光纖結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)原理和制造[高教課堂]

1、第二講第二講 光纖結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)原理和制造光纖結(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、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)容主要內(nèi)容 2.1 光的基本特性光的基本特性 - 17世紀(jì)意大利格里馬蒂格里馬蒂和英國(guó)胡克胡克 觀測(cè)到光的衍射現(xiàn)象 - 1690年海牙物理學(xué)家惠更斯惠更斯提出光 的波動(dòng)性學(xué)說(shuō) - 1801年托馬斯托馬斯楊楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn) - 1817年菲涅爾菲涅爾解釋并重新演示了光 的衍射 - 1865年麥克斯韋麥克斯韋發(fā)表電磁場(chǎng)理論并 預(yù)言光是一種電磁波 - 1888年赫茲赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了

2、麥克斯韋的 預(yù)言 光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性 光兩種典型的傳播方式 定義：具有相同相位的點(diǎn)的集合稱為光的等相面或者波前 性質(zhì)：光的傳播方向垂直于波前 點(diǎn)光源 球面波前 平面波前 光線 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(wt - kz) O y x z e e 偏振態(tài) 根據(jù)光

3、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)軌跡為一條直線的光稱為線偏振 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(wt - kz) Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +) 這兩個(gè)垂直分量之間的相位 差滿足 = 2mp, 其中m = 0, 1, 2, x y E E 0 0 arctan 2/1 2 0 2 0yx EEE 線偏振光 E0y E0 x 橢圓偏振光 ( 2mp, m =

4、0, 1, 2,) 2 00 2 0 2 0 sincos2 y y x x y y x x E E E E E E E E 2 0 2 0 00 cos2 2tan yx yx EE EE 橢圓偏振光 2 0 22 EEE yx 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 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) 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 kztEekztEetzE yx ww p sincos, : 2 00 kzt wsin kzt wcos 2 p 光的粒子性：光電效應(yīng)

5、 (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)：l = 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； 玻璃 (SiO2) 1.47； 鉆石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒

6、介稱為光密媒介，反之稱為光疏媒介 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：in = r 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) 折射角大于大于入射角 n1 sinc = n2 sin 90 c = sin-1(n2/n1), n1 n2 光的全反射 玻璃的折射率為1.5

7、0，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。 c 光密媒質(zhì) 光疏媒質(zhì) 1 p/2 - c 全反射中，光電場(chǎng)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 空氣與玻璃界面 n = n1/n2 c 1 50 mm。 注意：芯徑尺寸不是判斷單模和多模光纖的標(biāo)準(zhǔn)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

8、)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)) 模間色散：每個(gè)模式在光纖中光程不同，導(dǎo)致光脈沖在不同 模式下的能量到達(dá)目的地的時(shí)間不同，造成脈沖展寬 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。 ITU-T建議分類 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

9、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 l射線追蹤法 (幾何光學(xué)分析法) l可應(yīng)用于分析多模光纖 (芯徑尺寸 波長(zhǎng)) l易于直觀理解 l電磁場(chǎng)導(dǎo)波模式分析 l應(yīng)用于分析單模光纖 (芯徑尺寸 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

10、交 光纖中光的傳播 O 0 O P r n2 n1 QQ 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： sinc = n2/n1 空氣的最大入射角應(yīng)滿足： nsin0 = n1sin(p/2-c) = (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。 定義：數(shù)值孔徑為NA = nsin0=(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?/p>

11、大，使得通 信帶寬較窄。 n2 n1 n2 纖芯 包層 0 n 光纖的數(shù)值孔徑 梯度光纖 DD D arnnn ararn rn 21 2/1 1 2/1 1 )1 ()21 ( 0)/(21 )( 折射率分布 其中n1為軸心上的折射率，n2為包層折射率。 ar ararNAnrn rNA 0 )/(1)0()( )( 2/1 2 2 2 D2)0( 1 nNA 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、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

