1、第二講 光纖結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)原理和制造,回顧光的特性、基本的光學(xué)定律和定義 介紹光纖結(jié)構(gòu)、分類(lèi)、特性和射線光學(xué)解釋 圓波導(dǎo)模式及其理論簡(jiǎn)介* 單模光纖的特性、材料以及制造工藝 光纖的幾種成纜方式,主要內(nèi)容,2.1 光的基本特性,- 17世紀(jì)意大利格里馬蒂和英國(guó)胡克 觀測(cè)到光的衍射現(xiàn)象 - 1690年海牙物理學(xué)家惠更斯提出光 的波動(dòng)性學(xué)說(shuō) - 1801年托馬斯楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn) - 1817年菲涅爾解釋并重新演示了光 的衍射 - 1865年麥克斯韋發(fā)表電磁場(chǎng)理論并 預(yù)言光是一種電磁波 - 1888年赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的 預(yù)言,光的波動(dòng)性,光兩種典型的傳播方式,定義：具有相同相位的點(diǎn)的集合稱(chēng)為光的等相面

2、或者波前 性質(zhì)：光的傳播方向垂直于波前,假設(shè)光在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播,平面波,光波是一個(gè)橫波，其傳播方向垂直于電場(chǎng)(E)和磁場(chǎng)(H)的振動(dòng)方向 (1821年，菲涅爾) 給定一個(gè)空間直角坐標(biāo)系O-xyz， 假設(shè)一列平面波始終沿 z 方向傳 播，那么這列波可測(cè)量的電場(chǎng)可 以表示為： 其中：e為電場(chǎng)振動(dòng)方向 w為光的角頻率 k = 2p/l為傳播常數(shù)，表征相位變化的快慢,E(z, t) = eEcos(t - kz),O,y,x,z,e,e,偏振態(tài),根據(jù)光的電場(chǎng)矢量在xy平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以將光分為： 線偏振光 橢圓偏振光 圓偏振光,O,y,x,z,e,e,電場(chǎng)矢量在xy平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條

3、直線的光稱(chēng)為線偏振光，它可以表示為兩個(gè)相互正交的線偏振光： E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t) Ex(z, t) = exE0 xcos(t - kz) Ey(z, t) = eyE0ycos(t - kz +) 這兩個(gè)垂直分量之間的相位 差滿足d = 2mp, 其中m = 0, 1, 2,線偏振光,q,E0y,E0 x,橢圓偏振光 (d 2mp, m = 0, 1, 2,),橢圓偏振光,圓偏振光,特別地，當(dāng)兩個(gè)相互正交的分量 E0 x = E0y = E0，且二者之間的相 位差d = p/2 + 2mp 時(shí)，橢圓偏 振光變成圓偏振光： 迎著光傳播的方向觀察，根據(jù) d

4、取p/2和-p/2，圓偏振光分為右旋 圓偏振光和左旋圓偏振光,光的粒子性：光電效應(yīng) (1887年赫茲發(fā)現(xiàn)，1905年愛(ài)因斯坦成功解釋) 1. 光能量的發(fā)射與吸收總是以光量子的離散形式進(jìn)行的 2. 光子的能量?jī)H與光子的頻率有關(guān) 一個(gè)頻率為n的光子能量為 E = hn 其中h = 6.63 10-34 Js為普朗克常數(shù),光的量子特性,在光的照射下，金屬是否發(fā)射電子，僅與光的頻率相關(guān)，而與光的亮度和照射時(shí)間無(wú)關(guān)。不同的金屬材料要求不同的光照頻率。,光速 c = 3 108 m/s 波長(zhǎng)： = c/v 當(dāng)光在媒介中傳播時(shí)，速度cm = c/n 常見(jiàn)物質(zhì)的折射率：空氣 1.00027； 水 1.33；

