光纖光學基礎知識

光纖光學基礎知識萬助軍2003.11.10光纖結構及導光原理光纖中的傳播模式光纖的傳輸特性光纖的連接損耗目錄光纖結構及導光原理光纖結構如圖1所示，光纖由三部分組成：纖芯－光能量主要在纖芯中傳輸；包層－折射率小于纖芯，與纖芯一起組成波導，限制光能量泄漏；涂覆層－對光纖起緩沖保護作用。光纖按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量可分為單模光纖和多模光纖，按折射率分布可分為階躍折射率光纖和漸變折射率光纖，如圖2所示。纖芯包層涂覆層圖1.光纖結構簡圖2an2n18～12um125um(a)單模階躍折射率光纖2an2n150～200um125～400um(b)多模階躍折射率光纖n2n12a50/62.5um125um(c)多模漸變折射率光纖圖2.單模和多模光纖結構示意圖光纖結構及導光原理光纖導光原理光纖結構及導光原理因為纖芯折射率大于包層折射率，當光線從纖芯入射到界面上時，如果入射角α大于臨界角α

0，將發(fā)生全反射，沒有光能量透射至包層而泄漏出去，此即光纖導光原理。αθ圖3.光在光纖中的傳播AB光纖中的傳播模式數(shù)值孔徑光線在纖芯與包層界面上的入射角α

