第四章光纖簡介

一光纖的分類光纖材料石英光纖多組分玻璃光纖塑料光纖摻雜光纖摻鉺光纖摻銩光纖摻氟光纖摻鐠光纖光纖是由中心的纖芯和外圍的包層組成的同軸圓柱形石英細絲。纖芯的折射率比包層稍高，損耗比包層更低，光能量主要在纖芯傳輸。包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起一定的機械保護作用。折射率分布階躍型光纖多層型光纖漸變型光纖三角型中心下陷型平方律型拋物線型高斯型一光纖分類光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱。其傳輸特性由其結(jié)構(gòu)和材料決定。光纖的分類：1.按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量：單模光纖只能傳輸一種模式的光纖多模光纖同時傳輸多種模式的光纖纖芯包層緩沖涂覆層單模：纖芯直徑2a=2~12m

纖芯－包層折射率差?。?n1-n2)/n1

＝0.0005~0.01多模：纖芯直徑2a=50~500m

纖芯－包層折射率差大＝0.01~0.02n2n1n2n1n2n12a2arr=ar=0單模階躍折射率光纖多模階躍折射率光纖多模梯度折射率光纖剖面折射率分布2.按纖芯折射率分布階躍折射率光纖梯度折射率光纖3.按傳輸?shù)钠駪B(tài)，單模光纖可分為：a.非偏振保持光纖(非保偏光纖)b.偏振保持光纖

（保偏光纖）單偏振光纖高雙折射光纖低雙折射光纖圓保偏光纖階躍折射率分布：梯度折射率分布a--纖芯半徑，

=1~當(dāng)?10時，趨近階躍型當(dāng)=1時，三角型（色散位移）當(dāng)=2時，平方律分布在石英光纖中相對折射率差折射率分布的表示4.按制造光纖的材料分：(1).高純度熔石英光纖傳輸損耗低(2).多組分玻璃纖維纖芯－包層折射率可在較大范圍內(nèi)變化，易于制造大數(shù)值孔徑的光纖。(3).塑料光纖成本低、材料損耗大、溫度性能差。(4).紅外光纖(5).液芯光纖纖芯為液體(6).晶體光纖纖芯為單晶，可用于制作有源和無源光纖器件。近紅外1～5m，中紅外～10m光纜：

光纜可分為陸地光纜、海底光纜、野戰(zhàn)光纜。陸地光纜又分為地下管道式、直埋式、架空式和高壓地線式等。海底光纜分淺海式和深海式。光纜的特性1.溫度特性溫度升高或降低都會使光纖損耗增大，尤其在低溫下工作，損耗增大更加明顯。在零下55度，損耗急劇增大，低于零下60度，損耗趨于平坦。2.機械特性

光纜的機械特性主要是指光纜的機械強度和壽命。光纖在成纜以前要經(jīng)過強度測試。光纜在出廠以前，要經(jīng)過一定條件下的拉伸、壓縮、扭絞、彎曲、沖擊等一系列測試。在測試后，光纜外套無絲毫損壞跡象，光纜的最大附加損耗應(yīng)小于0.2dB/km。陸地防潮光纜，抗張力430g，對1500米以內(nèi)的海底光纜，要求抗張力860g，對1500米以上的海底光纜，要求抗張力1900g。光纖的Helmholtz方程對折射率均勻分布的光纖：注意：1、只是說明是x,y變量的函數(shù)，但在x,y,z方向上都有可能存在分量。2、的正負決定了解的性質(zhì)：振蕩解還是衰減解。縱向分量滿足的方程二層均勻光纖場解分析折射率分布:場解形式:利用縱向與橫向場解的關(guān)系式，可以得到橫向分量解的表達式。特征方程可以看出，模式場的解析式只有4個未知量，所以只需4個連續(xù)的邊界條件：=特征方程模式的臨近截止條件：模式的遠離截止條件：場在包層中不衰減場在包層中不存在光纖的設(shè)計

