（光学专业论文）毛细管光纤的连接耦合和传输特性研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的不断发展，微结构光纤开始走进工业的生产实践和人们 的日常生活当中，特别是在传感测量，医疗、刑侦、识别、传感等领域开始 发挥越来越重要的作用。其中，毛细管光纤由于其纤芯内部的空心结构，导 致了它具有一系列的特殊性能，从而构成了许多特殊的应用，拓宽了光纤的 应用范围。 毛细管光纤具有普通光纤的性能，因而光纤的基本原理和理论也适用于 毛细管光纤，且也具有普通光纤的一切应用性能。除此之外，与传统光纤相 比，毛细管光纤无论在结构上还是在光传输机理上有很大不同，具有特殊的 色散和非线性效应等特性，这些特性，使得毛细管光纤应用领域广泛，发展 前景广阔。 本文介绍了毛细管光纤的定义，分类，制备以及其光场模式理论，并讨 论了光纤连接方式和连接损耗，在单芯光纤和毛细管光纤熔接和耦合拉锥的 实验基础上，利用b p m 光束传输法建立了熔接和耦合拉锥的仿真模型，分 析了其耦合过程中的模场分布和光功率变化情况。 在所提出的仿真模型的基础上，我们以实验操作为参照，着重讨论了各 种参数的变化与耦合效率之间的关系，并提出了切合实际条件的各种参数设 置原则。 关键词：毛细管光纤：光束传输法；熔接：拉锥；耦合 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，m i c r o s t l l l c t l 玳d f i b e r sh a v eb e e nu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dp e o p l e sd a i l yl i f e ，w h i c hp l a y a ni m p o r t a n tr o l ei ns e n s i n g ， m e d i c a lt r e a t m e n t ，d e t e c t i v e ， i d e n t i f f c a t i o n ， m e a s u r e m e n ta n ds oo n d u et oi t ss p e c i a ls t r u c t u r ea n df e a t u r e s ，t h e c a p i l l a r y f i b e r sh a v eb e e nu s e di nm a n yf i e l d sa n dh a v eb r o a d e n e d t h ea p p l i c a t i o nf i e l d so f f i b e r s e x c e p ts o m ec o m m o np r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n sa st r a d i t i o n a l f i b e r s ， c a p i l l a r yf i b e r sh a v ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c si ns t r u c t u r ea n do p t i c a lt r a n s m i s s i o n m e c h a n i s m ，s u c ha ss p e c i a ld i s p e r s i o ne f f e c ta n dn o n l i n e a re f i e c t d u et om e s e c h a r a c t e r i s t i c s ，t h e c a p i l l a r y f i b e r sh a v ew i d e r a p p l i c a t i o n s a n db r o a d e r d e v e l o p m e n tp r o s p e c t s t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ed e f m i f i o n ，s o r t s ，p r e p a r a t i o n ，a n d o p t i c a lm