第四章-光纤简介.ppt

光纤简介 一 光纤的分类二 光纤的制造三 光纤的传输特性四 光纤器件五 特种光纤 一光纤的分类 光纤是由中心的纤芯和外围的包层组成的同轴圆柱形石英细丝 纤芯的折射率比包层稍高 损耗比包层更低 光能量主要在纤芯传输 包层为光的传输提供反射面和光隔离 并起一定的机械保护作用 一光纤分类 光纤是光导纤维的简称 其传输特性由其结构和材料决定 光纤的分类 1 按传输的模式数量 单模光纤只能传输一种模式的光纤 多模光纤同时传输多种模式的光纤 纤芯 包层 缓冲涂覆层 单模 纤芯直径2a 2 12 m纤芯 包层折射率差小 n1 n2 n1 0 0005 0 01 多模 纤芯直径2a 50 500 m纤芯 包层折射率差大 0 01 0 02 n2 n1 n2 n1 n2 n1 2a 2a r r a r 0 单模阶跃折射率光纤 多模阶跃折射率光纤 多模梯度折射率光纤 剖面折射率分布 2 按纤芯折射率分布 阶跃折射率光纤 梯度折射率光纤 3 按传输的偏振态 单模光纤可分为 a 非偏振保持光纤 非保偏光纤 b 偏振保持光纤 保偏光纤 单偏振光纤 高双折射光纤 低双折射光纤 圆保偏光纤 阶跃折射率分布 梯度折射率分布 a 纤芯半径 1 当 10时 趋近阶跃型当 1时 三角型 色散位移 当 2时 平方律分布 在石英光纤中 相对折射率差 折射率分布的表示 4 按制造光纤的材料分 1 高纯度熔石英光纤 传输损耗低 2 多组分玻璃纤维 纤芯 包层折射率可在较大范围内变化 易于制造大数值孔径的光纤 3 塑料光纤 成本低 材料损耗大 温度性能差 4 红外光纤 5 液芯光纤 纤芯为液体 6 晶体光纤 纤芯为单晶 可用于制作有源和无源光纤器件 近红外1 5 m 中红外 10 m 光缆 光缆可分为陆地光缆 海底光缆 野战光缆 陆地光缆又分为地下管道式 直埋式 架空式和高压地线式等 海底光缆分浅海式和深海式 光缆的特性1 温度特性温度升高或降低都会使光纤损耗增大 尤其在低温下工作 损耗增大更加明显 在零下55度 损耗急剧增大 低于零下60度 损耗趋于平坦 2 机械特性光缆的机械特性主要是指光缆的机械强度和寿命 光纤在成缆以前要经过强度测试 光缆在出厂以前 要经过一定条件下的拉伸 压缩 扭绞 弯曲 冲击等一系列测试 在测试后 光缆外套无丝毫损坏迹象 光缆的最大附加损耗应小于0 2dB km 陆地防潮光缆 抗张力430g 对1500米以内的海底光缆 要求抗张力860g 对1500米以上的海底光缆 要求抗张力1900g 光纤的Helmholtz方程 对折射率均匀分布的光纤 注意 1 只是说明是x y变量的函数 但在x y z方向上都有可能存在分量 2 的正负决定了解的性质 振荡解还是衰减解 纵向分量满足的方程 二层均匀光纤场解分析 折射率分布 场解形式 利用纵向与横向场解的关系式 可以得到横向分量解的表达式 特征方程 可以看出 模式场的解析式只有4个未知量 所以只需4个连续的边界条件 特征方程 光纤的设计1 多模光纤的设计通信用多模光纤标准尺寸 d 50 m D 125 m NA 0 20 0 23 1 0 1 3 用于短距离通信 若使用LED作为光源 需使用大数值孔径和大芯径的多模光纤 二光纤的设计和制造 2 单模光纤的设计单模光纤主宰了光纤市场 提高光纤性能 降低本征损耗 增大码速容量 增强抗弯能力 光纤的制造 过程 制作预制棒 拉丝 涂覆 1 制作预制棒MCVD 改进的化学汽相沉积法PVCD 等离子体激活化学汽相沉积法OVD 棒外汽相沉积法VAD 轴向汽相沉积法 MCVD法的特点 在石英反应管 趁底管 内沉积内包层和芯层的玻璃 整个系统处于封闭的超提纯状态下 MCVD法制备光纤预制棒示意图 掺杂试剂 第一步 熔制光纤的内包层玻璃 主体材料 液态SiCl4 掺杂试剂 CF2Cl2 SF6 C2F4 载运气体 O2SiCl4 O2 SiO2 2Cl2 2CF2Cl2 SiCl4 2O2 SiF4 2Cl2 2CO2 石英管内壁上形成SiO2 SiF4玻璃层 作为光纤内包层 掺杂试剂 第二步 熔制芯层玻璃 主体材料 液态SiCl4 掺杂试剂 GeCl4 载运气体 O2SiCl4 O2 SiO2 2Cl2 GeCl4 O2 GeO2 2Cl2 SiO2 GeO2沉积在内包层玻璃上 成为芯层玻璃 掺杂试剂 2 预制棒拉制成丝 预制棒由送料机构送入管状加热炉 石墨电阻炉 中 当预制棒尖端热到一定温度时 粘度变低 靠自身重量逐渐下垂变细形成纤维 纤维经由纤径测量仪监测并拉引到牵引辊绕到卷筒上 送料机构的速度必须与牵引辊收丝的速度相适应 拉丝速度一般为30 100米 秒 预制棒拉丝示意图 3 涂覆裸露在空气中的光纤容易断裂 所以为了提高抗拉强度和抗弯强度 需要涂覆保护层 一次涂覆 变性硅酮树酯 普通硅酮树酯二次涂覆 套塑 三光纤传输特性损耗 dB km 色散 ps nm km 非线性效应等损耗直接影响中继距离 色散将引起光脉冲展宽和码间串扰 最终影响通信距离和容量 因此 高速长距离信息传输 要求光纤具有低损耗和低色散 