光纖傳輸理論及基本特性

光纖傳輸理論及基本特性第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院2.1光纖結(jié)構(gòu)與分類1

2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)2

2.1.2

光纖的折射率分布3

2.1.3

光纖的分類第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖的全稱是光導(dǎo)纖維(OpticalFiber)，是一種多層同心對(duì)稱圓柱結(jié)構(gòu)，從里到外依次是纖芯、包層（可以是多層）和涂覆層。所傳光的波長(zhǎng)在可見(jiàn)光和紅外光區(qū)域。2.1.1光纖的結(jié)構(gòu)第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院1.相對(duì)折射率差△折射率(n1,n2)由制作光纖的材料決定，在光纖分析中通常定義相對(duì)折射率差

通常:單模光纖的相對(duì)折射率差△滿足0.003<△<0.01，多模光纖的相對(duì)折射率差△滿足0.01<△<0.03。2.1.2光纖的折射率分布第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院2.折射率剖面在數(shù)學(xué)上，光纖的結(jié)構(gòu)一般用折射率沿光纖徑向的分布函數(shù)來(lái)表征，這種分布函數(shù)稱為光纖的折射率剖面。在圓柱坐標(biāo)系(r,φ,z)中，用n(r)表示。在理論分析時(shí)，折射率剖面n(r)

就是光纖的數(shù)學(xué)模型。2.1.2光纖的折射率分布第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院一些常見(jiàn)光纖的折射率分布

2.1.2光纖的折射率分布第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院2.1.3光纖的分類按折射率徑向分布階躍光纖漸變折射率光纖等按照用途分通信光纖非通信光纖(特殊光纖）低雙折射光纖，高雙折射光纖，涂層光纖、液芯光纖、激光光纖和紅外光纖等按照傳輸模式分單模光纖纖芯直徑4-10μm(LP01)多模光纖纖芯直徑50μm左右按照制作材料分高純度石英玻璃光纖纖芯：鍺硅材料；包層：硼硅材料。有三個(gè)低損耗傳輸窗口（0.85μm，1.31μm，1.55μm）。傳輸損耗低，可低于0.5dB/km?？勺鳛殚L(zhǎng)途光纖通信用。多組分玻璃光纖常規(guī)的光學(xué)玻璃，如Sodium-borosilicate，傳輸損耗較大，在λ=0.84μm時(shí)，損耗為3.4dB/km。傳播光束，像束。塑料光纖重量輕、成本低、柔性好，加工方便，損耗大（λ=0.63μm時(shí)，損耗為100～200dB/km）。短距離傳輸用按照制作工藝分化學(xué)氣相沉積法（CVD，MCVD）用來(lái)制作高純度石英玻璃光纖等離子體激活化學(xué)氣相沉積法(PCVD)用來(lái)制作高純度石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖雙坩堝法（三坩堝法）用來(lái)制作多組分玻璃光纖第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院2.2光纖的制作和光纜在這一節(jié)中主要介紹石英光纖的制作工藝。石英光纖的制造工藝大致可以分為兩個(gè)階段，即光纖預(yù)制棒的制造和預(yù)制棒拉制光纖。12.2.1光纖預(yù)制棒的制作方法22.2.2

預(yù)制棒拉絲3

2.2.3

光纜第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院常見(jiàn)的預(yù)制棒制作方法有：

1.外氣相沉積法(OVPO);2.氣相軸向沉積法(VPAD);3.改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD);4.等離子體激活化學(xué)氣相沉積法(PCVD)；

……2.2.1光纖預(yù)制棒的制作方法第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院1.外氣相沉積法

OVPO:OutsideVapourPhaseOxidationCorningClassWork公司用于制造第一根損耗小于20dB/km的石英光纖的方法。抽掉中心棒，高溫?zé)Y(jié)成預(yù)制棒2.2.1光纖預(yù)制棒的制作方法第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院OVPO法的基本步驟