o d e t h e o r yo fc a p i l l a r yf i b e r s ，o t h e r w i s ea n a l y z e df i b e r - o p t i cc o n n e c t i o nm e t h o d sa n d c o n n e c t i o nl o s s b a s e do nt h ee x p e r i m e n t so f s p l i c i n ga n dt a p e r i n gb e t w e e ns i n g l e c o r ef i b e ra n dc a p i l l a r yf i b e r ，w es t r u c t u r e ds i m u l a t i o nm o d e l s b yb p m m e t l l o d a n da n a l y z e dt h em o d ef i e l dd i s t r i b u t i o na n dt h ec h a n g eo fo p t i c a lp o w e rd u r i n g t h ep r o c e s so f s p l i c i n ga n dt a p e r i n g b a s e do nt h es i m u l a t i o nm o d e la n dc o n t r a s tt o e x p e r i m e n t a l ，w em a i n l v d i s c u s s e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ec o u p l i n ge f f i c i e n c ya n dd i f f e r e n tp a r a m e t e r s i na d d i t i o n ，。w ee s t a b l i s h e dt h e p r i n c i p l e so fv a r i o u sp a r a m e t e r ss e t t i n g k e yw o r d s ：c a p i l l a r yf i b e r ；b p m ；f u s i o n ；t a p e r ；, c o u p l i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用 已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 作者( 签字) ：暂譬镪 日期：训年占月f g 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：蕾乎詹 日期：加p 1 1 年6 月眩目 导师( 签字) ：粼 v 口歹年6 月纱日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 特种光纤的分类及应用概述 相对于常规通信光纤而言，只要该光纤在结构材质或制造工艺等诸多 方面的某一点有别于常规通信光纤，都可称其为特种光纤。对于特种光纤 可以有各种不同的分类方法。按结构分类可以分为单芯光纤、双芯光纤、 多芯光纤、螺旋光纤、毛细管光纤、液芯光纤等等；按材质分类可以分为 石英光纤、塑料光纤、晶体光纤等等；按用途分类可以分为传能光纤、光 学医用光纤、照明光纤等等；按所传输的光波分类可以分为紫外光纤、红 外光纤、中红外光纤等等。另外，还可根据所传输的光偏振态之不同以及 是否掺有稀土元素分别称之为保偏光纤、非保偏光纤、有源光纤、无源光 纤等等- 】。下面我们介绍几种特种光纤的特点以及应用。 保偏光纤，亦称高双折射光纤。此类光纤是人为地对纤芯几何形状或 折射率分布的对称性造成很大的差异，使得x 方向和y 方向的二个偏振模 式之间具有相当大的传输常数差，也就使二个模式之间的交叉耦合系数变 得相当小，于是，光纤就能在长距离上保持原有的传输偏振态。光纤陀螺 等干涉型光纤传感器及相干光通信系统的应用研究对保偏光纤提供了新的 应用前景。在保偏光纤的实际应用中，保偏光纤连接技术是保偏光纤应用 系统能否实用化的关键技术。 螺旋光纤，这种光纤在结构上与普通光纤有很大不同，它的纤芯不在 整个光纤的中心部位，而是位于十分靠近圆周的地方。