光纤结构、波导原理和制造

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1、第二讲第二讲 光纤结构、波导原理和制造光纤结构、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主要内容2.1 光的基本特性光的基本特性-17世纪意大利格里马蒂格里马蒂和英国胡克胡克 观测到光的衍射现象-1690年海牙物理学家惠更斯惠更斯提出光 的波动性学说-1801年托马斯托马斯杨杨双缝干涉实验-1817年菲涅尔菲涅尔解释并重新演示了光 的衍射-1865年麦克斯韦麦克斯韦发表电磁场理论并 预言光是一种电磁波-1888年赫兹赫兹实验证实了麦克斯韦的 预言光的波动性光的波动性

2、光两种典型的传播方式定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前性质：光的传播方向垂直于波前点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(1821年，菲涅尔)给定一个空间直角坐标系O-xyz，假设一列平面波始终沿 z 方向传播，那么这列波可测量的电场可以表示为：其中：e为电场振动方向 w为光的角频率 k=2p/l为传播常数，表征相位变化的快慢E(z,t)=eEcos(wt-kz)Oyxzee偏振态根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光Oyxzee电场矢量在xy平面

3、上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：E(z,t)=Ex(z,t)+Ey(z,t)Ex(z,t)=exE0 xcos(wt-kz)Ey(z,t)=eyE0ycos(wt-kz+)这两个垂直分量之间的相位差满足=2mp,其中m=0,1,2,xyEE00arctan2/12020yxEEE线偏振光E0yE0 x椭圆偏振光(2mp,m=0,1,2,)2002020sincos2yyxxyyxxEEEEEEEE202000cos22tanyxyxEEEE椭圆偏振光2022EEEyx圆偏振光特别地，当两个相互正交的分量E0 x=E0y=E0，且二者之间的相位差 p/

4、2 2mp 时，椭圆偏振光变成圆偏振光：迎着光传播的方向观察，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kztEekztEetzEyxwwpsincos,:200kzt wsinkzt wcos2p光的粒子性：光电效应(1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦成功解释)1.光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的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 其中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/

5、s波长：l=c/v当光在媒介中传播时，速度cm=c/n常见物质的折射率：空气 1.00027；水 1.33；玻璃(SiO2；钻石；硅 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基本的光学定律和定义光的反射定律两种不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：in=r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大于入射角n1 sinc

6、=n2 sin 90 c=sin-1(n2/n1),n1 n2光的全反射玻璃的折射率为，空气的折射率为，如果一束光从玻璃入射到玻璃-空气界面，那么，当入射角大于42度时，入射光将发生全反射。c光密媒质光疏媒质1 p/2-c全反射中，光电场的垂直分量的相移(N)和平行分量的相移(p)全反射光的相移空气与玻璃界面n=n1/n2 c1 50 mm。注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准单模光纤优点：不存在模间色散，带宽大，用于长途传输缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器(LD)激励多模光纤优点：芯径大，容易注入光功率，可以使

7、用发光二极管 (LED)作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输单模光纤和多模光纤(续)模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的地的时间不同，造成脉冲展宽阶跃光纤梯度光纤阶跃光纤和梯度光纤梯度光纤可以减小模间色散：沿着轴心传播的光经历的路程短但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。ITU-T建议分类光纤(常规单模光纤)在1310 nm工作时，理论色散值为零 在1550 nm工作时，传输损耗最低光纤(色散位移光纤)零色散点从1310 nm移至1550 nm，同时1550 nm处 损耗最低光纤(衰减最小光纤)纤芯纯石英制造，在1550 nm处衰减最小(

8、仅0.185 dB/km)，用于长距离海底传输光纤(非零色散位移光纤)引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输光纤中光传播的分析方法l射线追踪法(几何光学分析法)l可应用于分析多模光纤(芯径尺寸 波长)l易于直观理解l电磁场导波模式分析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O0OPrn2n1QQn2P光纤的数值孔径 阶跃光纤 约束光线产生内全反