5、玻璃 (SiO2) 1.47； 鉆石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介稱(chēng)為光密媒介，反之稱(chēng)為光疏媒介 光在不同的介質(zhì)中傳輸速度不同,2.2 基本的光學(xué)定律和定義,光的反射定律,兩種不同媒介的界面 反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和 入射光線處于法線的兩側(cè)，且反射角等于入射角：qin = qr,折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1 sin1 = n2 sin2,光的折射定律 (Snell定律 ),空氣,玻璃,光從光密媒質(zhì)折射到光疏媒質(zhì) 折射角大于入射角,n1 sinfc = n2 sin 90 fc = sin-1(n2

6、/n1), n1 n2,光的全反射,玻璃的折射率為1.50，空氣的折射率為1.00，如果一束光從玻璃入射到玻璃 - 空氣界面，那么，當(dāng)入射角大于42度時(shí)，入射光將發(fā)生全反射。,q1 p/2 - fc,全反射中，光電場(chǎng)的垂直分量的相移(dN)和平行分量的相移(dp),全反射光的相移,空氣與玻璃界面,n = n1/n2,fc,q1 p/2 - fc,fc,48,偏振態(tài)按光平面分解,垂直分量,水平分量,fc = 42度,回顧光的特性、基本的光學(xué)定律和定義 介紹光纖結(jié)構(gòu)、分類(lèi)、特性和射線光學(xué)解釋 圓波導(dǎo)模式及其理論簡(jiǎn)介* 單模光纖的特性、材料以及制造工藝 光纖的幾種成纜方式,主要內(nèi)容,2.3 光纖的結(jié)

7、構(gòu)和模式,纖芯,1) 位置：光纖的中心部位 2) 尺寸：直徑d1 = 4 mm 50 mm 3) 材料：高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑(GeO2，P2O5)， 作用是提高纖芯對(duì)光的折射率(n1)，以傳輸光信號(hào),包層,位置：位于纖芯的周?chē)?尺寸：直徑d2 = 125 mm 材料：其成分也是含有極少量摻雜劑的高純度SiO2。而 摻雜劑(如B2O3)的作用則是適當(dāng)降低包層對(duì)光的 折射率(n2)，使之略低于纖芯的折射率，即n1 n2，它使得光信號(hào)能約束在纖芯中傳輸,涂覆層,1) 位置：位于光纖的最外層 2) 尺寸：涂覆后的光纖外徑約為1.5 mm 3) 結(jié)構(gòu)和材料：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆

8、層 a) 一次涂覆層一般使用丙烯酸酯、有機(jī)硅或硅橡膠材料 b) 緩沖層一般為性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆層一般多用聚丙烯或尼龍等高聚物 4) 作用：保護(hù)光纖不受水汽侵蝕和機(jī)械擦傷，同時(shí)又增加了光纖的機(jī)械強(qiáng)度與可彎曲性，起著延長(zhǎng)光纖壽命的作用,按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目分 單模光纖 多模光纖 按折射率的變化分 階躍光纖 梯度光纖 ITU-T官方定義 G.651光纖 (漸變型多模光纖) G.652光纖 (常規(guī)單模光纖) G.653光纖 (色散位移光纖) G.654光纖 (衰減最小光纖) G.655光纖 (非零色散位移光纖),光纖的分類(lèi),單模光纖和多模光纖,單模光纖(Signal Mode F

9、iber)：僅允許一個(gè)模式傳播的光纖 多模光纖(Multiple Mode Fiber)：同時(shí)允許多個(gè)模式進(jìn)行傳播,在光纖的受光角內(nèi)，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖 纖芯-包層交界面上產(chǎn)生全反射的傳播光線，就可以稱(chēng)為入射 光的一個(gè)傳播模式,單模光纖和多模光纖 (續(xù)),一根光纖是不是單模傳輸，與 (1) 光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù) 和 (2) 光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)有關(guān)。 當(dāng)光纖芯徑的幾何尺寸遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，光纖傳輸?shù)?過(guò)程中會(huì)存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，即多模傳輸。 反之，當(dāng)光纖的幾何尺寸較小，與光波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí) 時(shí)，光纖只允許一種模式在其中傳播，即單模傳輸。 因此，對(duì)于給定波長(zhǎng)，單模光纖的芯

