光纖光學(xué)光纖特性

1、12可以將具有波粒二象性的特定波段電磁波以一定特有形式在其中傳播的硅基介質(zhì)材料Optical Fiber光導(dǎo)纖維3用介質(zhì)光波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光的空間約束與定向引導(dǎo)1841， Daniel Colladonlens451880年 貝爾發(fā)明了光電話(huà)亞歷山大貝爾光通信光通信傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)光源光源6Light Pipe1881， William Wheeler71960， Theodore Maiman世界上第一臺(tái)激光器81966年，高錕博士就光纖傳輸?shù)那熬鞍l(fā)表了劃時(shí)代意義的論文 ，指明通過(guò)“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方

2、向, 奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。提出了低損耗光纖的預(yù)測(cè)。Charles K. Kao91927年，第五屆索爾維會(huì)議10Albert Einstein11Werner Heisenberg12Erwin Schrdinger13Michael Faraday141970年美國(guó)康寧公司用高純石英生產(chǎn)出世界上第一根低耗損率光纖,損耗為20dB/km15康寧的未來(lái)生活 I康寧的未來(lái)生活 II161970年，美國(guó)Corning，OVD，20dB/km，4dB/km 1974年，美國(guó)AT&T，MCVD，性能更優(yōu)越1976年，荷蘭Philips，PCVD，性能相當(dāng)1979年，整體水平：0.33

3、dB/km 1.31微米, 0.2dB/km 1.55微米1988年，大西洋海底光纜鋪設(shè)并開(kāi)通172005 年， FTTH(Fiber To The Home) 光纖入戶(hù)2012年， 中國(guó)的光纖產(chǎn)能已達(dá)到1億2千萬(wàn)芯公里18v損耗損耗低低v傳輸容量傳輸容量大大v重量輕，體積重量輕，體積小小v成本低成本低v抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，保密性抗電磁干擾，不易串音，抗雷擊，保密性強(qiáng)強(qiáng)v柔性結(jié)構(gòu)柔性結(jié)構(gòu)光光 纖纖 優(yōu)優(yōu) 勢(shì)勢(shì)19光纖技術(shù)有源無(wú)源器件光纖通信干線(xiàn)光交換接入網(wǎng) AON DWDM OADM OTDM 位移、振動(dòng) 溫度、壓力 應(yīng)變、應(yīng)力 電流、電壓 電場(chǎng)、磁場(chǎng) 流量、濃度可以測(cè)量70 多個(gè)物

4、理化學(xué)量 廣告顯示牌 激光手術(shù)刀 儀表照明 工藝裝飾 電力輸送 光纖面板 醫(yī)用內(nèi)窺鏡 潛望鏡 光子集成 光電子集成 集成光路 光收發(fā)模塊 光接入模塊 光開(kāi)關(guān)模塊 光放大模塊信息獲取信息傳輸信息處理其它應(yīng)用課程內(nèi)容20主要參考書(shū)21廖延彪，廖延彪，光纖光學(xué)原理與應(yīng)用光纖光學(xué)原理與應(yīng)用 ，清華大學(xué)出版社，清華大學(xué)出版社，2001劉德明等，光纖光學(xué)（第二版），北京：科學(xué)出版社，2008G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics. 2001, New York: Academic Press22光纖的結(jié)構(gòu)光纖的分類(lèi)光纖的模式光纖的數(shù)值孔徑光纖的損耗光纖的色散光纖的雙折射

5、（偏振）特性23光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)231) 位置：光纖的中心部位2) 尺寸：直徑d1 = 4 50 m3) 材料：高純度SiO2，摻有極少量的摻雜劑(GeO2，P2O5)， 作用是提高纖芯折射率(n1)，以傳輸光信號(hào)纖芯纖芯24包層包層1) 位置：位于纖芯的周?chē)?) 尺寸：直徑d2 = 125 m3) 材料：高純度SiO2，極少量摻雜劑(如B2O3)的作用則是 適當(dāng)降低包層折射率(n2)，使之略低于纖芯折射 率，使得光信號(hào)能約束在纖芯中傳輸251) 位置：位于光纖的最外層2) 尺寸：涂覆后的光纖外徑約為250900 m3) 結(jié)構(gòu)和材料：包括一次涂覆層，緩沖層和二次涂覆層 a) 一次涂覆層一般