9、射的最大入射角应满足：sinc=n2/n1空气的最大入射角应满足：nsin0=n1sin(p/2-c)=(n12 n22)1/2小于最大入射角投射到光纤端面的光线将进入纤芯，并在芯包界面上被全反射，向前传播。定义：数值孔径为NA=nsin0=(n12 n22)1/2=n1(2D)1/2其中D=(n1 n2)/n1为芯包相对折射率差NA是一个小于1的无量纲的数，其值通常在到之间。NA大有利于光耦合。但是NA太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。n2n1n2纤芯包层0n光纤的数值孔径 梯度光纤DDDarnnnararnrn212/112/11)1()21(0)/(21)(折射率分布其中n1为轴心

10、上的折射率，n2为包层折射率。arararNAnrnrNA0)/(1)0()()(2/1222D2)0(1nNA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主要内容麦克斯韦方程*0BDDJHBEtt00BDDHBEtt一般形式在线性的、各向同性的电介质中，没有电流和自由电荷E 电场强度；D 电位移矢量；H 磁场强度；B 磁感应强度J 电流密度；自由电荷密度其中，D=eE B=mHStep 1：柱坐标下

11、的波导方程*)(0),(ztjerw EE)(0),(ztjerw HH011222222zzzzEqErrErrE011222222zzzzHqHrrHrrH注：其余E、Er、H和Hr分量均可由Ez和Hz求出采用分离变量法求解 tTzZrAFtzrEz,Step 2.分离变量法(阶跃光纤的波动方程)*1)场量随时间t和坐标轴z的变化规律是简谐的 )(ztjetTzZw2)波导结构圆对称场分量以2p为周期(因此v=0,1,2,)jve0122222FrvqrFrrF代入波动方程，得到贝塞尔方程：ztjjvvzeeurAJarEwztjjvvzeeurBJarHwztjjvvzeewrCKarE

12、wztjjvvzeewrDKarHwn1n2n2r=ar 0 场解为有限值r 场解衰减为0其中u2=(2pn1)/l2 2其中w2=2 (2pn2)/l2 Step 3.阶跃光纤中的波动方程*纤芯区域的解为贝塞尔函数纤芯外部的解为修正的贝塞尔函数2.4 圆波导的模式圆波导的模式 麦克斯韦方程的一个解即对应一个模式，对应着电磁场在光纤中的一种分布形式。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

13、EH(Ez Hz)模式概述 下面为光轴剖面的几个低阶横电模式的场分布。它们表现出以下特点：(1)它们的强度在纤芯区域简谐变化，在包层按指数衰减。(2)模式的阶数等于波导横向场量零点的个数。光的入射角越小，激发的模式阶数越低。(3)模场并不完全局限在纤芯，而是部分进入包层。强度简谐变化指数衰减指数衰减纤芯 n1包层 n2包层 n2辐射模和泄漏模 分析表明，只有那些满足特定条件的入射光才能激励起导波模。此外还有其它模式：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。包层模会与导波模分布在包层的能量 耦合，导致导波模的功率损耗，因此需要抑制。泄漏模：一些高阶模的能量在沿光纤传

14、播的过程中连续辐射出 纤芯，很快衰减并消失。如何判断某个模式是否是导波模呢？NAannaVlplp222/12221归一化频率(重要参数)某个模式成为导波模的条件是，它的传播常数满足下列条件：n2k n1k。导波模和泄漏模的分界点(截止条件)为：=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。下图给出了/k和V的关系。如图所示，当V 时，光纤只支持一个模式，即所谓的单模传输。让 V变小的一个途径就是减小光纤半径 a 的值。故单模光纤半径比多模光纤小。最低阶模V才是判断单模和多模光纤的标准才是判断单模和多模光纤的标准222122/122212VnnaMlp多模光