它需要采用一种特 殊的工艺方法去制造光纤预制棒，并在拉丝的过程中，预制棒要进行高速 旋转、旋转速度要非常高。由于纤芯位于光纤的边沿，再加上拉丝时进行 了高速旋转，所以，纤芯在光纤中沿纵向呈螺旋状，称为“螺旋光纤”。 图1 1 所示为螺旋光纤的结构示意图。有人将它用来制光纤电流传感 器。螺旋光纤的纤芯相对于光纤的横截面，并不是垂直的，因此光的注入 就相当困难，这在很大程度上影响了它在应用上的广泛性。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图1 1 螺旋光纤结构不意图 光子晶体光纤( p h o t o n i cc r y s t a lf i b e rp c f ) ，又称多孔光纤或微结构光 纤，以其独特的光学特性和灵活的设计成为近年来的热门研究课题。独特 的波导结构，灵活的制作方法，使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许 多奇异的特性，有效地扩展和增加了光纤的应用领墒】。例如空心光子晶 体光纤可以广泛应用于光传输，脉冲整形和压缩，传感光学和非线性光学 等方面；高非线性光子晶体光纤特别适合于采用掺钛蓝宝石激光或n 分+ 泵 浦激光为光源的超连续光发生器；宽带单模光子晶体光纤是真正意义上的 单模光纤，主要用于空间单模场宽带辐射传输，短波长光传输保偏光子晶 体光纤主要用于光传感器、光纤陀螺和干涉仪；超连续光谱发生器光子晶 体光纤有较好的色散系数，主要应用于光子学设备的测试、低相干白光干 涉计、光相干摄像和光谱学中t 6 】，大数值孔径多模光子晶体光纤，主要应用 于白炽灯或弧光灯光的传输、低亮度泵浦激光的传输以及光传感器1 7 l 。 塑料光纤已被广泛用于传感器、照明和装饰等方面，但一直没有在电 信行业中得到广泛的应用。塑料光纤与玻璃光纤相比，其毫米级的尺寸使 它在安装处理和接续方面都比较容易，其连续制造过程使生产费用低廉。 它所不能广泛用于通信业，是因为它的高损耗、低带宽造成的。 近年来，随着全氟化塑料的应用和渐变折射率塑料光纤的开发，已经 在实验室内得到了衰减低到5 0 d b k m ( 1 3 0 0 n m 波长) 数量级的渐变折射率 塑料光纤，这比原先的聚甲基丙烯酸甲酯塑料光纤的损耗有显著的改进。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 带宽也从2 0 m h z k m 增加至1 2 g h z k m 。另外，通过在聚合物基体中掺入 小掺杂分子，渐变折射率分布的可重复性得到了改善。这样，把塑料光纤 作为局域网中数据传输用的大带宽媒介也就有了可能；再有，通过耐热塑 料光纤的开发，使其在汽车行业的应用也有十分广阔的前景【8 】。 紫外光纤，顾名思义，就是要求它在紫外光波能有较低的损耗。然而， 一切介质材料都具有很强的电子吸收带。光纤的介质材料s i 0 2 、掺杂物和 不纯净物同样也具有很强的电子吸收带，而电子吸收带形成的光传输损耗 又正好是落在紫外光波段。所以，要想让光纤在紫外光波段的光传输损耗 降下来，困难是很大的，在制造工艺上要做出许多新的改进。现在已较为 成功的方法有高o h 根法、经特殊处理的石英管套法等。 1 2 毛细管光纤的发展现状与应用前景 1 2 1 国内外研究进展 自从1 9 8 1 年h i d a k a t g - , o j 首次提出红外空- t l , 光纤的思想以来，空心光纤 的发展受到国际国内学者们的普遍关注，在高能激光传输领域逐步掀起了 竞相开发空心光纤的热潮。具有环形波导层的毛细管光纤有三种主要的形 式：第一种为高折射率波导层处于内壁，称为内壁波导型毛细管光纤；第 二种为高折射率波导层处于外壁，称为外壁波导型毛细管光纤；第三种为 高折射率波导层处于外壁和内壁之间，称为壁中波导型毛细管光纤。 毛细管光纤具有普通光纤的特性，因而光纤的基本原理和理论也适用 于毛细管光纤。由于毛细管光纤纤芯内部的空一t l , 结构，导致了它具有一系 列的特殊性能，从而构成了许多特殊的应用，拓宽了光纤的应用范围。1 9 8 3 年，美国的g i u l i a n i 等人用一个带有染色剂的小型玻璃质毛细管光纤成功实 现了空气中的氨浓度的检测l ，为毛细管光纤在传感测量领域的应用开创了 先河。 