光纤通信2.

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1、第二章：光纤结构、波导原理和 制造 回顾光的特性、基本的光学定律和定义 介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释 圆波导模式及其理论简介* 单模光纤的特性、材料以及制造工艺 光纤的几种成缆方式 主要内容 2.1 光的基本特性 - 17世纪意大利格里马蒂首次观测到 光的衍射现象 - 1690年海牙物理学家惠更斯提出光 的波动性学说 - 1801年托马斯杨双缝干涉实验 - 1817年菲涅尔解释并重新演 示了光的衍射 (泊松亮斑) - 1865年麦克斯韦发表电磁场 理论并预言光是一种电磁波 光的波动性 光两种典型的传播方式 定义：相位相同的点的集合称为光的等相面或波前 性质：光的传播方向垂直于波前 点

2、光源 球面波前 平面波前 光线 假设光在各向同性的均匀介质中传播 平面波 1821年菲涅尔：光波是一个横波，其传播方向垂直 于电场(E)和磁场(H)的振动方向 一列沿 z 方向传播的平面波 的电场可以表示为： 其中：e为电场振动方向 为光的角频率 k = 2p/为传播常数 E(z, t) = eEcos(t - kz) O y x z e z* 偏振态 根据电场矢量在xy平面上的运动轨迹，光可分为： 线偏振光 椭圆偏振光 圆偏振光 O y x z e E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t) Ex(z, t) = exE0xcos(t - kz) Ey(z, t) = eyE

3、0ycos(t - kz +) 这两个垂直分量之间的相位 差满足 = 2mp, 其中m = 0, 1, 2, 线偏振光 q E0y E0x E(z, t) = exE0xcos(t - kz) + eyE0ycos(t - kz) 圆偏振光 正交分量E0x = E0y= E0，且二 者之间的相位差 = 2mp p/2 时，光为圆偏振光： 迎着光传播的方向，根据 取 p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋 圆偏振光和左旋圆偏振光 椭圆偏振光 ( 2mp, m = 0, 1, 2,) 椭圆偏振光 光电效应 (1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦解释) 1. 光能量的发射与吸收以光量子的离散形式进行的

4、 2. 光子的能量仅与光子的频率有关 一个频率为n的光子能量为 E = hn h = 6.63 10-34 Js为普朗克常数 光的量子特性 在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率 相关，而与光的亮度和照射时间无关。不同的金属 材料要求不同的光照频率。 光速 c = 3 108 m/s 波长： = c/v 当光在媒介中传播时，速度cn = c/n 常见物质的折射率：空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同 2.2 基本的光学定律和定义 光的反射定律 两种不

5、同媒介的界面 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反 射光线和入射光线处于法线的两侧，且反射角等于 入射角： qin = qr 折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折 射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足： n1 sin1 = n2 sin2 光的折射定律 (Snell定律 ) 空气 玻璃 光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角 n1 sinfc = n2 sin 90 fc = sin-1(n2/n1), n1 n2 光的全反射 例: n玻璃 = 1.50 n空气 = 1.00 c 42 全反射 c 光密媒质 光疏媒质 q1 波长) l易于直观理解 l电磁场导波模式分析

6、l应用于分析单模光纤 (芯径尺寸波长) n1 光纤中光的传播方式有两种： a) 子午光线：光始终在包含光纤中轴线的平面内传播 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 O 0 O P r n2 n1 QQ n2 P 光纤的数值孔径 阶跃光纤 约束光线内全反射最小入射角应满足： sinfc = n2/n1 最大入纤角应满足： nsinq0 = n1sin(p/2-fc) = (n12 n22)1/2 小于q0投射到光纤端面的光线将在芯包 界面上全反射，向前传播。

7、 定义：数值孔径 NA = nsinq0= (n12 n22)1/2 = n1(2D)1/2 1 其中D = (n1 n2)/n1为芯包相对折射率差 NA通常在0.14到0.50之间 NA大利于光耦合，但过大会使带宽变窄 n2 n1 n2 纤芯 包层 q0 n q fc 光纤的数值孔径 梯度光纤 折射率幂指数分布： 其中n1为轴心上的折射率，n2为包层折射率，a为芯径 在离纤芯距离r处的数值孔径为： 其中NA(0)为轴心上的数值孔径 光纤的数值孔径 梯度光纤 平板波导中的解释 d n1 n2 n2 相位条件：平面波的性质决定光线1和2在传播过程 中等相面上的所有点相位必须相同 实际上并非所有满