12、幾種成纜方式 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 麥克斯韋方程* 0 B D D JH B E t t 0 0 B D D H B E t t 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； 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* )( 0 ),( ztj er w EE )( 0 ),( ztj er w HH 0 11 2 2 2 22 2 z zzz Eq E rr E rr E 0 11 2 2 2 22 2 z zzz Hq H rr H rr H 注：其余E、Er、H

13、和Hr分量均可由Ez和Hz求出 采用分離變量法求解 tTzZrAFtzrE z , 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 )(ztj etTzZ w 2) 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圓對(duì)稱場(chǎng)分量以2p為周期 (因此v = 0,1,2,) jv e 0 1 2 2 2 2 2 F r v q r F rr F 代入波動(dòng)方程，得到貝塞爾方程： ztjjv vz eeurAJarE w ztjjv vz eeurBJarH w ztjjv vz eewrCKarE w ztjjv vz eewrDKarH w n1 n2 n2 r = a r 0 場(chǎng)解為

14、有限值 r 場(chǎng)解衰減為0 其中u2 = (2pn1)/l2 2 其中w2 = 2 (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

15、) 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

16、高階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？ NA a nn a V l p l p22 2/1 2 2 2 1 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)滿足下列 條件：n2k 2.405時(shí)，光纖可以支持多個(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： MP Pclad 3 4 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；

17、(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： 2.405 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、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)容主要內(nèi)容 單模光纖中只有最低階模式HE11 存在，它的光纖橫向光斑圖類似 于左上角的截面圖： 2.5 單模光纖單模光纖 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

18、心的光 功率)，即光纖截面的光斑尺寸。 模場(chǎng)直徑 62/3 2 1 0 2 0 23 0 879. 2619. 165. 02 2 22 VVa drrrE drrEr W 2 0 2 0 /expWrErE 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)： = k(ny - nx) 或者 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)

19、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)稱該點(diǎn)處出現(xiàn) “拍”，兩個(gè)拍之間的間隔稱為拍長(zhǎng)：LB = 2p/。 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。 = 0 p p/2 = 2p p LB 2.6 光纖材料光纖材料 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包層，滿足波導(dǎo)條件 按材料分類： 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：

20、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?GeO2-SiO2纖芯，SiO2包層 P2O5-SiO2纖芯，SiO2包層 SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層 在0.28mm具有極低損耗 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

21、處在熔融狀態(tài)的石英玻璃的純凈 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 纖芯坯料棒 內(nèi)坩堝 包層坯料棒 纖芯 玻璃 外坩堝 熔爐 拉制光纖 (到拉絲機(jī)) 包層玻 璃 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)

22、O2+SiCl4+GeCl4蒸汽 餌棒 粉層狀 預(yù)制棒 噴 嘴 玻璃微粒 粉層沉積 粉狀預(yù)制棒 剖面 芯包層 粉狀預(yù)制棒 加熱爐 1400度 玻璃預(yù)制棒 預(yù)制棒燒結(jié)拉制光纖 加熱爐 玻璃預(yù)制棒 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) 推進(jìn)機(jī) 馬達(dá) 馬達(dá) 輸送桿 透明預(yù)制棒 容器 環(huán)狀加熱器 疏松的預(yù)制棒 真空泵 紅外熱成像儀 玻璃微粒 反應(yīng)室 噴燈口 優(yōu)點(diǎn)： 1. 預(yù)制棒不再具有空洞 2. 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

23、/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 反應(yīng)物質(zhì) 金屬鹵化物蒸汽+氧氣 粉塵狀生成物排氣口 SiO2餌管 燒結(jié)后的 玻璃 粉層沉積物 來(lái)回移動(dòng)的噴燈H-O 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) d = 1025 mm; L = 60120 cm 精密輸送機(jī)構(gòu) 夾具 預(yù)制棒 拉絲爐 光纖粗細(xì)監(jiān)測(cè)儀 裸光纖 涂覆機(jī) 已涂覆光纖 光纖卷繞 2.8 光纖的機(jī)械和溫度特性光纖的機(jī)械和溫度特性 1) 光纖的抗拉強(qiáng)度很高，