2 0 世纪9 0 年代以后，毛细管光纤在传感测量领域的应用取得了突飞猛 进的成果。1 9 9 3 年，k u s e l m a n 等人将多孔溶胶凝胶硅粉注入到毛细管光 纤，其所用硅粉是掺杂了带有颜色的分析物络合剂，然后根据颜色发生变 化的毛细管的长度来测量分析物浓度【1 2 l 。1 9 9 4 年，澳大利亚的研究小组利 用毛细管光纤制作了一种很有广泛应用前景的传感器【】，该传感装置将c 0 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 气体或者氨当作毛细管的内包层，利用气体和化学试剂所发生的颜色反应 现象，可以精确测量空气中的c 0 2 含量或者环境中氨气的含量，该装置除 了用于吸收测量，还可以用来测定传感层中液体折射率的改变。在毛细管 光纤空心腔内填充液体后，光在光纤中的传播就会因液体和毛细管光纤内 壁接触面的不平及液体本身的性质等因素影响传光的效率，这种影响与空 心腔内注入的液体性质有关【1 4 1 ，可以认为毛细管光纤传光损耗与空心腔内液 体的折射率成一定的比例关系。基于这个原理，在毛细管光纤没有涂覆层 包裹的情况下，将样品注入空心腔，其折射率便可得到测量。如果将此传 感装置进一步优化设计，可用于血液或其他生理液体的测量。 利用空心光纤，人们还可以实现对原子的导引作用。1 9 9 2 年，l e t o k h o v 等人提出了应用空心光纤来导引原子，简称空心光纤原子引导【”1 。导引激光 束在光纤壁里传输时，光场在空心区域内产生倏逝场，原子在空心区域内 运动时受到倏逝场梯度力的作用，通过调节导引光束的频率来控制原子的 运动。依据原子在倏逝场中所受偶极力的性质，通过理论计算可知，空心 光纤原子导引，不仅能在铅直光纤中进行，而且还可以在一定弯曲光纤中 进行。自从l e t o k h o v 等人提出了空心光纤原子导引理论以来，几个科研小 组相继报道了在不同实验条件下实现了对热钕原子运动的控制作用陋侈l 。其 中较有代表性的是：1 9 9 7 年，i t o h 等人报道了利用空心光纤实现对热钕 原子运动的控制试验。空心光纤原子导引实验上的实现，为人们对原子行 为的深入了解和探究提供了一个行之有效的手段，同时它还是分离同位素 的一种新的方法 2 0 】。 除了应用于传感测量和原子导引领域，利用毛细管光纤的特殊结构， 国内的很多研究单位在材料检测、诊断和修复方面取得了卓有成效的成果， 南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室利用空心光纤注胶 实现了复合材料的自诊断、自修复功能 2 1 - 2 2 1 。 他们将空心光纤、形状记忆合金( s m a ) 丝分别组成网络埋入复合材料， 其结构如图1 2 所示。图1 3 所示为结合测控系统构成的智能结构自诊断、自修 复系统。 在系统中，空心光纤既充当传感元件，又充当结构损坏时的修复元件。 复合材料结构的形变会使空心光纤传感网络输出的光强发生变化，通过光电 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 转换、信号放大以及计算机数据采集系统，结合对复合材料结构力学性能的 具体分析结果、图像处理及数据处理方法等，可判别出结构中的损伤情况及 结构受到载荷的大小和作用位置，实现损伤的初步预报。 lill ii tli ll lllil 一 _ 4中一- 。- 叶。1 一 l 一4 , - 一- i - 一- - 4 1 i d- q 一一 一毒- - 毒_- _ _ l _- _ | 一- 一o - 1 j j 1 一 i1i1l j - - j l - l _j 1 i 1il iili lll i il j 图1 2 复合材料结构 一一一形状记忆合金网络 图1 3 空心光纤自诊断，自修复系统 一旦损伤发展至报警临界点时，空心光纤将断裂，利用空心光纤断裂处 的光反射和光纤损耗可以得到复合材料断裂的具体位置。同时向注胶器的控 制系统发出信号，利用空心光纤将自修复胶液输送至结构的损伤处对结构进 行快速自修复。在系统检测到损伤发生的同时激励s m a 丝使其收缩，减小了 断裂处的间隙，从而使复合材料结构在生产局部断裂破坏时仍可在工作情况 哈尔滨工程大学硕士学位论文 也有利于胶液的固化，从而提高了自修复的质量。 