8、足q q0 的入射光都能沿光纤传播 A 光线1 光线2 光线向上传播时的相前 C q 光线向下传播时的相前 q Hz) 相反 EH (Ez 2.405时，光纤可支持多个模式。若用M表示多 模光纤的模式总数，当M比较大的时候，M与V之间 存在近似关系： 功率分布 如前所示，导波模的部分能量会进入包层： (1) 光纤的V值接近某个模式的截止值时，这个模式 大部分功率进入包层； (2) 若大量模式存 在，包层中的 光功率所占比 例近似为： 最低阶模：包层20%；纤芯80% 回顾光的特性、基本的光学定律和定义 介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释 圆波导模式及其理论简介* 单模光纤的特性以及光纤的材

9、料和制造工艺 光纤的几种成缆方式 主要内容 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 ： 2.5 单模光纤 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 模场直径 (MFD)：光场量为 e-1E0时的光场半径宽度(E0为 轴心的光场量)，即光纤截 面的光斑尺寸。 模场直径 习题2.24 电场分布一般为高斯分布： HE11偏振态相互正交的两个简并模 双折射 光纤结构不完善，导致两个简并模式具有不同的有 效折射率，并以不同的相速度传播，即双折射效应 ： b = k(ny - nx) 或者 Bf =

10、ny - nx (低双折射光纤) 10-8 Bf 10-3 (高双折射光纤) 光纤拍长 当两个简并模相位差为2p整数倍时，则光的偏振态与入射点 相同，此时称该点处出现“拍”，两个拍之间的间隔称为拍长 ：LB = 2p/b。 单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化 实际中，由于受到应力影响，双折射系数沿轴 并非常量，因此线偏振光很快变成任意偏振光 。 d = 0 d p/2 d = 2p LB d = 0 d p/2 d = 2p 2.6 光纤材料 选材的准则： 1. 能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕 2. 在特定波长损耗低 3. 能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件 按材料分类：

11、1. 无源玻璃纤维 2. 有源玻璃纤维 3. 塑料纤维 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 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 2.7 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

12、过程： - 高纯度卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒 - 将微粒收集在玻璃容器的表面(四种方法) - 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 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/km 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 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

13、制在 0.20.4 dB/km 1977年日本开发 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光纤 玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒 纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始石英管构成 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 光纤拉丝机 Photonic Crystal FiberPhotonic Bandgap Fiber 2.8 光纤的机械和温度特性 1) 抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度

14、2) 延展性(1%)比金属差(20%) 3) 纤内存在裂纹、气泡或杂物时容易断裂 4) 光纤遇水、氢容易断裂且损耗增大 5) 在低温下损耗随温度降低而增加 需要增强机械性能、需要防水 回顾光的特性、基本的光学定律和定义 介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释 圆波导模式及其理论简介* 单模光纤的特性、材料以及制造工艺 光纤的几种成缆方式 主要内容 2.9 光缆 光纤成缆之后要求光缆： 1. 抗拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和 横截面积，要求大于1 km光缆的重量 (100400 kg) 2. 抗压特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结 构，多数在100 400 k

15、g/10 cm 3. 改善温度特性、隔离潮气 4. 要求光缆材料不容易析氢 成缆方式：层绞式 层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故 又称为古典式光缆。 成缆方式：骨架式 光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V 形、U 形或其它形状，槽的纵向呈螺旋形或正弦形， 一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。 骨架：聚乙烯材料，抗侧压性能好 成缆方式：束管式 把松套管扩大为整个缆芯，成为一个大管腔，将光 纤集中松放在内。这种结构近年来得到了较快发展。 成缆方式：带状式 带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料 带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构 成光缆芯。 光缆对光纤特性的影响 1. 改善光纤的温度特性 2. 增加机械强度 光缆使其断点强度远高于光纤，增强了光缆抗压 、 抗冲击和抗扭曲性能 3. 成缆损耗 不良的成缆工艺在成缆后会带来附加损耗，如不 良应力造成微弯 作业 2.5、2.9、2.11、2.22、2.24