10、徑要比多模光纖小。 例如，對(duì)于常用的通信波長(zhǎng) (1550 nm)，單模光纖芯徑為812 mm，而多模光纖芯徑 50 mm。,注意：芯徑尺寸不是判斷單模和多模光纖的標(biāo)準(zhǔn),單模光纖 優(yōu)點(diǎn)：不存在模間色散，帶寬大，用于長(zhǎng)途傳輸 缺點(diǎn)：芯徑小，較多模光纖而言不容易進(jìn)行光耦合，需要使 用半導(dǎo)體激光器(LD)激勵(lì),多模光纖 優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，容易注入光功率，可以使用發(fā)光二極管 (LED)作為光源 缺點(diǎn)：存在模間色散，只能用于短距離傳輸,單模光纖和多模光纖 (續(xù)),階躍光纖,梯度光纖,階躍光纖和梯度光纖,梯度光纖可以減小模間色散：沿著軸心傳播的光經(jīng)歷的路程短 但折射率高，沿纖芯外層傳播的光路程長(zhǎng)但折射率低。,I

11、TU-T建議分類(lèi),G.652光纖(常規(guī)單模光纖) 在1310 nm工作時(shí)，理論色散值為零 在1550 nm工作時(shí)，傳輸損耗最低 G.653光纖(色散位移光纖) 零色散點(diǎn)從1310 nm移至1550 nm，同時(shí)1550 nm處 損耗最低 G.654光纖(衰減最小光纖) 纖芯純石英制造，在1550 nm處衰減最小(僅0.185 dB/km)，用于長(zhǎng)距離海底傳輸 G.655光纖(非零色散位移光纖) 引入微量色散抑制光纖非線性，適于長(zhǎng)途傳輸,光纖中光傳播的分析方法,射線追蹤法 (幾何光學(xué)分析法) 可應(yīng)用于分析多模光纖 (芯徑尺寸 波長(zhǎng)) 易于直觀理解 電磁場(chǎng)導(dǎo)波模式分析 應(yīng)用于分析單模光纖 (芯徑尺寸

12、 波長(zhǎng)),n1,光纖中光的傳播方式有兩種： a) 子午光線：光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播 a-1) 約束光線：約束在纖芯內(nèi)部傳播的光線 a-2) 非約束光線：將折射到纖芯外面 b) 斜光線：光線的傳播軌跡不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不 與光纖的軸線相交,光纖中光的傳播,P,r,n2,n1,Q,Q,n2,P,光纖的數(shù)值孔徑 階躍光纖,約束光線產(chǎn)生內(nèi)全反射的最大入射角應(yīng)滿足： sinfc = n2/n1 空氣的最大入射角應(yīng)滿足： nsinq0 = n1sin(p/2-fc) = (n12 n22)1/2 小于最大入射角投射到光纖端面的光線將進(jìn)入纖芯，并在芯包界面上被全反射，向前傳播。,

13、定義：數(shù)值孔徑為NA = nsinq0=(n12 n22)1/2 = n1(2D)1/2 其中D = (n1 n2)/n1為芯包相對(duì)折射率差,NA是一個(gè)小于1的無(wú)量綱的數(shù)，其值通常在0.14到0.50之間。NA大有利于光耦合。但是NA太大的光纖?；兗哟?，使得通信帶寬較窄。,n2,n1,n2,纖芯,包層,q0,n,q,f,光纖的數(shù)值孔徑 梯度光纖,折射率分布,其中n1為軸心上的折射率，n2為包層折射率。,在離纖芯距離r處的數(shù)值孔徑為：,其中NA(0)為軸心上的數(shù)值孔徑,光纖的數(shù)值孔徑 梯度光纖,回顧光的特性、基本的光學(xué)定律和定義 介紹光纖結(jié)構(gòu)、分類(lèi)、特性和射線光學(xué)解釋 圓波導(dǎo)模式及其理論簡(jiǎn)介*