1 2 2 毛细管光纤的应用前景 毛细管光纤是光纤光学的一个新兴的研究领域，与传统的光纤相比， 无论在结构上还是在光传输机理上有很大不同，具有特殊的色散和非线性 效应等特性，如自相位调制、无限波长单模传输、大模场面积单模传输、 理想的色散可控、空心导光、空心传能和超低损耗、超长距离传输等。这 些特性，使得毛细管光纤应用领域广泛，发展前景广阔f 2 3 1 。 利用毛细管光纤的空心结构，还可以实现液体折射率的测量。我们在 空心处填充待测量的液体，不同的纤芯填充物对毛细管光纤的传光性能有 着不同的影响，使得输出光强出现显著的差异。可以认为：毛细管光纤传 光损耗与纤芯内液体的折射率成一定的比例关系，进而实现纤芯内液体折 射率的测量【冽。 1 3 本课题的研究目的及实现方法 综上所述，毛细管光纤现已广泛应用于传感领域和测量领域，但目前 国内外对于毛细管光纤和其他结构光纤连接耦合的研究并不是很多，其相 关的理论和许多问题还处于探索和试验阶段，没有相关深入的报道，但已 有很多专业人士开始注意这一领域。 基于此，本课题以毛细管光纤的连接耦合和传输特性为目标，从理论， 实验和仿真三个方面着手，研究并分析了单芯光纤和毛细管光纤熔接和拉 锥后的光场分布特性和光功率变化情况。第二章主要介绍毛细管光纤的定 义，分类，制备及其模场分布特性；第三章介绍了光纤之间的连接方式和 连接损耗，在单芯光纤和毛细管光纤熔接后拉锥的实验基础上，提出了相 应的耦合连接原理图。第四章用光束传输法( b p m ) 建立了单芯光纤和毛 细管光纤熔接和拉锥的数值仿真模型，分析了其耦合过程中的模场分布和 光功率变化情况，重点讨论了多种参数的变化对于耦合效率的影响，并提 出了切合实际的多种参数设置原则。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章毛细管光纤的基本原理与制作 毛细管光纤和普通光纤一样，是具有纤芯、包层和涂敷层的高纯度多 模阶跃型石英玻璃光纤，其结构是具有多层介质的对称圆柱体。具有环形 波导层的毛细管光纤与普通标准单模通信光纤相比，其主要特征在于该光 纤带有一个中心空气孔的毛细管，沿着毛细管的径向，其波导层的折射率 分布较高，导波光主要沿着该波导层进行传输。 2 1 毛细管光纤定义与分类 根据高折射率波导层的位置不同，具有环形波导层的毛细管光纤有三 种主要的形式，一种为高折射率波导层处于内壁，称为内壁波导型毛细管 光纤；第二种为高折射率波导层处于外壁，称为外壁波导型毛细管光纤； 第三种为高折射率波导层处于外壁和内壁之间，称为壁中波导型毛细管光 纤【2 ，】。 图2 1 所示为三种形式毛细管光纤的结构示意图，其中1 为空气腔，其 折射率疗为1 ，2 为包层，3 为高折射率的波导层。 3 ( a ) 内壁型 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 ( b ) 壁中型 3 ( c ) 外壁型 图2 1 毛细管光纤结构示意图 对于内壁毛细管光纤来说，其空心直径2 口和环形波导层外径2 6 的大 小决定其波导层的厚度，图2 2 所示为内壁型毛细管光纤的截面图。 图2 2 毛细管光纤的横截面结构图 由图可见，内壁毛细管光纤纤芯波导层厚度d = b a ，光能量主要在折 射率较大的纤芯内传播，光纤波导层的厚度和折射率的大小对光能量的传 输质量具有很大的影响。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 毛细管光纤的制备 毛细管光纤由包层、光波导层、中心空气孔组成，包层由高纯石英基 管和阻挡层组成，光波导层沉积在阻挡层的表面，其中阻挡层的折射率略 小于基管的折射率，波导层的折射率大于基管折射率，阻挡层是由掺杂f 和p 离子的石英材料构成，波导层由掺杂g e 离子的石英材料构成，包层、 光波导层及中心空隙构成了环形的波导结构，传导光在波导层中传播。 经过不断地尝试和探索，哈尔滨工程大学光子科学及技术实验室提出 了一种创新的方法来制备具环形波导层的毛细管光纤。该方法以高纯石英 管为基管，先设计具有阶梯型的两个端帽，其中左端帽阶梯上开有一圈气 孔，右端帽除了在阶梯上开有一圈气孔外，在中心也开有一圆孔；然后将 双层石英管架设于该装置中，使得两层石英管之间形成一个环型沉积腔， 图2 3 所示为双层石英管架设装置示意图，图中，l 一外圈气孔，2 一中心气 孔。 