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1、光纤光学基础知识,万助军 2003.11.10,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。,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，如果入射角大于临界角 0，将发生全反
2、射，没有光能量透射至包层而泄漏出去，此即光纤导光原理。,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 大于全反射临界角0 ，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必须小于孔径角 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，Corning SMF-28单模光纤、InfiniCor 50/125um多模光纤、InfiniCor 62.5 /125um多模光纤数值孔径分别为0.14、0.20、0.275。,光
3、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1、 2、3，我们称之为光纤的模式。 也可以用纵向传播常数1、 2、3来描述光纤的模式，表示光线相位变化的速度。 模式越高，角越大， 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
4、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V2.405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,越大则V越小，当c
5、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,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
6、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(Bending Loss) 如图5所示，光线在光纤平直部分的A点以临界角1入射，全部反射，在弯曲部分的B点以角度2(1)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
7、损耗。,Rc与有关，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c有关， c越大则Rc越小，也就是说，截止波长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
8、损耗与弯曲振幅A2成正比，与弯曲总长度L成正比。,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，模场半径越小则损耗越小；但由于模场半径与波长有关，损耗与波长的关系不能明显看出来。 实际情况是，波长越小则微弯曲损耗越小。 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
9、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1310nm光损耗远小于1550nm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。,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
10、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,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，传播常数亦不相同，称为偏振模色
11、散。,光纤的传输特性,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
12、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,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，如图10所示。 多模光纤连接损耗 纤芯错位损耗,渐变折射率多模光纤,端面间隙损耗,光纤的连接损耗,阶跃折射率多模光纤,阶跃折射率多模光纤,纤芯倾斜损耗,渐变折射率多模光纤,光纤的连接损耗,阶跃折射率多模光纤,单模光纤连接损耗 纤芯错位损耗,由于多模光纤的芯径很大，因此三种连接失配损耗均很小。,光纤的连接损耗,纤芯倾斜损耗,端面间隙损耗,由于单模光纤的芯径和模场半径均很小，纤芯错位损耗很大，其次为端面间隙损耗，再次为纤芯倾斜损耗。,