14、 單模光纖的特性、材料以及制造工藝 光纖的幾種成纜方式,主要內(nèi)容,麥克斯韋方程*,一般形式,在線性的、各向同性的 電介質(zhì)中，沒(méi)有電流和自由電荷,E 電場(chǎng)強(qiáng)度；D 電位移矢量；H 磁場(chǎng)強(qiáng)度；B 磁感應(yīng)強(qiáng)度 J 電流密度；r 自由電荷密度 其中，D = eE B = mH,Step 1：柱坐標(biāo)下的波導(dǎo)方程*,注：其余Ef、Er、Hf和Hr分量均可由Ez和Hz求出,采用分離變量法求解,Step 2. 分離變量法 (階躍光纖的波動(dòng)方程)*,1) 場(chǎng)量隨時(shí)間t和坐標(biāo)軸z的變化規(guī)律是簡(jiǎn)諧的,2) 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圓對(duì)稱(chēng)場(chǎng)分量f以2p為周期 (因此v = 0,1,2,),代入波動(dòng)方程，得到貝塞爾方程：,r 0 場(chǎng)解

15、為有限值,r 場(chǎng)解衰減為0,其中u2 = (2pn1)/l2 b2,其中w2 = b2 - (2pn2)/l2,Step 3. 階躍光纖中的波動(dòng)方程*,纖芯區(qū)域的解為貝塞爾函數(shù),纖芯外部的解為修正的貝塞爾函數(shù),2.4 圓波導(dǎo)的模式,麥克斯韋方程的一個(gè)解即對(duì)應(yīng)一個(gè)模式，對(duì)應(yīng)著電磁場(chǎng)在 光纖中的一種分布形式。按分布形式，模式可以分為以下幾種 類(lèi)型： 1. 橫電模 (TE)：z方向上的電場(chǎng)分量為0，或電場(chǎng)分量垂直于z 2. 橫磁模 (TM)： z方向上的磁場(chǎng)分量為0，或磁場(chǎng)分量垂直于z 3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都不為0 HE (Ez Hz) 相反 EH (Ez Hz)

16、,模式概述,下面為光軸剖面的幾個(gè)低階橫電模式的場(chǎng)分布。它們表現(xiàn) 出以下特點(diǎn)： (1) 它們的強(qiáng)度在纖芯區(qū)域簡(jiǎn)諧變化，在包層按指數(shù)衰減。 (2) 模式的階數(shù)等于波導(dǎo)橫向場(chǎng)量零點(diǎn)的個(gè)數(shù)。光的入射角越小，激發(fā)的模式階數(shù)越低。 (3) 模場(chǎng)并不完全局限在纖芯，而是部分進(jìn)入包層。,強(qiáng)度簡(jiǎn)諧變化,指數(shù)衰減,指數(shù)衰減,纖芯 n1,包層 n2,包層 n2,輻射模和泄漏模,分析表明，只有那些滿足特定條件的入射光才能激勵(lì)起導(dǎo) 波模。此外還有其它模式： 輻射模：光的入射角過(guò)大，導(dǎo)致光在波導(dǎo)表面產(chǎn)生折射進(jìn)入包 層形成包層模。包層模會(huì)與導(dǎo)波模分布在包層的能量 耦合，導(dǎo)致導(dǎo)波模的功率損耗，因此需要抑制。 泄漏模：一些高階