1.多模光纖的設(shè)計

通信用多模光纖標準尺寸：d=50m，

D=125m，NA=0.20～0.23，＝1.0%～1.3％

用于短距離通信，若使用LED作為光源，需使用大數(shù)值孔徑和大芯徑的多模光纖。二光纖的設(shè)計和制造

2.單模光纖的設(shè)計

單模光纖主宰了光纖市場。提高光纖性能：降低本征損耗，增大碼速容量，增強抗彎能力。光纖的制造過程：制作預(yù)制棒→拉絲→涂覆(1)制作預(yù)制棒

MCVD—改進的化學(xué)汽相沉積法

PVCD－等離子體激活化學(xué)汽相沉積法

OVD－棒外汽相沉積法

VAD－軸向汽相沉積法MCVD法的特點：在石英反應(yīng)管（趁底管）內(nèi)沉積內(nèi)包層和芯層的玻璃，整個系統(tǒng)處于封閉的超提純狀態(tài)下。MCVD法制備光纖預(yù)制棒示意圖摻雜試劑第一步：熔制光纖的內(nèi)包層玻璃。主體材料：液態(tài)SiCl4；摻雜試劑：CF2Cl2,SF6,C2F4；載運氣體：O2SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑2CF2Cl2+SiCl4+2O2→SiF4+2Cl2+2CO2↑石英管內(nèi)壁上形成SiO2－SiF4玻璃層，作為光纖內(nèi)包層。摻雜試劑第二步：熔制芯層玻璃。主體材料：液態(tài)SiCl4；摻雜試劑：GeCl4；載運氣體：O2SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑SiO2－GeO2沉積在內(nèi)包層玻璃上，成為芯層玻璃。摻雜試劑(2)預(yù)制棒拉制成絲

預(yù)制棒由送料機構(gòu)送入管狀加熱爐（石墨電阻爐）中，當(dāng)預(yù)制棒尖端熱到一定溫度時，粘度變低，靠自身重量逐漸下垂變細形成纖維。纖維經(jīng)由纖徑測量儀監(jiān)測并拉引到牽引輥繞到卷筒上。送料機構(gòu)的速度必須與牽引輥收絲的速度相適應(yīng)。拉絲速度一般為30～100米/秒。預(yù)制棒拉絲示意圖(3)涂覆

裸露在空氣中的光纖容易斷裂，所以為了提高抗拉強度和抗彎強度，需要涂覆保護層。一次涂覆：變性硅酮樹酯、普通硅酮樹酯二次涂覆：套塑三光纖傳輸特性損耗(dB/km)、色散(ps/nm.km)、非線性效應(yīng)等

損耗直接影響中繼距離；

色散將引起光脈沖展寬和碼間串?dāng)_，最終影響通信距離和容量。因此，高速長距離信息傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散子午光線的傳播n0n1n2

子午面：通過光纖中心軸的任何平面。子午線：位于子午面內(nèi)的光線。子午光線的入射光線、反射光線和分界面的法線三者均在子午面內(nèi)。

要使光能完全限制在光纖內(nèi)傳輸，則應(yīng)使光線在纖芯－包層分界面上的入射角

大于或等于臨界角

0，即n2sin

0

＝n1，

≥

0

＝arcsin[n2/n1]或sin

0=1－[n2/n1]2光纖的數(shù)值孔徑（NA）：NA＝n0sin

0

＝n1－n222光纖的特征參數(shù)1、光纖的數(shù)值孔徑（NA）sin

0=NA=n0=n12

;=n1

－n2

2n12222、歸一化頻率V＝2

a1

＝2

a1n1

2

3、衰減系數(shù)

＝10LlogPiP0dB/Km4、色散特性n1－n222n1－n222≈n1－n2n1相對折射率差：模間色散模式色散材料色散波導(dǎo)色散光纖的損耗光纖的損耗吸收損耗散射損耗雜質(zhì)離子的吸收過渡族離子金屬OH－離子本征吸收紫外吸收紅外吸收制作缺陷本征散射及其他折射率分布不均勻芯－涂層界面不理想氣泡、條紋、結(jié)石瑞利散射布里淵散射喇曼散射第三傳輸窗口第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)光纖損耗譜特性外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗1、彎曲引起的光纖損耗光纖的宏彎損耗微彎引起的光纖損耗2、光纖和光源的耦合損耗3、多模光纖和多模光纖的耦合損耗4、光纖種類不同對耦合損耗的影響光纖芯徑不同折射率不同5、單模光纖和單模光纖直接耦合的損耗光纖的色散

