决定了光纤可支持的模式总数。当V 2.405时，光纤只支持一个模式，即单模。减小 V 的一个途径就是减小光纤半径 a。故单模光纤半径比多模光纤小。最低阶模V综合考虑了光纤的尺寸和注入波长综合考虑了光纤的尺寸和注入波长V才是判断单模和多模的标准才是判断单模和多模的标准49图 2.8 若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线 50LP01 HE11LP11 HE21 TM01 TE01 LP02 HE12LP12 HE22 TM02 TE02LP03 HE13LP13 HE23 TM03 TE0302.4052.4053.8323.8325.5205.5207.0167.0168.6548.65410.173低阶模式低阶模式V值范围值范围表表2.2 低阶（低阶（v=0和和v=1）模式和相应的模式和相应的V值范围值范围51图 2.9 四个低阶模式的电磁场矢量结构图 52单模光纤中只有最低阶模式HE11存在，它的光纤横向光斑图类似于左上角的截面图：圆柱空心波导中的模式结论：低阶模能量集中在波导中心，而模式阶数越高横截面直径越大且能量分布越分散53 3.多模渐变型光纤的模式特性多模渐变型光纤的模式特性传输常数传输常数传输常数传输常数 多模渐变型光纤多模渐变型光纤多模渐变型光纤多模渐变型光纤传输常数的普遍公式为(2.31)式中，n1、g和k前面已经定义了，M是模式总数模式总数模式总数模式总数，m()是传输常数大于的模式数模式数模式数模式数。经计算 (2.32a)(2.32b)54 由式(2.32)看到：对于突变型光纤突变型光纤突变型光纤突变型光纤，g，M=V2/2；对于平方律渐变型光纤平方律渐变型光纤平方律渐变型光纤平方律渐变型光纤，g=2，M=V2/4。55 4.单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性 单单单单模模模模条条条条件件件件和和和和截截截截止止止止波波波波长长长长 从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止模式截止模式截止模式截止，模式数目模式数目模式数目模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模基模基模基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件单模传输条件单模传输条件单模传输条件为 V=2.405 或c=由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临临临临界界界界波波波波长长长长cc，当c时，是单模传输，这个临界波长c称为截止波长截止波长截止波长截止波长。由此得到(2.36)