第一章光纖的基本原理

第一章光纖的基本原理第1頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第一章光纖的基本原理

第二章光纖系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器和元件連接

第三章光纖衰減測量

第四章光纖色散測量第五章光纖傳感器基本原理

第2頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第六章光纖機械量傳感器第七章光纖熱工量傳感器第八章光纖電磁量傳感器第九章醫(yī)用光纖傳感器第3頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第一章光纖的基本原理

1.2光纖波導的原理光纖(fiber)—傳光的纖維波導或光導纖維的簡稱。

材料—由高純度的石英玻璃為主,摻少量雜質(zhì)鍺、硼、磷等。

形狀—細長的圓柱形，細如發(fā)絲(通常直徑為幾微米到幾百微米)。第4頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三n1n2n2n1n2纖芯包層涂覆層護套結(jié)構(gòu)—兩個同軸區(qū)，內(nèi)區(qū)稱為纖芯，外區(qū)稱為包層。通常，在包層外面還有一層起支撐保護作用的套層。第5頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三因為光是電磁波，所以光在光纖中的傳輸可用麥克斯韋波動方程來分析斷面尺寸比光波長大得多時，可用射線的概念來處理。射線光學的基本關(guān)系式是有關(guān)其反射和折射的菲涅耳定律。第6頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三光纖傳光原理——全反射

n1>n2

入射角>θ法線n1n2θ臨界角θ＝arcsin(n2/n1)第7頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三光纖傳光與數(shù)值孔徑n0200n2n1數(shù)值孔徑：第8頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.3光纖的分類根據(jù)光纖能傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，可將其分為單模光纖和多模光纖。

第9頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三n2n1多模階躍光纖nr多模梯度光纖n2n1單模梯度光纖單模光纖和多模光纖第10頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第11頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三歸一化頻率V歸一化頻率V是—個與光波頻率和光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)的參量，通常用它表示光纖所傳導的模式數(shù)。其定義式k——平面波在自由空間中的傳播常數(shù)或波數(shù)，a——是光纖纖芯半徑。第12頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三纖芯對包層的相對折射率差

纖芯對包層的數(shù)值孔徑

歸一化頻率單模光纖：V<2.405普通單模光纖：~310-3a=2~4m多模光纖：a=25~60mb125m光纖的最基本參數(shù)第13頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三若干低階模式歸一化傳輸常數(shù)隨歸一化頻率變化的曲線第14頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三漸變折射率多模光纖α是折射率分布指數(shù)．α＝2拋物線分布α=∞階躍分布第15頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三圖2.8若干低階模式歸一化傳輸常數(shù)隨歸一化頻率變化的曲線第16頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三四個低階模式的電磁場矢量結(jié)構(gòu)圖

第17頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三分類第18頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第19頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.4光纖的特性

一、傳輸特性

光纖的衰減(或損耗)和色散(或帶寬)是描述光纖傳輸特性的兩個重要參量。

第20頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三二、物理特性

光纖的物理特性包括機械性能、熱性能和電絕緣性能等

彎曲性

抗拉強度

硬度耐熱性熱膨脹系數(shù)電絕緣性能

第21頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

三、化學特性一般玻璃的化學性質(zhì)比較穩(wěn)定。

1．耐水性石英玻璃光纖的化學性能與玻璃基本相同。2．耐酸性

玻璃的抗酸能力和抗堿能力都較差，幾乎所有的玻璃在氟酸中都會溶解。

第22頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

四、幾何特性

光纖的幾何特性是指其結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸。表征光纖幾何特性的參數(shù)是纖芯直徑、包層直徑、纖芯不圓度、包層不圓度和纖芯與包層的同心度誤差。第23頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.5光纖的衰減機理

第24頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

衰減的概念

由于損耗的存在，在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，不管是模擬信號還是數(shù)字脈沖，其幅度都要減小。光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示式中，α是損耗(衰減)系數(shù)。第25頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，輸出光功率應(yīng)為