大于全反射臨界角α0，才能在光纖中傳播；受此條件約束，光線在光纖端面的入射角θ必須小于孔徑角θ

0，才能傳播。定義光纖子午光線數(shù)值孔徑為：光纖數(shù)值孔徑與其折射率分布有關，階躍折射率光纖纖芯各點數(shù)值孔徑相同，漸變折射率光纖中心點數(shù)值孔徑最大，在纖芯與包層界面數(shù)值孔徑為0。數(shù)值孔徑反映光纖接收光的能力，CorningSMF-28單模光纖、InfiniCor50/125um多模光纖、InfiniCor62.5/125um多模光纖數(shù)值孔徑分別為0.14、0.20、0.275。光纖中的傳播模式光纖的模式我們已經(jīng)知道，小于孔徑角入射的光線可以在光纖中傳播，這只是從光線理論得到的結論。如圖3所示，根據(jù)波動理論，光在兩個反射點A、B的位相必須相同，即A、B間的光程差必須是傳輸波長的整數(shù)倍，此稱為橫向駐波條件。因此在所有入射角小于孔徑角的光線中，只有滿足駐波條件的一系列光能夠傳輸，對應一系列分立的入射角θ1、θ2、θ3…，我們稱之為光纖的模式。也可以用縱向傳播常數(shù)β1、β2、β3…來描述光纖的模式，表示光線相位變化的速度。模式越高，θ角越大，β越小，光程越大，損耗越大。光纖中的傳播模式單模與多模我們已經(jīng)知道，光纖中傳輸?shù)墓獗仨毻瑫r滿足全反射條件和駐波條件。前者與纖芯和包層折射率差有關(折射率差越大則孔徑角越大)，后者與纖芯尺寸有關(纖芯越大則允許的模式數(shù)量越多)，因此我們可以用一個參數(shù)來描述光纖的結構特性－歸一化頻率V。V越小，則光纖限制光泄漏的能力越弱，允許傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量越少。當V<2.405時，光纖中只有一個模式可以傳播，成為單模光纖。為了滿足單模條件，單模光纖的纖芯包層折射率差和纖芯直徑均比多模光纖小。在保證單模傳輸?shù)那疤嵯拢琕值應盡可能取髙值，以提升光纖導光能力，避免彎曲損耗。根據(jù)波動理論分析，繼續(xù)減小V值，仍不能將最后一個模式截止，即此模式被牢牢限制在纖芯中傳播，這也是單模光纖的微彎曲損耗較多模光纖小的原因。光纖中的傳播模式λ越大則V越小，當λ<λc時則不再滿足單模條件，產(chǎn)生高階模，因而傳輸損耗增加。光纖中的傳播模式截止波長當光纖參數(shù)(a、n1、n2)已經(jīng)確定，單模光纖的截止波長和截止頻率分別為：光纖中的傳播模式單模光纖的模場半徑單模光纖中傳輸?shù)氖穷惛咚构馐垂馐芰吭跈M截面近似高斯分布，其模場半徑的經(jīng)驗公式如下：我們看到，歸一化頻率V越大則模場半徑ω越小，光能量被約束得越集中，即導光能力越強。模場半徑對分析單模光纖的連接損耗、微彎曲損耗等有重要作用。光纖的傳輸特性光纖的損耗材料吸收損耗第一窗口第二窗口第三窗口損耗(dB/km)0.10.20.55.01.02.00.60.81.01.21.52.0波長(um)圖4.石英光纖損耗譜典型曲線光纖的傳輸特性目前光通信的三個窗口：0.85um－第一窗口，短距離多模光通信；1.31um－第二窗口，長距離單模和短距離多模光通信；1.55um－第三窗口，長距離單模光通信。我們看到，在1.31um和1.55um之間的1.385um處有一個吸收峰，這是由于OH－離子的吸收造成的，通常稱之為水峰。Lucent公司率先推出AllWave光纖，Corning公司相繼推出LEAF光纖，消除了水峰，將光纖的第二和第三窗口連接起來，可以在1280nm-1625nm之間345nm的帶寬內(nèi)進行通信，這對CWDM系統(tǒng)的應用大為有利。光纖的傳輸特性彎曲損耗(BendingLoss)如圖5所示，光線在光纖平直部分的A點以臨界角α1入射，全部反射，在彎曲部分的B點以角度α2(<α1)入射，不再發(fā)生全反射，部分光能量因折射而泄漏，此即光纖彎曲損耗。ABα1α2圖5.光纖的彎曲損耗Rc與β有關，因此在同一彎曲半徑下，不同模式的損耗不同，低階模的損耗小，高階模的損耗大。單模光纖的臨界曲率半徑：其中：宏彎曲損耗光纖彎曲半徑R大于臨界值Rc，因彎曲引起的損耗很小，可以忽略；彎曲半徑小于臨界值，損耗按指數(shù)規(guī)律迅速增加。多模光纖的臨界曲率半徑：光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性單模光纖的臨界曲率半徑與截止波長λc有關，λc越大則Rc越小，也就是說，截止波長越大則彎曲特性越好。微彎曲損耗多模光纖微彎曲損耗：多模光纖的微彎曲情況非常復雜，僅作定性描述。多模光纖的微彎曲損耗與彎曲形狀有關，如果對光纖進行周期性彎曲時，如圖6所示，將會在某個彎曲頻率下產(chǎn)生最大損耗，而且損耗與彎曲振幅A2成正比，與彎曲總長度L成正比。圖6.多模光纖的周期性微彎曲單模光纖微彎曲損耗：光纖的傳輸特性單模光纖微彎曲損耗與模場半徑和波長有關，模場半徑越小則損耗越小；但由于模場半徑與波長有關，損耗與波長的關系不能明顯看出來。實際情況是，波長越小則微彎曲損耗越小。通過改變光纖結構參數(shù)(a、n1、n2)可以減小模場半徑，以提升彎曲損耗特性。光纖的傳輸特性彎曲損耗實例1.多模光纖擾模：屬于宏彎曲，高階模的彎曲損耗較大，經(jīng)過多個擾模圈之后被損耗掉，剩余低階模。在實際光纖鏈路中，高階模的傳輸不穩(wěn)定，很容易損耗掉，因此多模器件在擾模后的測試值，更符合實際應用情況。2.單模跳線BR測試中的Bending：屬于微彎曲，單模纖芯較小，通過Bending可將光路完全隔斷。多模纖芯大得多，從彎曲損耗產(chǎn)生機制(圖5)來看，光纖彎曲半徑再小也不能將通過的低階模完全損耗掉。3.光纖Bending判定：在跳線組裝和Coupler構裝時，我們經(jīng)常依據(jù)1310nm光損耗遠小于1550nm來判定光纖Bending。光纖的傳輸特性光纖的色散棱鏡的色散圖7所示為棱鏡的色散，由于棱鏡材料對不同波長光的折射率不同，產(chǎn)生的偏折角度不同，表現(xiàn)為不同波長的光在空間展開。圖7.棱鏡的色散光纖材料色散與棱鏡色散類似，由于光纖材料對不同波長光的折射率不同，也會產(chǎn)生色散，只是表現(xiàn)形式不同。光纖的傳輸特性光纖材料色散不會在空間展開，表現(xiàn)為不同波長的光程不同，到達光纖另一端的時間也不相同。光纖波導色散對于同一階次的模式，不同波長的傳播常數(shù)β不同，光程不同，稱為波導色散。光纖模間色散對于同一波長的光，不同模式的傳播常數(shù)β不同，光程不同，稱為模間色散。模間色散只存在于多模光纖中，漸變折射率多模光纖的模間色散參數(shù)優(yōu)于階躍折射率多模光纖。單模光纖中不存在模間色散，為了工藝簡單，不需設計成漸變折射率。光纖的傳輸特性(a)光纖波導色散(b)光纖模間色散圖8.光纖波導色散與模間色散光纖波導色散與模間色散的比較如圖8所示，前者為同階模式不同波長的色散，后者為同一波長不同模式間的色散。偏振模色散(PMD)由于光纖的雙折射效應，同一波長、同階模式、不同偏振態(tài)的光，傳播常數(shù)β亦不相同，稱為偏振模色散。光纖的傳輸特性tt圖9.材料色散造成的碼間串擾色散對光纖通信系統(tǒng)的影響光源總是有一定的譜線寬度，當一個光脈沖通過光纖，由于材料色散和波導色散，其中不同波長成分到達的時間將不同，即脈沖被展寬了。如果脈沖展寬達到脈沖間隔寬度，將會造成碼間串擾，如圖9所示。材料色散在1.3um附近為零，且零色散波長與光纖摻雜種類和濃度無關；而波導色散隨折射率分布(即光纖摻雜情況)而變，因此可設計在某一特定波長色散為零的光纖，在此波長上材料色散和波導色散相互抵消。G652光纖是常規(guī)光纖，其零色散波長在1.3um附近；G655光纖是色散位移光纖(DSF)，其零色散波長在1.55um附近。類似的，光纖模間色散亦會造成碼間串擾，特別是多模光纖中的模間色散非常大，因此多模光纖不能用于長距離、高速通信系統(tǒng)。在更高速的通信系統(tǒng)中，偏振模色散亦會導致碼間串擾，可用色散系數(shù)相反的色散補償光纖(DCF)進行補償。光纖的傳輸特性光纖的連接損耗d2a(a)纖芯錯位Z(b)端面間隙θ(C)纖芯傾斜圖10.光纖的連接失配光纖的連接失配兩根光纖連接時，可能因纖芯錯位、端面間隙和纖芯傾斜三種失配情況，而引入額外的插入損耗，如