17、模的能量在沿光纖傳播的過(guò)程中連續(xù)輻射出 纖芯，很快衰減并消失。 如何判斷某個(gè)模式是否是導(dǎo)波模呢？,歸一化頻率 (重要參數(shù)),某個(gè)模式成為導(dǎo)波模的條件是，它的傳播常數(shù)b滿足下列條件：n2k b n1k。導(dǎo)波模和泄漏模的分界點(diǎn)(截止條件)為： b = n2k。與截止條件相對(duì)應(yīng)的重要參數(shù)是歸一化頻率V： 它決定了光纖可支持的模式總數(shù)。下圖給出了b/k和V的關(guān)系。 如圖所示，當(dāng)V 2.405時(shí)， 光纖只支持一個(gè)模式，即 所謂的單模傳輸。讓 V變 小的一個(gè)途徑就是減小光 纖半徑 a 的值。故單模光 纖半徑比多模光纖小。,最低階模,V才是判斷單模和多模光纖的標(biāo)準(zhǔn),多模光纖的模式總數(shù),當(dāng)V 2.405時(shí)，光

18、纖可以支持多個(gè)傳輸模式，即多模光纖。這里用M表示多模光纖的模式總數(shù)，當(dāng)M比較大的時(shí)候，M與V之間存在近似關(guān)系：,功率分布,如前所示，導(dǎo)波模的部分能量會(huì)進(jìn)入包層： (1) 當(dāng)光纖的 V值接近某個(gè)模式的截止值時(shí)，這個(gè)模式將有較 多的功率進(jìn)入包層。在截止點(diǎn)上，模式功率幾乎全部進(jìn)入 包層并輻射出去； (2) 如果光纖中有大量 的模式存在，包層 中總的平均光功率 所占的比例可以近 似等于：,最低階模：包層20%；纖芯80%,回顧光的特性、基本的光學(xué)定律和定義 介紹光纖結(jié)構(gòu)、分類(lèi)、特性和射線光學(xué)解釋 圓波導(dǎo)模式及其理論簡(jiǎn)介* 單模光纖的特性以及光纖的材料和制造工藝 光纖的幾種成纜方式,主要內(nèi)容,單模光纖中

19、只有最低階模式HE11 存在，它的光纖橫向光斑圖類(lèi)似 于左上角的截面圖：,2.5 單模光纖,圓柱空心波導(dǎo)中的模式 結(jié)論：低階模能量集中在波 導(dǎo)中心，而模式階數(shù)越高橫 截面直徑越大且能量分布越 分散,模場(chǎng)直徑 (MFD)：光功率為e-2E0 時(shí)的光場(chǎng)半徑寬度(E0為軸心的光 功率)，即光纖截面的光斑尺寸。,模場(chǎng)直徑,電場(chǎng)分布一般為高斯分布：,HE11偏振態(tài)相互正交的兩個(gè)簡(jiǎn)并模,雙折射,任何單模光纖中都存在兩個(gè)相互獨(dú)立且偏振面相互正交的簡(jiǎn)并模式。由于光纖結(jié)構(gòu)的不完善，使得兩個(gè)相互簡(jiǎn)并的模式在光纖中以不同的相速度傳播，光纖對(duì)它們具有不同的有效折射率，即雙折射效應(yīng)： b = k(ny - nx) 或者

20、 Bf = ny - nx (低雙折射光纖) 10-8 Bf 10-3 (高雙折射光纖),光纖拍長(zhǎng),兩個(gè)簡(jiǎn)并模在傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位差。當(dāng)二者相位差為2p整數(shù)倍時(shí)，則光的偏振態(tài)與入射點(diǎn)相同，此時(shí)稱(chēng)該點(diǎn)處出現(xiàn)“拍”，兩個(gè)拍之間的間隔稱(chēng)為拍長(zhǎng)：LB = 2p/b。,2p,p/2,單模光纖中的特有現(xiàn)象：光偏振態(tài)呈周期變化,實(shí)際中，由于受到應(yīng)力影響，雙折射系數(shù)沿軸并非常量，因此線偏振光很快變成任意偏振光。,d = 0,d p/2,d = p/2,d p/2,d = 2p,LB,2.6 光纖材料,選材的準(zhǔn)則： 1. 能拉長(zhǎng)、拉細(xì)、具有一定的柔韌性、可卷繞 2. 在特定波長(zhǎng)損耗低 3. 能使纖芯的折射率略高于