2 ( a ) 左端帽 ( b ) 右端帽 图2 3 双层石英管架设装置示意图 接下来采用高温石墨炉作为加热元件和质量控制阀精确控制各路气 体( s f 6 、p o c l 3 、0 2 、s i c k 、g e c l 4 ) 流量，通过m c v d 过程，在外层石 英管的内壁和内层石英管的外壁依次沉积阻挡层和高折射率芯层。沉积完 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 成后，将石英管收缩到预定尺寸即得管式预制棒，图2 4 所示为双层套管式 层间m c v d 预制棒工艺示意图。 图2 4 双层套管式层间m c v d 预制棒工艺示意图 图中l 一中心气孔，2 床头，卡盘，3 石英外套管，4 石英外套管，5 环形沉袄 腔，6 双层石英管架设装置右端帽，7 一双层石英管架设装置左端帽，8 一原料进气端， 9 一玻璃机床床身，l o 一高温石墨炉，1l 一废气排除端 采用这种双层套管式层间m c v d 的预制工艺，可以一次制备出内壁波 导型和外壁波导型两种管式预制棒或壁中波导型管式预制棒，大大提高了 波导层毛细管光纤的制备效率。此外，利用此装置来制备预制棒，由于把 高温石墨炉作为加热元件，因此可以自由、方便的调整管式预制棒的尺寸 大小及沉积层厚度，从而满足所拉制光纤的参数需要，具有操作简单和重 复性好的特点。 管式预制棒制作完毕之后，通过拉丝塔，并配合加压或抽气装置，就 可以拉制成具有中心孔的环形波导层毛细管光纤。 该方法提供了一种具有环形波导层的毛细管光纤预制棒制备方法及其 制造技术，以实现毛细管光纤同时具有传导光波信号，且中心孔可以作为 输运物质通道的功能；此外，该种光纤可以与普通标准单模光纤进行连接， 且能在一些特殊环境中使用。该方法制备过程简单，制得的毛细管光纤外 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 径及芯径可控，质量均匀，此外，该技术拓宽了毛细管光纤的种类，特别 对具有波导层结构的毛细管光纤制备方法而言，大大提高了光纤的制备效 率。 2 3 阶越型光纤的理论分析 光纤按折射率分布的不同，分为阶跃型和渐变型两种。其中，阶跃型 光纤是纤芯折射率分布为常数，包层折射率分布为常数，z ，的最常用的一 种光纤，光线在纤芯与包层界面处以全反射的方式传播。阶跃型光纤有以 下一些理论分析方法陋2 7 1 。 2 3 1 光纤偏射线传播特性的分析 光线在阶越光纤纤芯内是沿直线传播的，当光纤到达纤芯与包层界面 时，按s n e l l 定律发生反射和折射。在一定条件下，光线在界面上发生全反 射，则在纤芯内形成沿折线路径传播的束缚光纤。光纤中的光线由于入射 方向的差异，分为两种情况：一种是传播路径与光纤轴线相交的光纤，称 为子午光线；另一类光线其传播路径不与光纤轴相交，称为偏斜光线，即 偏射线，其传播路线如图2 5 所示。在纤芯半径为a ，折射率为，包层外 半径为b ，折射率为n ，的光纤内传播的射线中，偏斜射线要占绝大部分。 ( 1 ) 偏射线的几何形态及其散焦面 q ( a ) 偏斜光纤的传播路径 珂2 ( b ) 偏斜光纤在横截面内的投影 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( c ) 光纤中光线传播的坐标 图2 5 偏斜光纤的传播路径及其在横截面内的投影 偏射线投射到纤芯与包层界面上的入射角口、入射线和反射线与光纤 轴线的夹角易，及这些射线在光纤横截面内投影所对应的弦切角先。均保 持不变，即：c o s o ! = s i n s i n 。 满足传导条件的偏射线只能在偏射线这一空间折线位于光纤横截面内 投影的等长度的弦线相切的圆柱面( 即散焦面) 及光纤纤芯与包层界面所 限制的区域内传播，不能到达散焦面内的区域。散焦面的半径岛。= a c o s 。 对子午射线，弦切角岛= 9 0 。，此时，散焦面的半径氏= 0 。 ( 2 )偏射线的截止条件、分类及其射线本征方程 光线在界面上发生全发射的临街入射角记为口，根据s n e l l 定律，则有 s i n c r 。= n ，当口 口。，则偏斜射线就会发生全内反射。因此，偏斜射 线成为传导射线的条件是：口 口。，0 o z o o ，且须满足“横向谐振”的 条件( 射线本征方程) ： f ：! 