光纤简介光纤简介一、光纤的分类一、光纤的分类二、光纤的制造二、光纤的制造三、光纤的传输特性三、光纤的传输特性四、光纤器件四、光纤器件五、特种光纤五、特种光纤一一 光纤的分类光纤的分类光纤材料石英光纤多组分玻璃光纤塑料光纤掺杂光纤掺铒光纤掺铥光纤掺氟光纤掺镨光纤光纤是由中心的纤芯和外围的包层组成的同轴圆柱形石英细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 折射率分布阶跃型光纤多层型光纤渐变型光纤三角型中心下陷型平方律型抛物线型高斯型一一 光纤分类光纤分类光纤是光导纤维的简称。其传输特性由其结构和材料决定。光纤的分类：光纤的分类：1. 按传输的模式数量：按传输的模式数量：单模光纤单模光纤 只能传输一种模式的光纤只能传输一种模式的光纤多模光纤多模光纤 同时传输多种模式的光纤同时传输多种模式的光纤纤芯纤芯包层包层缓冲涂覆层缓冲涂覆层单模单模：纤芯直径 2a = 212 m 纤芯包层折射率差小 (n1-n2)/n1 0.00050.01多模多模：纤芯直径 2a = 50500 m 纤芯包层折射率差大 0.010.02n2n1n2n1n2n12a2arr = ar = 0单模阶跃折射率光纤单模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模梯度折射率光纤多模梯度折射率光纤剖面折射率分布2. 按纤芯折射率分布按纤芯折射率分布阶跃折射率光纤梯度折射率光纤3. 按传输的偏振态，单模光纤可分为：按传输的偏振态，单模光纤可分为：a. 非偏振保持光纤非偏振保持光纤(非保偏光纤)b. 偏振保持光纤偏振保持光纤 （保偏光纤）单偏振光纤高双折射光纤低双折射光纤圆保偏光纤阶跃折射率分布：阶跃折射率分布：阶跃折射率分布：阶跃折射率分布：梯度折射率分布梯度折射率分布梯度折射率分布梯度折射率分布a-a-纤芯半径，纤芯半径，纤芯半径，纤芯半径， =1=1 当当当当 1010时，趋近阶跃型时，趋近阶跃型时，趋近阶跃型时，趋近阶跃型当当当当 =1=1时，三角型（色散位移）时，三角型（色散位移）时，三角型（色散位移）时，三角型（色散位移）当当当当 =2=2时，平方律分布时，平方律分布时，平方律分布时，平方律分布在石英光纤中在石英光纤中在石英光纤中在石英光纤中相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差 折射率分布的表示折射率分布的表示折射率分布的表示折射率分布的表示4. 按制造光纤的材料分：按制造光纤的材料分：(1). 高纯度熔石英光纤传输损耗低(2). 多组分玻璃纤维纤芯包层折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径 的光纤。(3). 塑料光纤成本低、材料损耗大、温度性能差。(4). 红外光纤(5). 液芯光纤纤芯为液体(6). 晶体光纤纤芯为单晶，可用于制作有源和无源光纤器件。近红外15m，中红外10 m光缆： 光缆可分为陆地光缆、海底光缆、野战光缆。陆地光缆又分为地下管道式、直埋式、架空式和高压地线式等。海底光缆分浅海式和深海式。光缆的特性1. 温度特性 温度升高或降低都会使光纤损耗增大，尤其在低温下工作，损耗增大更加明显。在零下55度，损耗急剧增大，低于零下60度，损耗趋于平坦。2. 机械特性 光缆的机械特性主要是指光缆的机械强度和寿命。光纤在成缆以前要经过强度测试。光缆在出厂以前，要经过一定条件下的拉伸、压缩、扭绞、弯曲、冲击等一系列测试。在测试后，光缆外套无丝毫损坏迹象，光缆的最大附加损耗应小于0.2dB/km。 陆地防潮光缆，抗张力430g，对1500米以内的海底光缆，要求抗张力860g，对1500米以上的海底光缆，要求抗张力1900g。光纤的光纤的Helmholtz方程方程对折射率均匀分布的光纤：注意：1、 只是说明 是x,y变量的函数，但在x,y,z方向上都有可能存在分量。2、 的正负决定了解的性质：振荡解还是衰减解。纵向分量满足的方程纵向分量满足的方程二层均匀光纤场解分析二层均匀光纤场解分析折射率分布:场解形式:利用纵向与横向场解的关系式，可以得到横向分量解的表达式。特征方程特征方程可以看出，模式场的解析式只有4个未知量，所以只需4个连续的边界条件：= =特征方程模式的临近截止条件：模式的远离截止条件：场在包层中不衰减场在包层中不存在光纤的设计 1. 多模光纤的设计 通信用多模光纤标准尺寸：d=50m， D=125 m，NA=0.200.23，1.0%1.3 用于短距离通信，若使用LED作为光源，需使用大数值孔径和大芯径的多模光纤。二二 光纤的设计和制造光纤的设计和制造2. 单模光纤的设计 单模光纤主宰了光纤市场。 提高光纤性能：降低本征损耗，增大码速容量，增强抗弯能力。