Po=Piexp(-αL)習慣上α的單位用dB/km，損耗(衰減)系數(shù)α=

第26頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.損耗的機理單模光纖的損耗譜，包括吸收損耗和散射損耗兩部分。第27頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三吸收損耗是由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的。由材料電子躍遷引起的吸收帶發(fā)生在紫外(UV)區(qū)(λ<0.4μm)，由分子振動引起的吸收帶發(fā)生在紅外(IR)區(qū)(λ>7μm)，由于SiO2是非晶狀材料，兩種吸收帶從不同方向伸展到可見光區(qū)。第28頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三固有吸收很小，在0.8~1.6μm波段，小于0.1dB/km，在1.3~1.6μm波段，小于0.03dB/km。第29頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三光纖中的雜質(zhì)主要有過渡金屬(例如Fe2+、Co2+、Cu2+)和氫氧根(OH-)離子，這些雜質(zhì)是早期實現(xiàn)低損耗光纖的障礙。氫氧根離子(OH-)吸收峰在0.95μm、1.24μm和1.39μm波長，其中以1.39μm的吸收峰影響最為嚴重。第30頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三散射損耗主要由材料微觀密度不均勻引起的瑞利散射和由光纖結(jié)構(gòu)缺陷(如氣泡)引起的散射產(chǎn)生的。結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗與波長無關(guān)。

第31頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三瑞利散射損耗αR與波長λ四次方成反比，可用經(jīng)驗公式表示為αR=A/λ4，瑞利散射系數(shù)A取決于纖芯與包層折射率差Δ。當Δ分別為0.2%和0.5%時，A分別為0.86和1.02。瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。如果Δ=0.2%，在1.55μm波長，光纖最低理論極限為0.149dB/km。第32頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

2.實用光纖的損耗譜根據(jù)以上分析和經(jīng)驗，光纖總損耗α與波長λ的關(guān)系可以表示為α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A為瑞利散射系數(shù)，B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗第33頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三光纖損耗譜(a)三種實用光纖；(b)優(yōu)質(zhì)單模光纖從多模突變型(SIF)、漸變型(GIF)光纖到單模(SMF)光纖，損耗依次減小。在0.8~1.55μm波段內(nèi)，除吸收峰外，光纖損耗隨波長增加而迅速減小。在1.39μmOH-吸收峰兩側(cè)1.31μm和1.55μm存在兩個損耗極小的波長“窗口”。第34頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

1.6光纖的色散機理1色散的概念色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?，由于不同成分的光的時間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。色散一般包括模式色散、材料色散和波導色散。第35頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三模式色散是由于不同模式的時間延遲不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長特性有關(guān).

第36頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三材料色散是由于光纖的折射率隨波長而改變，以及模式內(nèi)部不同波長成分的光(實際光源不是純單色光)，其時間延遲不同而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長特性和光源的譜線寬度。第37頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三波導色散是由于波導結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導尺寸和纖芯與包層的相對折射率差。第38頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三對色散有4種表示方法：

1．單位長度上的群延時差，即在單位長度上模式最先到達終點和最后到達終點的時間差。2.用輸出與輸入脈沖寬度均方根之比表示。

3．用光纖的沖激響應(yīng)經(jīng)傅氏變換得到的頻率響應(yīng)的3dB帶寬表示。4．用單位長度的單位波長間隔內(nèi)的平均群延時差來表示。第39頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

若在波長λ下單位長度的群延時為τ(λ)，則色散的程度可用色散系數(shù)σ來評定。其定義如下第40頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.6.2.色散的機理

一、材料色散

材料色散是由光纖材料的折射率受波長的影響所造成的色散，它的機理要用量子力學的觀點來分析。第41頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三假定介質(zhì)材料是由簡諧振子組成，且可看作是懸掛在恢復力為k的彈簧上、質(zhì)量為m而電荷為e的帶電微粒,當存在電場)時，可以用微分方程來描述簡諧振子的運動振蕩電場使帶電微粒發(fā)生受迫振動，其位移第42頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三單位體積材料內(nèi)極化強度物質(zhì)的介電常數(shù)為與折射率相應(yīng)的色散關(guān)系式第43頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三若考慮許多簡諧振子可能發(fā)生共振，則有把ω轉(zhuǎn)換成波長，可得到塞爾未耶(Sellmelor)公式第44頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三假設(shè)光纖中光脈沖是平面光波且波導色散可以忽略，則可利用下式表示材料色散產(chǎn)生的群延時其中．β是平面波的傳播常數(shù)，ω是光的角頻率。平面波β=ωn(λ)／c第45頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三材料色散有兩種，即正常色散和反常色散。正常色散是的形式，反常色散是