6、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)光纖壽命的作用涂覆層涂覆層26光纖的結(jié)構(gòu)光纖的分類(lèi)光纖的模式光纖的數(shù)值孔徑光纖的損耗光纖的色散光纖的雙折射（偏振）特性27光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi) 光纖按纖芯和包層材料性質(zhì)分：石英光纖、塑料光纖、特殊材料光纖 按傳播模式分：多模光纖和單模光纖 按折射率分：階躍型和漸變型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.

7、654光纖 (衰減最小光纖)G.655光纖 (非零色散位移光纖)28光纖的結(jié)構(gòu)光纖的分類(lèi)光纖的模式光纖的數(shù)值孔徑光纖的損耗光纖的色散光纖的雙折射（偏振）特性29光纖的模式光纖的模式單模光纖(Single Mode Fiber)：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)模式傳播什么樣的模式可以存在？30James Clerk Maxwell1831-1879英國(guó) 愛(ài)丁堡31上述場(chǎng)在邊界條件下的分布與邊值關(guān)系靜電場(chǎng)有源變化的電場(chǎng)可以產(chǎn)生磁場(chǎng)磁場(chǎng)是無(wú)源的變化的磁場(chǎng)可以產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)1232高等光學(xué)高等光學(xué)33電磁波導(dǎo)模式0BDDJHBEtt麥克斯韋方程組

8、麥克斯韋方程組光纖中沒(méi)有電流和自由電荷光纖中沒(méi)有電流和自由電荷00BDDHBEttE 電場(chǎng)強(qiáng)度；D 電感矢量；H 磁場(chǎng)強(qiáng)度；B 磁感強(qiáng)度J 電流密度； 自由電荷密度各項(xiàng)同性介質(zhì)各項(xiàng)同性介質(zhì)D = eEB = mH34簡(jiǎn)化的波動(dòng)方程02222EEcn0112022222222EEEEEknz柱坐標(biāo)系下柱坐標(biāo)系下選擇選擇Ez作為獨(dú)立分量作為獨(dú)立分量 ziimFAEzexpexp citi2exp0EE單色光單色光022220222FmknddFdFdanann21貝塞爾函數(shù)的微分形式貝塞爾函數(shù)的微分形式 mmCCFNJ21通解通解2122021kn aFmJ aKFm2120222kn35模式是波

9、導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固有電磁共振屬性的表征按分布形式，模式可以分為以下幾種類(lèi)型：1. 橫電模橫電模 (TE)：z方向上的電場(chǎng)分量為0，或電場(chǎng)分量垂直于z2. 橫磁模橫磁模 (TM)： z方向上的磁場(chǎng)分量為0，或磁場(chǎng)分量垂直于z3. 混合?；旌夏?(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)3637傳播常數(shù) 傳播常數(shù)是描述光纖中各模式傳輸特性的一個(gè)參數(shù)，光纖中各模式的傳輸或截止都可以由該參數(shù)決定。 k0n2 k0n1 當(dāng)k0n2時(shí)，包層中的電磁場(chǎng)不再衰減，而成為振蕩函數(shù)，這時(shí)傳導(dǎo)模已不能集中于光纖纖芯中傳播，此時(shí)的模式稱(chēng)為輻射模，即傳導(dǎo)模截止。 當(dāng)=k