光纤的制造光纤的制造过程：制作预制棒拉丝涂覆(1)制作预制棒 MCVD改进的化学汽相沉积法 PVCD等离子体激活化学汽相沉积法 OVD棒外汽相沉积法 VAD轴向汽相沉积法 MCVD法的特点：在石英反应管（趁底管）内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统处于封闭的超提纯状态下。 MCVD法制备光纤预制棒示意图法制备光纤预制棒示意图掺杂试剂掺杂试剂第一步：熔制光纤的内包层玻璃。主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：CF2Cl2, SF6, C2F4；载运气体：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 2 CF2Cl2+ SiCl4+2O2 SiF4+2Cl2+2CO2 石英管内壁上形成SiO2SiF4玻璃层，作为光纤内包层。掺杂试剂掺杂试剂第二步：熔制芯层玻璃。主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：GeCl4；载运气体：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2SiO2 GeO2沉积在内包层玻璃上，成为芯层玻璃。掺杂试剂掺杂试剂(2) 预制棒拉制成丝 预制棒由送料机构送入管状加热炉（石墨电阻炉）中，当预制棒尖端热到一定温度时，粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细形成纤维。纤维经由纤径测量仪监测并拉引到牵引辊绕到卷筒上。送料机构的速度必须与牵引辊收丝的速度相适应。拉丝速度一般为30100米/秒。预制棒拉丝示意图预制棒拉丝示意图(3) 涂覆 裸露在空气中的光纤容易断裂，所以为了提高抗拉强度和抗弯强度，需要涂覆保护层。 一次涂覆：变性硅酮树酯、普通硅酮树酯 二次涂覆：套塑三三三三 光纤传输特性光纤传输特性光纤传输特性光纤传输特性-损耗损耗损耗损耗(dB/km)(dB/km)、色散色散色散色散( (ps/nm.kmps/nm.km) )、非线性效应等非线性效应等非线性效应等非线性效应等 损耗损耗损耗损耗直接影响中继距离；直接影响中继距离；直接影响中继距离；直接影响中继距离； 色散色散色散色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影 响通信距离和容量。因此，高速长距离信息响通信距离和容量。因此，高速长距离信息响通信距离和容量。因此，高速长距离信息响通信距离和容量。因此，高速长距离信息 传输，要求光纤具有低损耗和低色散传输，要求光纤具有低损耗和低色散传输，要求光纤具有低损耗和低色散传输，要求光纤具有低损耗和低色散子午光线的传播子午光线的传播n0n1n2 子午面子午面：通过光纤中心 轴的任何平面。子午线：子午线：位于子午面内 的光线。子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。 要使光能完全限制在光纤内传输，则应使光线在纤芯包层分界面上的入射角 大于或等于临界角 0，即n2sin 0 n1， 0 arcsin n2/n1 或 sin 0 = 1 n2/n12光纤的数值孔径（光纤的数值孔径（NA）：NA n0sin0 n1 n222光纤的特征参数光纤的特征参数1、光纤的数值孔径（、光纤的数值孔径（NA）sin 0 = NA = n0= n12; = n1 n2 2n12222、归一化频率、归一化频率V 2a1 2a1 n1 23、衰减系数、衰减系数 10Llog PiP0dB/Km4、色散特性、色散特性n1 n222n1 n222 n1 n2n1相对折射率差：模间色散模式色散材料色散波导色散光纤的损耗光纤的损耗光纤的损耗光纤的损耗吸收损耗吸收损耗散射损耗散射损耗杂质离子的吸收杂质离子的吸收过渡族离子金属OH离子本征吸收本征吸收紫外吸收红外吸收制作缺陷制作缺陷本征散射及其他本征散射及其他折射率分布不均匀芯涂层界面不理想气泡、条纹、结石瑞利散射布里渊散射喇曼散射第三传输窗口第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性外界因素引起的光纤系统的损耗外界因素引起的光纤系统的损耗1、弯曲引起的光纤损耗、弯曲引起的光纤损耗 光纤的宏弯损耗 微弯引起的光纤损耗2、光纤和光源的耦合损耗、光纤和光源的耦合损耗3、多模光纤和多模光纤的耦合损耗、多模光纤和多模光纤的耦合损耗4、光纤种类不同对耦合损耗的影响、光纤种类不同对耦合损耗的影响 光纤芯径不同 折射率不同5、单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗、单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗光纤的色散光纤的色散 在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的“延迟畸变”，使光脉冲波形在通过光纤后发生展宽。