21、包層，滿足波導(dǎo)條件 按材料分類(lèi)： 1. 無(wú)源玻璃纖維； 2. 有源玻璃纖維； 3. 塑料纖維,無(wú)源玻璃纖維,玻璃纖維的主材：SiO2 - 物理和化學(xué)穩(wěn)定性好 - 對(duì)通信光波段的透明性好 折射率差的引入：通過(guò)在SiO2中摻入不同雜質(zhì) 增加非線性效應(yīng)：通過(guò)摻入硫?qū)僭?有源玻璃纖維和塑料光纖,有源光纖：在SiO2中摻入稀土元素 (如：鉺) - 光纖放大器 (如：摻鉺光纖放大器) 塑料光纖 - 更好的韌性、更耐用，可用于環(huán)境惡劣的場(chǎng)合 - 損耗比玻璃纖維高，一般用于短距離傳輸 - 使用范圍還十分有限,2.7 光纖制造,兩種基本方法 1. 直接熔化法： 按傳統(tǒng)制造玻璃的工藝將處在熔融狀態(tài)的石英玻璃的純

22、凈 組分直接制造成光纖 2. 汽相氧化過(guò)程： - 高純度金屬鹵化物(如SiCl4和GeCl4)與氧反應(yīng)生成SiO2微粒 - (通過(guò)四種不同的方法)將微粒收集在玻璃容器的表面 - 燒結(jié) (在尚未熔化的狀態(tài)將SiO2轉(zhuǎn)化成玻璃體) 制成預(yù)制棒 - 拉絲成纖,直接熔化法：雙坩堝法,直接熔化法： 可用于制造石英 光纖、鹵化物光 纖和硫?qū)俟饫w 具有產(chǎn)量大、可 連續(xù)制造的優(yōu)點(diǎn) 但坯料棒熔化過(guò) 程中容易帶來(lái)雜 質(zhì)，它的最低損 耗值為5 dB/km,汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO),1970年 康寧 第一根損耗小于20 dB/km的光纖,汽相軸向沉積法 (VAD),優(yōu)點(diǎn)： 1. 預(yù)制棒不再具有空洞 2

23、. 預(yù)制棒可以任意長(zhǎng) 3. 沉積室和熔融室緊密 相連，可以保證制作 環(huán)境清潔 4. 沒(méi)有使用氫氧焰，單 模光纖所含的OH- 較 低，因此損耗較低在 0.20.4 dB/km,1977年 日本開(kāi)發(fā),改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法 (MCVD),貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，可用于制造低損耗梯度折射率光纖,玻璃粉層沉積初步燒結(jié)加強(qiáng)熱成實(shí)心棒 燒結(jié)后，纖芯由汽相沉積材料構(gòu)成，包層由原始的石英管構(gòu)成,等離子體活性化學(xué)汽相沉積法 (PCVD),熔融石英管,SiCl4 + O2 + 參雜物質(zhì),反應(yīng)物質(zhì),排氣口,低壓工作的等離子體,玻璃層,快速來(lái)回移動(dòng)的微波諧振腔 (2.45 GHz，8米/分鐘),10001200度,飛利浦提出 1978年應(yīng)用于量產(chǎn),直接玻璃沉積 不需高溫?zé)Y(jié) 反應(yīng)管不易變形,可快速移動(dòng)，沉積厚度減少， 有利于控制折射率分布,沉積效率高、沉積 速度快有利于消除 包層沉積過(guò)程中的 微觀不均勻,光纖預(yù)制棒置備好之后進(jìn)行光纖拉絲,光纖拉絲機(jī),2.8 光纖的機(jī)械和溫度特性,1) 光纖的抗拉強(qiáng)度很高，接