15、纤的模式总数 当V 时，光纤可以支持多个传输模式，即多模光纤。这里用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：MPPclad34功率分布如前所示，导波模的部分能量会进入包层：(1)当光纤的 V值接近某个模式的截止值时，这个模式将有较 多的功率进入包层。在截止点上，模式功率几乎全部进入 包层并辐射出去；(2)如果光纤中有大量 的模式存在，包层 中总的平均光功率 所占的比例可以近 似等于：2.405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料和制造工艺光纤的几种

16、成缆方式主要内容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)：光功率为e-2E0时的光场半径宽度(E0为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。模场直径 62/321020230879.2619.165.02222VVadrrrEdrrErW 2020/expWrErE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 任何单模光纤中都存在两个相互独立且偏振面相互正交的简并模式。由于光纤结构的不完善，使得

17、两个相互简并的模式在光纤中以不同的相速度传播，光纤对它们具有不同的有效折射率，即双折射效应：=k(ny-nx)或者 Bf=ny-nx(低双折射光纤)10-8 Bf 10-3(高双折射光纤)光纤拍长 两个简并模在传播时会产生相位差。当二者相位差为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/。2pp/2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。=0 p p/2 =2p pLB2.6 光纤材料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

18、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：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GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层在0.28mm具有极低损耗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

19、围还十分有限2.7 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 -拉丝成纤直接熔化法：双坩埚法纤芯坯料棒 内坩埚包层坯料棒纤芯玻璃外坩埚熔炉 拉制光纤 (到拉丝机)包层玻璃直接熔化法：可用于制造石英光纤、卤化物光纤和硫属光纤具有产量大、可连续制造的优点但坯料棒熔化过程中容易带来杂质，它的最低损耗值为5 dB/km汽相氧化法：外

20、部汽相氧化法(OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽饵棒粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉 1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤汽相轴向沉积法(VAD)推进机 马达马达输送杆透明预制棒容器环状加热器疏松的预制棒真空泵红外热成像仪玻璃微粒反应室 喷灯口优点：1.预制棒不再具有空洞2.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，因此损耗较低在 0.20.4 dB/km1977年日本开发改进的化学汽相沉积法(MCVD)

21、贝尔实验室设计，可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反应物质金属卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口SiO2饵管 烧结后的玻璃粉层沉积物来回移动的喷灯H-O等离子体活性化学汽相沉积法(PCVD)熔融石英管SiCl4+O2+参杂物质反应物质排气口低压工作的等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔(2.45 GHz，8米/分钟)10001200度飞利浦提出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

22、预制棒置备好之后进行光纤拉丝光纤拉丝机d=1025 mm;L=60120 cm精密输送机构夹具预制棒拉丝炉光纤粗细监测仪裸光纤涂覆机 已涂覆光纤光纤卷绕2.8 光纤的机械和温度特性光纤的机械和温度特性1)光纤的抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度2)光纤的延展性(1%)比金属差(20%)3)当光纤内存在裂纹、气泡或杂物，在一定张力下容易断裂4)光纤遇水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主要内容2.9 光缆

23、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，一般要求大于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 kg/10 cm3.改善温度特性、隔离潮气4.要求光缆材料不容易析氢光缆对光纤特性的影响1.改善光纤的温度特性 虚线：光纤自身的特性曲线；实线：成缆后的特性曲线2.增加机械强度 由于光缆结构中加入了加 强构件、护套、甚至铠装 层等，因此其断点强度远 大于光纤；不仅如此，光 缆的抗侧压、抗冲击和抗 扭曲性能都有明显增强3.成缆的附加损耗 不良的成缆工艺，把光纤制成光缆后，会带来附加损耗，(比如说不良应力造成微弯)称之为成缆损耗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。骨架式骨架式光缆中的光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V形、U 形或其他合理的形状，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。束管式束管式结构的光缆近年来得到了较快的发展。它相当于把松套管扩大为整个缆芯，成为一个管腔，将光纤集中松放在其中。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。