1、多模色散：、多模色散：2、波导色散：、波导色散：3、材料色散：、材料色散：4、偏振模色散：、偏振模色散：色散一般分为 4 种：发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散，即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。由于某一传播模的群速度对于光的频率（或波长）不是常数，同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结构为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必然会有一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟，这种现象称之为偏振模色散。四四 光纤器件光纤器件光纤耦合器光纤耦合器当两光纤纤芯相互充分靠近时，通过包层中消逝场的互相渗透而产生光纤间能量的耦合，其中一部分变为传输模，这就使得功率可以互易地从一根光纤转换到另一根光纤中去，功率转移比由纤芯距离和相互作用长度决定。制作光纤耦合器的方法：熔拉法和磨抛法磨抛型单模光纤定向耦合器光纤与光源的耦合光纤与光源的耦合光纤偏振控制器光纤偏振控制器 利用弹光效应改变光纤中的双折射，以控制光纤中光波的双折射。 当光纤在 x-z 平面内弯曲时，由于应力作用，光纤折射率发生变化，n = nx ny = 0.133a/R2a：为光纤半径，R：为光纤弯曲半径 快轴位于弯曲平面内，慢轴垂直于弯曲平面。因此利用弯曲光纤的双折射效应，可以制成波片，对于弯曲半径为R的N圈光纤，如适当选择 N，R 使得n 2NR /m (m 1，2，3)则该光纤圈即成为 /m 波片 PZT3dB耦合器耦合器3dB耦合器耦合器LL + L1243Mach-Zehnder 光纤滤波器光纤滤波器 MZ 的传输特性的传输特性: T1-3 = cos2/2 ，T1-4 = sin2/2 ， = 2Lnf1C若有两个频率分别为 f1 和 f2 的光波从 1 端输入，且 f1 和 f2 分别满足：1 2 Lnf11C2 2 Lnf21C 2m 2m 1/2m 1, 2, 3, 则有：T1-3 1， T1-4 0 f f1T1-3 0， T1-4 1 f f2频率间隔： fc 2nLC (12)/(2nL)或：FabryPerot 光纤滤波器光纤滤波器(fiber Fabry-Perot filter)PZT光纤PZT光纤光纤PZT光纤光纤光纤光纤 FP 腔腔(a)(b)(c)(a)光纤波导腔光纤波导腔 FFPF 光纤两端面直接镀高反射膜， 腔长一般为厘米到米量级，因 此自由谱区小。(b)空气隙腔空气隙腔 FFPF 腔长一般小于 10 m，因此自 由谱区较大。插入损耗也比较 大。(c)改进型波导腔改进型波导腔 FFPT 可通过中间光纤波导段的长度 来调整其自由谱区，其光纤长 度一般为 100 m 到 几厘米。FFPT 一般用一般用 4 个指标来衡量其性能：个指标来衡量其性能：1、自由谱区自由谱区(FSR, free spectrum range) 光滤波器的相邻两个透过峰之 间的谱宽，既是光纤滤波器的调谐范围。FSR 1 2。2 2、细度、细度 N N 细度定义为： FSR/。 为光纤滤波器透过峰的半宽度。3 3、插入损耗、插入损耗 反映了入射光波经光纤滤波器后衰减的程度，损耗值为 10lg(P2/P1),P1,P2 分别为入射和出射光功率。4 4、峰值透过率、峰值透过率 在光纤滤波器的峰值波长处测量的输入光功率和输出 光功率之比。细度 N 的峰值透过率 的 表达式N = (1 ) R1(1 ) R 1 R A1 R RA：反射镜的吸收与散色因子，R：反射率，：腔内损耗（包括光纤的吸 收与反射损耗、弯曲损耗、 光纤两端面与反射镜之间 的耦合损耗等）。特种光纤特种光纤一、用于特定波长范围的光纤：红外光线、紫外光纤、一、用于特定波长范围的光纤：红外光线、紫外光纤、X 光用光纤；光用光纤；二、用特种材料制作的、并有特种功能的光纤：有发光性能的荧光光纤、二、用特种材料制作的、并有特种功能的光纤：有发光性能的荧光光纤、 有光放大及产生激光性能的掺杂光纤、有耐辐照性能。耐高温性能有光放大及产生激光性能的掺杂光纤、有耐辐照性能。耐高温性能 等特殊性能的光纤、以及塑料光纤、空心光纤、增敏和去敏光纤、等特殊性能的光纤、以及塑料光纤、空心光纤、增敏和去敏光纤、 镀金属光纤。镀金属光纤。作业：教科书P131,习题2，3，6，8，9