10、0n2時(shí)，傳導(dǎo)模處于臨界截止?fàn)顟B(tài)，光線(xiàn)在纖芯和包層的界面掠射。3838光纖單模的條件光纖單模的條件VVc=2.45639當(dāng)V 2.405時(shí)，光纖只支持一個(gè)模式，即單模。減小 V 的一個(gè)途徑就是減小光纖半徑 a。故單模光纖半徑比多模光纖小。22210nnakV0 1 2 3 4 5 6 n1/k0 n2HE11TE01HE12HE41HE31TE01HE21HE22EH11TM01TM02EH2140光纖的結(jié)構(gòu)光纖的分類(lèi)光纖的模式光纖的數(shù)值孔徑光纖的損耗光纖的色散光纖的雙折射（偏振）特性41數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA）：）：光線(xiàn)能進(jìn)入纖芯的最大圓錐的半頂角的正弦，乘以圓錐頂所在介質(zhì)的折射率。 00

11、sinnNANA是衡量光纖的主要參數(shù)。它表示無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只有2c張角內(nèi)的光才能被光纖接收、傳播(全反射)；入射角超出這個(gè)范圍，進(jìn)人光纖的光線(xiàn)便會(huì)進(jìn)人包層而散失。數(shù)值孔徑42光纖的結(jié)構(gòu)光纖的分類(lèi)光纖的模式光纖的數(shù)值孔徑光纖的損耗光纖的色散光纖的雙折射（偏振）特性43光纖的損耗光纖的損耗 光纖的損耗決定了光信號(hào)在光纖中被增強(qiáng)之前可傳輸?shù)淖畲缶嚯x最大距離。光纖光纖 即便是在理想的光纖中都存在損耗本征損耗。 44光纖損耗固有損耗使用損耗材料損耗波導(dǎo)損耗工藝缺陷本征吸收：純SiO2吸收使用階段（使用附加損耗）成纜階段（光纜附加損耗）雜質(zhì)吸收瑞利散射：微觀不均勻性其它有用摻雜有害摻雜模式損耗:場(chǎng)

12、分布不集中在纖芯層耦合損耗:模式耦合成輻射模或高次模應(yīng)力微彎芯包截面不規(guī)則折射率縱向不均勻微裂紋氣泡縱向橫向微裂紋應(yīng)力微彎附加損耗外力彎曲溫度變化水侵蝕紅外吸收紫外吸收45吸收損耗原子缺陷吸收：由于光纖材料的原子結(jié)構(gòu)的不完整造成非本征吸收： 由金屬離子和氫氧根離子 (OH)等雜質(zhì)對(duì)光 的吸收而產(chǎn)生的損耗本征吸收： 材料本身 (如SiO2) 的特性決定，即便波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會(huì)存在 本征吸收 46原子缺陷吸收光纖晶格很容易在光場(chǎng)的作用下產(chǎn)生振動(dòng)光纖制造過(guò)程中，光纖材料受到某種熱激勵(lì)或光輻射時(shí)發(fā)生某個(gè)共價(jià)鍵斷裂導(dǎo)致原子缺陷。吸收光能，引起損耗47光纖制造過(guò)程引入的有害雜質(zhì)帶來(lái)

13、較強(qiáng)的非本征吸收解決方法：解決方法：(1) 光纖材料化學(xué)提純，比 如達(dá)到 99.9999999%的 純度OH和金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等(2) 制造工藝上改進(jìn)，如避 免使用氫氧焰加熱 ( 汽 相軸向沉積法)非本征吸收48散射損耗光纖的密度和折射率分布不均及結(jié)構(gòu)上的不完善導(dǎo)致散射現(xiàn)象1. 波導(dǎo)散射- 纖芯和包層的界面不完備- 圓度不均勻- 殘留氣泡和裂痕等2. 瑞利散射 （本征散射）波導(dǎo)在小于光波長(zhǎng)尺度上的不均勻：- 分子密度分布不均勻- 摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻?qū)е虏▽?dǎo)對(duì)入射光產(chǎn)生本征散射49瑞利散射在光纖損耗測(cè)量中的應(yīng)用50光纖損耗的計(jì)算LinoutePP光信號(hào)在均勻光纖中傳播時(shí)，