在光纖中傳輸?shù)墓饷}沖，受到由光纖的折射率分布、光纖材料的色散特性、光纖中的模式分布以及光源的光譜寬度等因素決定的“延遲畸變”，使光脈沖波形在通過光纖后發(fā)生展寬。1、多模色散：2、波導(dǎo)色散：3、材料色散：4、偏振模色散：色散一般分為4種：發(fā)生于多模光纖中由于各模式之間群速度不同而產(chǎn)生的色散，即各模式以不同時刻到達光纖出射端而使脈沖展寬。由于某一傳播模的群速度對于光的頻率（或波長）不是常數(shù)，同時光源的譜線又有一定的寬度，因而產(chǎn)生波導(dǎo)色散。由于光纖材料的折射率隨入射光頻率變化而產(chǎn)生的色散。一般的單模光纖中都同時存在兩個正交模式。若光纖的結(jié)構(gòu)為完全的軸對稱，則這兩個正交偏振模在光纖中的傳播速度相同，即有相同的群延遲，故無色散。實際的光纖必然會有一些軸的不對稱，因而兩正交模有不同的群延遲，這種現(xiàn)象稱之為偏振模色散。四光纖器件光纖耦合器當(dāng)兩光纖纖芯相互充分靠近時，通過包層中消逝場的互相滲透而產(chǎn)生光纖間能量的耦合，其中一部分變?yōu)閭鬏斈?，這就使得功率可以互易地從一根光纖轉(zhuǎn)換到另一根光纖中去，功率轉(zhuǎn)移比由纖芯距離和相互作用長度決定。制作光纖耦合器的方法：熔拉法和磨拋法磨拋型單模光纖定向耦合器光纖與光源的耦合光纖偏振控制器

利用彈光效應(yīng)改變光纖中的雙折射，以控制光纖中光波的雙折射。

當(dāng)光纖在x-z平面內(nèi)彎曲時，由于應(yīng)力作用，光纖折射率發(fā)生變化，n=nx

－ny=－0.133[a/R]2a：為光纖半徑，R：為光纖彎曲半徑

快軸位于彎曲平面內(nèi)，慢軸垂直于彎曲平面。因此利用彎曲光纖的雙折射效應(yīng)，可以制成波片，對于彎曲半徑為R的N圈光纖，如適當(dāng)選擇N，R使得n2NR＝/m(m＝1，2，3……)則該光纖圈即成為

/m波片

PZT3dB耦合器3dB耦合器LL+

L1243Mach-Zehnder光纖濾波器M－Z的傳輸特性:T1-3=cos2[/2]，T1-4=sin2[/2]，=2Lnf1C若有兩個頻率分別為f1和f2的光波從1端輸入，且f1和f2分別滿足：

1

＝2Lnf11C

2

＝2Lnf21C＝2m＝2[m＋1/2]m＝1,2,3,……則有：T1-3＝1，T1-4＝0f＝f1T1-3＝0，T1-4＝1f＝f2頻率間隔：fc

＝2nLC

＝(1

2)/(2nL)或：Fabry－Perot光纖濾波器(fiberFabry-Perotfilter)PZT光纖PZT光纖光纖PZT光纖光纖光纖F－P腔(a)(b)(c)光纖波導(dǎo)腔FFPF

光纖兩端面直接鍍高反射膜，腔長一般為厘米到米量級，因此自由譜區(qū)小?？諝庀肚籉FPF

腔長一般小于10

m，因此自由譜區(qū)較大。插入損耗也比較大。改進型波導(dǎo)腔FFPT

可通過中間光纖波導(dǎo)段的長度來調(diào)整其自由譜區(qū)，其光纖長度一般為100

m到幾厘米。FFPT一般用4個指標來衡量其性能：1、自由譜區(qū)(FSR,freespectrumrange)

光濾波器的相鄰兩個透過峰之間的譜寬