形式第46頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第47頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三二、波導色散波導色散是指同一模式的光，其傳播常數(shù)β隨λ變化而引起的色散第48頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三三、模間色散模間色散是指多模傳輸時同一波長分量的各傳導模的群速度不同引起到達終端的光脈沖展寬的現(xiàn)象。第49頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三1.6.3單模光纖與多摸光纖的色散光纖具有不同的類型，各種色散對各種光纖的影響也不同。

一、單模光纖的色散由于單模光纖只傳輸一種模式，因而它不存在模間色散，只有模內(nèi)色散，即材料色散和波導色散。它們分別用色散系數(shù)σc和σω表示?？偵ⅵ?σc+σω。通常，材料色散比波導色散大兩個量級。但是，在零色散區(qū)，材料色散與波導色散值大致相當，只是兩者符號相反。第50頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三處．材料色散近似為零，因而稱為零材料色散波長。第51頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三二、多模光纖的色散對于多模光纖，模間色散通常占主導地位。如果把模間色散平衡掉，則剩下的是材料色散和波導色散。此時，情況與單模傳輸類似，不同的是這里的波導色散是多模波導色散。在多模光纖中，波導色散與材料色散相比，常?？梢院雎浴５?2頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三材料色散是材料的折射率隨頻率變化引起的色散，因此材料色散引起的脈沖展寬與光源譜寬成正比。對于多模漸變型光纖，如果采用激光器(LD)作光源，其譜寬一般為1-2nm，故可忽略材料色散。此時，脈沖展寬主要由模間色散決定。但是，當光源為發(fā)光二級管(LED)時，由于其譜寬大約為30—50nm，故增加了材料色散的影響。這時，材料色散和模問色散相比不可忽略。材料色散與模間色散合成的總色散為第53頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三

1．6．4光纖色散與帶寬的關(guān)系光纖色散使輸入信號的各波長分量到達終端的群延時不同．因此輸出信號或脈沖將發(fā)生畸變或展寬。脈沖展寬將限制傳輸容量或決定最大中繼距離。因此，光纖的色散是決定光纖傳輸帶寬的重要參數(shù)。第54頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三基帶是指原始信號的固有頻帶。光纖的傳輸帶寬B是根據(jù)光纖的基帶響應(yīng)下降到二分之一(-3dB光功率)點的頻率來定義的?；鶐ы憫?yīng)可以用時域的脈沖響應(yīng)h(t)或頻域的頻率響應(yīng)H(ω)來表達。多模光纖的頻率響應(yīng)是由脈沖響應(yīng)的傅氏變換得到的。窄脈沖對應(yīng)著寬頻譜，寬脈沖對應(yīng)著窄頻譜。當給定脈沖響應(yīng)的形狀時，光纖的帶寬與脈沖響應(yīng)寬度的均方根值成反比。第55頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三光纖的脈沖響應(yīng)寬度與光纖的色散緊密相關(guān)。若光纖色散大，則脈沖響應(yīng)展寬的程度嚴重：若色散小，則脈沖響應(yīng)展寬較小。因而，光纖的色散與光纖的帶寬亦成反比。系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常用到基帶帶寬，它和色散的關(guān)系可用下式近似表示第56頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第57頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第58頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第59頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第60頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第61頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三返回第62頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三麥克斯韋方程組：(積分形式)∮S

D·dS=qo∮S

B·dS=0∮LE·dl

=-d(∮S

B·dS)/dt∮LH·dl=I+d(∮S

D·dS)/dt洛侖茲力：F=qE+qv

B輔助關(guān)系：D=E、B=H、j=E第63頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三麥克斯韋方程組：(微分形式)

·D=e

·B=0

E=-B/t

H=j+D/t式中：e為電荷密度

，

D/t稱為位移電流密度。哈密爾頓算符：

=i/x+j/y+k/z返回第64頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三菲涅耳公式第65頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三返回反射定律：折射定律：第66頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第67頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第68頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第69頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第70頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第71頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第72頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第73頁，共103頁，2023年，2月20日，星期三第74頁，共103