14、其功率隨距離L的增加呈指數(shù)衰減：可以通過(guò)損耗系數(shù)來(lái)衡量光纖鏈路的損耗特性：其中L為光纖長(zhǎng)度。dB/kmlog10outindBPPL51523dB50%3dB耦合器100%50%50%10dB常用的損耗值常用的損耗值90%20dB 99%30dB 99.9%53OH-吸收峰各個(gè)波長(zhǎng)光的傳輸損耗各個(gè)波長(zhǎng)光的傳輸損耗54彎曲損耗宏彎：曲率半徑比光纖的直徑大得多的彎曲消逝場(chǎng) cR CladdingCore場(chǎng)分布55彎曲損耗與模場(chǎng)直徑的關(guān)系P包層1 P包層2Loss模場(chǎng)直徑小 Loss模場(chǎng)直徑大Loss低階模 Loss高階模5556微彎：微米級(jí)的高頻彎曲微彎的原因： 光纖的生產(chǎn)過(guò)程中的帶來(lái)的不均成纜時(shí)

15、受到壓力不均使用過(guò)程中由于光纖各個(gè)部分熱脹冷縮的不同導(dǎo)致的后果：造成能量輻射損耗高階模功率損耗低階模功率耦合到高階模與宏彎的情況相同，模場(chǎng)直徑大的模式容易發(fā)生宏彎損耗5657光纖的結(jié)構(gòu)光纖的分類(lèi)光纖的模式光纖的數(shù)值孔徑光纖的損耗光纖的色散光纖的雙折射（偏振）特性58色散幾列波在媒質(zhì)中傳播，它們的頻率不同，傳播速度亦不同，這種現(xiàn)象叫色散，在物理學(xué)中，把凡是與波速、波長(zhǎng)有關(guān)的現(xiàn)象，叫作色散。59光纖在光纖中傳輸?shù)墓饷}沖，受到光纖的折射率分布，光纖中的模式分布以及光源的光譜寬度等因素影響，產(chǎn)生“延遲畸變”，使得該脈沖波形在通過(guò)光纖后發(fā)生展寬，這一效應(yīng)稱(chēng)為“光纖的色散”。模式色散，材料色散，波導(dǎo)色散，

16、偏振模色散模式色散，材料色散，波導(dǎo)色散，偏振模色散59光纖的色散60材料色散在同一介質(zhì)中，不同波長(zhǎng)的光行進(jìn)速度不同61波導(dǎo)色散信號(hào)光處于纖芯的部分和處于包層的部分具有不同的傳播速度光纖總色散是波導(dǎo)色散和材料色散的總和光纖總色散是波導(dǎo)色散和材料色散的總和62模式色散多模光纖中不同模式具有不同的傳播路徑導(dǎo)致的色散t1t2t3t06350m125mnrnrn1階躍型階躍型(step-index)光纖光纖漸變型漸變型(graded-index)光纖光纖50m125m64橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線(xiàn)傳播路徑輸出脈沖50 mm125mmrnAitAot(b) 10 m

17、m125mmrnAitAot(c)65偏振模色散（PMD）單模光纖能夠維持沿x，y兩個(gè)正交方向偏振的簡(jiǎn)并模。雙折射效應(yīng)導(dǎo)致了偏振模色散光纖的雙折射的變化是光纖的雙折射的變化是隨機(jī)隨機(jī)的，群速度也是隨機(jī)變化的，因此的，群速度也是隨機(jī)變化的，因此脈沖在光纖輸出端變寬，這種現(xiàn)象稱(chēng)為脈沖在光纖輸出端變寬，這種現(xiàn)象稱(chēng)為偏振模色散偏振模色散（PMD）66光纖的結(jié)構(gòu)光纖的分類(lèi)光纖的模式光纖的數(shù)值孔徑光纖的損耗光纖的色散光纖的雙折射（偏振）特性67光纖產(chǎn)生雙折射的原因纖芯的橢圓度引起的雙折射68應(yīng)力引起的雙折射彎曲引起的雙折射扭曲引起的雙折射外場(chǎng)引起的雙折射69保偏光纖69在光纖中引入在光纖中引入大量大量雙折射，因此微小的，隨機(jī)的雙雙折射，因此微小的，隨機(jī)的雙折射引起的折射率起伏不會(huì)嚴(yán)重