长j 砰一【( v 夕) 2 + f 他a p + q , p = 肛 ( 2 1 ) 其中，o o + 吼= 万2 ，k ：为轴向分量，v 为常数，丸是光波传输时在空间和 界面反射中积累的相移，九= k o n 、s ，而惕j 是光线在纤芯中行经的光程长度， k o 是自由空间中平面波的传播常数。 凡不能成为传导射线的偏射线，称为处于截止状态的偏射线。偏射线 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的截止条件为：口 口。或皖 皖 n 1 2 。 ( 3 ) 偏射线的数值孔径 n a = s i n = ( 砰一鹰) 2 f ( p ，；伊) ( 2 - 2 ) 其中，为最大初始入射角，在厂 哦( y 角表示初始入射偏射线在光纤 端面上投影的延线和纤芯与包层的界面相交时所构成的弦线的弦半径角) ， 当夕= 0 或= o 的情形下，偏射线就变成了子午射线，此时， f ( p ，丸，) = l ，n a = n a ：。在一般情况下，n a a 的包层区域内，l p 模电磁场各分量为： 卜碍= o ；气o = 2 a ( 伽u ) 器k ( 跏) s i n 巾 卜础砸似，器“驯咖毗3 8 ， 卜么罟器( 即a ) c o s ( u + 1 ) t p - b ( 即a ) c o s ( o - 1 ) a l 霹= 烈芳去黔k + i ( 即a ) s i n ( u + 1 ) 缈+ 瓦- l ( 即a ) s i n ( o - 1 ) q o 从而可求出光强在纤芯和包层区域内的分布为： f s = ( 2 f l a u ) 2 z a a 式2 ( 劬口) s i n 2 甲，p a 1 s = ( 2 f l a u ) 2 耐( 器魍( 即a ) s i n 2 垆，舢心1 经过上述的组合，在忽略e h v - l ，。和皿_ i 。模式纵向传播常数间的微小 差别的情况下，光强具有稳定的偏振方向和分布状态。实际上，考虑这一 微小差别时，光强分布和偏振状态均会随方向轴( z 轴) 缓慢的周期变化。 2 4 多模光纤的传输特性 光纤的侍输特件丰喜县指光信息存光纤中传播时光碣的衰减和光赋冲 哈尔滨工程大学硕士学位论文 展宽的特性。这是光纤的两个重要特性，衰减特性在很大程度上决定着光 纤通讯系统无中继的最大传输距离。 光脉冲展宽在很大程度上决定着系统的最大传输距离，因为光脉冲展 宽的程度是随着传输距离而增加的，当传输距离足够远时，一个光脉冲就 会和邻近的另一个光脉冲发生重叠，或者在传输距离一定的情况下，由于 光脉冲在传输中发生展宽，使发送端的光脉冲频率不能太高，它在很大程 度上限制了光纤通讯系统信息的传输容量。 2 4 1 光纤的损耗特性 光功率在光纤中传播时有一部分要辐射到光纤外面或在光纤内部被吸 收而损耗掉，这就是光损耗。产生的主要原因有： ( 1 ) 吸收损耗( 本征吸收损耗) 当光波通过任何透明物质时，都要使组成这种物质的分子中不同振动 状态之间和分子中电子的能级之间发生跃迁。在发生这种能级跃迁时，物 质吸收入射光波的能量引起吸收损耗。 当光波波长满足条件五= h c ( f 吃一巨) 时，吸收损耗尤其严重，其中h 为常数。光纤中的吸收损耗主要是由玻璃材料的基本成分s i o ，在受光照射 时产生电子能级间和分子振动能级间的跃迁。 光波在光纤中传播时吸收损耗的另一个重要原因是由材料中含有的少 量的过渡金属离子引起的，并与波长有关。杂质吸收损耗的大小与含过渡 金属离子和水分杂质的浓度有关。 ( 2 ) 散射损耗( 瑞利散射) 任何物质均由原子和分子组成，均可视为比光波波长小得多的微粒， 光波投射到这些微粒上必引起光反射；另外，光纤材料内部因在制备过程 中的熔融及冷却过程必然导致其密度的不均匀性。密度的随即起伏导致折 射率分布的起伏，这种折射率起伏的尺寸甚至小于光波波长。折射率的不 均匀必然导致对光波的散射，散射导致光信号能量的损耗，这种与光波波 长尺度相当的不均匀性对光波的散射称为瑞利散射。瑞利散射导致的损耗 系数可以表示为 = c a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 式中的常数c 在0 7 0 9 岬4 d b k m 范围，在0 8 岬处，已达 2 d b k m ，所以瑞利散射是限制通信波段短波长的主要因素。