(1)中心棒在噴嘴下方，勻速旋轉(zhuǎn)并來(lái)回平移，以便在中心棒外形成粉塵的均勻沉積。

(2)控制氣體流量成分，可以使預(yù)制棒折射率分布是階躍的，或是漸變的。

(3)沉積過(guò)程完成后，經(jīng)過(guò)脫水處理后，抽出中心棒，在高溫爐中將粉塵狀預(yù)制棒燒結(jié)成透明玻璃預(yù)制棒。2.2.1光纖預(yù)制棒的制作方法第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院2.氣相軸向沉積法VPAD:VapourPhaseAxialDeposition日本NTT公司采用的光纖預(yù)制棒制作方法?；瘜W(xué)反應(yīng)生成SiO2微粒的過(guò)程與OVPO法完全一樣，沉積時(shí)由橫向變?yōu)榭v向。VPAD法的優(yōu)點(diǎn)：沉積速度快，適合批量生產(chǎn)；一根棒可拉100km以上的光纖。2.2.1光纖預(yù)制棒的制作方法第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院3.改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法MCVD:ModifiedChemicalVapourDeposition由貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)。在旋轉(zhuǎn)的石英管的內(nèi)壁進(jìn)行沉積。停止氣相反應(yīng)后，加高溫將石英管燒結(jié)成實(shí)心棒，改變氣相組分可以制成階躍或梯度折射率預(yù)制棒。2.2.1光纖預(yù)制棒的制作方法第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五精密儀器與光電子工程學(xué)院4.等離子體激活化學(xué)氣相沉積法PCVD:PlasmaActivatedChemicalVapourDeposition由Philips研究所的科學(xué)家們發(fā)明微波諧振腔使管內(nèi)氣體等離子化，產(chǎn)生高溫化學(xué)反應(yīng)，將一層純凈SiO2沉積在管壁上，SiCl4

的沉積率接近100％。2.2.1光纖預(yù)制棒的制作方法第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五為了防止石墨在高溫下氧化，充入氬氣等惰性氣體加以保護(hù)；送棒機(jī)構(gòu)和牽引輥的速度要匹配，以保證光纖外徑的均勻性;激光測(cè)徑；涂覆層紫外線固化；外徑波動(dòng)控制在0.5微米之內(nèi)拉絲的速度可以調(diào)整，600m/min~1000m/min2.2.2預(yù)制棒拉絲精密儀器與光電子工程學(xué)院第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.2.3光纜精密儀器與光電子工程學(xué)院第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五習(xí)題簡(jiǎn)答光纖的結(jié)構(gòu)，相對(duì)折射率差。光纖的折射率剖面是什么？給出幾種常見(jiàn)的光纖折射率分布情況。了解光纖的常見(jiàn)分類。簡(jiǎn)單敘述OVPO，VPAD，MCVD，PCVD等預(yù)制棒制作方法。第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.3光纖的傳光原理射線理論分析法—將光線看成一條幾何射線，用幾何光學(xué)方法(折射和反射)分析其傳播特性，其傳光原理比較直觀,易理解。適用于均勻多模光纖。對(duì)非均勻光纖，誤差大；對(duì)單模光纖完全不適用。波動(dòng)理論分析法—將光波按電磁場(chǎng)理論，用麥克斯韋方程組(波動(dòng)方程)解析其傳播特性。適用于均勻、非均勻、單模、多模光纖任何一種光纖。所采用分析方法的根據(jù)——由2a/比值大小決定。

2a/>>1時(shí)——采用射線理論(近似分析法)2a與的大小可比擬時(shí)——必須采用波動(dòng)理論進(jìn)行分析。第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.3.1均勻折射率光纖的射線理論分析子午光線和斜光線可以把光纖中的光線分成兩類。子午光線：始終處在一個(gè)平面里，經(jīng)過(guò)波導(dǎo)的中心軸線，在光纖纖芯與包層界面上作全反射，呈鋸齒形，是平面折線。第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.子午光線和斜光線斜光線(偏射線):

不在同一平面里，不經(jīng)過(guò)光纖的中心軸線，但仍在光纖芯與包層的界面上作全反射，這種光線的范圍是在邊界面和焦散面之間，是空間折線。斜光線的極限是焦散面與芯包層界面重合，這時(shí)斜光線變成螺旋線。2.3.1均勻折射率光纖的射線理論分析第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.階躍光纖中的子午光線分析2.3.1均勻折射率光纖的射線理論分析第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五a.數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑N.A.(NumericalAperture)，是光纖的重要參數(shù)，用來(lái)計(jì)量光纖接受光的特性。僅由光纖的折射率決定，而與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。數(shù)值孔徑越大，則入射光線越容易進(jìn)入光纖，形成導(dǎo)波。2.3.1均勻折射率光纖的射線理論分析第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五b.子午光線的幾何程長(zhǎng)幾何程長(zhǎng)：某光線在光纖中所傳播路程的長(zhǎng)度?？値缀纬涕L(zhǎng)ρ(θ)取決于光線的入射角、纖芯折射率和光纖長(zhǎng)度，而與光纖直徑無(wú)關(guān)。2.3.1均勻折射率光纖的射線理論分析第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，編輯于2023年，星期五c.子午光線的反射次數(shù)

η(θ,d)是入射角和光纖直徑的函數(shù)。2.3.1均勻折射率光纖的射線理論分析第二十六頁(yè)