子午光线的传播 n0 n1 n2 子午面 通过光纤中心轴的任何平面 子午线 位于子午面内的光线 子午光线的入射光线 反射光线和分界面的法线三者均在子午面内 要使光能完全限制在光纤内传输 则应使光线在纤芯 包层分界面上的入射角 大于或等于临界角 0 即 或 sin 0 1 n2 n1 2 光纤的数值孔径 NA NA n0sin 0 光纤的特征参数 1 光纤的数值孔径 NA sin 0 NA n0 n1 2 2 归一化频率 V 2 a1 2 a1n1 2 3 衰减系数 10 L log Pi P0 dB Km 4 色散特性 相对折射率差 模间色散 模式色散 材料色散 波导色散 光纤的损耗 光纤的损耗 吸收损耗 散射损耗 杂质离子的吸收 过渡族离子金属 OH 离子 本征吸收 紫外吸收 红外吸收 制作缺陷 本征散射及其他 折射率分布不均匀 芯 涂层界面不理想 气泡 条纹 结石 瑞利散射 布里渊散射 喇曼散射 外界因素引起的光纤系统的损耗 1 弯曲引起的光纤损耗光纤的宏弯损耗微弯引起的光纤损耗 2 光纤和光源的耦合损耗 3 多模光纤和多模光纤的耦合损耗 4 光纤种类不同对耦合损耗的影响光纤芯径不同折射率不同 5 单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗 光纤的色散 在光纤中传输的光脉冲 受到由光纤的折射率分布 光纤材料的色散特性 光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的 延迟畸变 使光脉冲波形在通过光纤后发生展宽 1 多模色散 2 波导色散 3 材料色散 4 偏振模色散 色散一般分为4种 发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散 即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽 由于某一传播模的群速度对于光的频率 或波长 不是常数 同时光源的谱线又有一定的宽度 因而产生波导色散 由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散 一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式 若光纤的结构为完全的轴对称 则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度相同 即有相同的群延迟 故无色散 实际的光纤必然会有一些轴的不对称 因而两正交模有不同的群延迟 这种现象称之为偏振模色散 四光纤器件 光纤耦合器 当两光纤纤芯相互充分靠近时 通过包层中消逝场的互相渗透而产生光纤间能量的耦合 其中一部分变为传输模 这就使得功率可以互易地从一根光纤转换到另一根光纤中去 功率转移比由纤芯距离和相互作用长度决定 制作光纤耦合器的方法 熔拉法和磨抛法 磨抛型单模光纤定向耦合器 光纤与光源的耦合 光纤偏振控制器 利用弹光效应改变光纤中的双折射 以控制光纤中光波的双折射 当光纤在x z平面内弯曲时 由于应力作用 光纤折射率发生变化 n nx ny 0 133 a R 2 a 为光纤半径 R 为光纤弯曲半径 快轴位于弯曲平面内 慢轴垂直于弯曲平面 因此利用弯曲光纤的双折射效应 可以制成波片 对于弯曲半径为R的N圈光纤 如适当选择N R使得 n2 NR m m 1 2 3 则该光纤圈即成为 m波片 PZT 3dB耦合器 3dB耦合器 L L L 1 2 4 3 Mach Zehnder光纤滤波器 M Z的传输特性 T1 3 cos2 2 T1 4 sin2 2 若有两个频率分别为f1和f2的光波从1端输入 且f1和f2分别满足 1 2 2 2 2 m 2 m 1 2 m 1 2 3 则有 T1 3 1 T1 4 0f f1 T1 3 0 T1 4 1f f2 频率间隔 fc 2n L C 1 2 2n L 或 Fabry Perot光纤滤波器 fiberFabry Perotfilter PZT 光纤 PZT 光纤 光纤 PZT 光纤 光纤 光纤F P腔 a b c 光纤波导腔FFPF光纤两端面直接镀高反射膜 腔长一般为厘米到米量级 因此自由谱区小 空气隙腔FFPF腔长一般小于10 m 因此自由谱区较大 插入损耗也比较大 改进型波导腔FFPT可通过中间光纤波导段的长度来调整其自由谱区 其光纤长度一般为100 m到几厘米 FFPT一般用4个指标来衡量其性能 1 自由谱区 FSR freespectrumrange 光滤波器的相邻两个透过峰之间的谱宽 既是光纤滤波器的调谐范围 FSR 1 2 2 细度N细度定义为 FSR 为光纤滤波器透过峰的半宽度 3 插入损耗反映了入射光波经光纤滤波器后衰减的程度 损耗值为 10lg P2 P1 P1 P2分别为入射和出射光功率 4 峰值透过率 在光纤滤波器的峰值波长处测量的输入光功率和输出光功率之比 细度N的峰值透过率 的表达式 A 反射