在1 5 5 9 m 处 在o 1 2 - - - 0 1 5 d b k m 范围内。当然波长更长时会进一步减小，但红外吸 收损耗则会迅速增加【2 9 】。 ( 3 ) 辐射损耗 造成辐射损耗的原因主要为：光纤制造时不可能是纤芯与包层界面是 一理想的圆柱面，微小的起伏使光纤内部形成微小的波导结构不均匀性， 从而产生了模式间的相互交换，一些传导模式在纤芯中的传播就有部分功 率变换成辐射模而泄漏到纤芯外面，引起光损耗。 在使用中，光纤侧面会受到不均匀的压力，致使光纤的轴线发生周期 性的微米级的弯曲( 称为光纤的微弯) ，使损耗增加，周期性的微弯还会引 起传导模式和辐射模式间的反复耦合，致使传导模的部分功率辐射到纤芯 外面。光纤受到宏弯曲时也会产生辐射损耗。 2 4 2 多模光纤的色散特性 光脉冲在光纤中传播，不仅其形状要发生畸变，而且持续时间也要展 宽，这就是光纤的色散，光纤色散主要有以下两个原因： 一是产生光脉冲的光源不是单色光，而是一个以某一波长儿为中心的 并具有一定谱宽的多色光。光脉冲的带宽主要取决于光源的带宽。另一方 面，由于光纤材料的色散效应( 材料色散) 、光纤结构的波导效应( 波导色 散) 和各模式纵向传播常数的差异，使得一群光脉冲中的每一个分量都以 自己特有的群速度( y 。= d r 妙d f l ) 沿光纤轴向传播。 对于某一确定长度三的光纤各分量达到终点所经历的时延也不同。因 而使输出光脉冲信号相对于输入光脉冲信号产生了波形畸变和持续时间加 宽的现象( ，= l v 。= l d 缈彬) 。在载波频率相同但模式不同的光脉冲分 量之间的时延差引起的脉冲加宽称为模间色散。 对多模光纤，模间色散占主要成分。光纤色散特性的评估方法有脉冲 响应法、基带频率响应法。 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 多模阶跃型空，心光纤理论及传输特性 标准光纤的原理和理论适用于空心光纤的纤芯与包层界面处，但由于 空心光纤的纤芯内部是空心的，其表面不具有包层和涂敷层，此处可应用 泄漏型光波导的传光机理。因而，空心光纤理论和传输特性都具有双重性。 2 5 1 光在纤芯与包层界面处传光机理的分析 利用2 3 1 节有关偏射线传播特性来简要地分析射线传播特性来简要地 分析射线在空心光纤中的传输。为简化起见，先讨论弦切角为9 0 。的子午 光线的传播情况。 ， 、j 、 ：仝& 一i 二l 、 i x 、 夕 ! 图2 6 子午光线的传播 由2 3 1 节可知，子午光线具有的数值孔径最大，不存在散焦面，而且 投射到纤芯与包层界面上的入射角口与射线和光纤轴线的夹角良的和为 9 0 。，如图2 6 示。 当口大于临界角口。( s i n t z 。= 他) ，且0 包、 七 子 一 ，v n m 砰 绗 z 一 2 罗 妒 舻 一 h 2 砰 一卜_ h 卜 锄 姗 | 孝 鼍喜 哈尔滨工程大学硕士学位论文 位于同一平面，它们在界面处每次反射后都会沿光纤轴向( z 方向) 向前传 播一定的距离，是一些空间螺旋折线。弧矢光线和子午光线类似，满足一 定的条件，也会在光纤中产生全反射。 另外，前面章节中有关阶跃型多模光纤的射线色散、阶跃型多模光纤 的电磁场理论、阶跃型光纤的模式场以及阶跃型光纤模式场功率流的分布 等都同样适用于分析光线在空心光纤中以及纤芯与包层界面处的传输，但 对于纤芯与空心处的界面同样也不适用。 2 5 2 光在纤芯和空心界面处传光机理的分析 由2 5 1 节的分析中可知，只有在满足一定的条件下，光线才具有在光 纤中传输的特性。不满足条件时，光线的传播就不能正常进行或会产生很 大的衰减。泄漏波就是这种传播方式的一例，因此，泄漏波总是有损耗的。 利用2 3 3 节的理论可以详细地探讨纤芯与空心界面处的传光机理。为 了更好地了解泄漏波的特性，我们应用此节的理沦探讨特殊模式场的本征 值方程，并在此基础上来详细探讨泄漏模式的传光机理。 从简化理论推导描述的角度出发，采用如图2 5 所示的平面直角坐标 系，并假设y 方向没有变化。这实际上并没有限制模式描述的普遍性，因 为对任何给定的模式总能在y o z 平面内旋转坐标系使所需条件得以满足。 光线的传输可近似地看成为射线与光纤轴平行的传播，这样的电磁波 是以电场和磁场相混合的方式向前传输的，它在光纤中的纵向分量丘和见 之很微弱，而横向分量e 和。很