第三章：光纤.ppt

第三章光纤 智能蒙皮 光学纤维胃镜 光纤传感器植入降落伞中 即时探测降落伞飞行过程中的动态应力变化情况 导电聚合物包敷的光纤传感器植入织物 用于战场上化学或生物物质的探测 塑料光纤传感器植入衬衣探测心率的变化 判断战场上士兵受伤部位和受伤程度 儿童和病人的日常健康监护 其他的应用 通信波段划分及相应传输媒介 频率Hz 光通信用光波载运信息 实现通信光纤通信以光波载运信息 用光纤作传输媒体 实现通信光纤通信的优点频带宽 信息容量大传输损耗低 无中继距离远材料丰富抗电磁干扰光纤间串话小 保密性好耐腐蚀 耐高压体积小 质量轻 光通信的发展过程 雏形 古代烽火 手旗 灯光 光纤的诞生 理想光传输介质的寻找 透明度很高的石英玻璃丝 叫做光学纤维简称 光纤 内窥镜一米衰减损耗很大 20世纪60年代1000dB Km 高锟于1966年解决了石英光纤损耗的理论问题 光的射线理论及光纤传光分析1 光的射线理论 1 直线传播定律光线在均匀介质中总是沿直线传播的 其传播速度为v c nc是真空中光速 n是均匀介质折射率 2 反射定律和折射定律光线经过两种不同介质的交界面时 会发生偏折 3 1概述 3 全反射定律光线从光密介质n1射向光疏介质n2时 若入射角 1满足以下关系 1 c arcsin n2 n1 则只有反射光 而无折射光 c称为全反射临界角 1 光纤导光原理光纤又称光导纤维 是一种导引光波的波导 它由纤芯和包层两部分组成 外面再加涂覆层以保护光纤 纤芯和包层是两种折射率不同的玻璃 设纤芯折射率为n1 包层折射率为n2 n1 n2 按照几何光学全反射原理 射线在纤芯和包层的交界面产生全反射 并形成把光闭锁在光纤芯内部向前传播的必要条件 即使经过弯曲的路由光线也不射出光纤之外 如图3 1所示 图3 1光纤导光原理 光纤 Opticalfiber 是由纯石英拉制而成的高度透明的玻璃丝 横截面很小的双层同心圆柱体 未经涂覆和套塑时称为裸光纤 光纤的结构 约束光的传输 形成光波导效应 保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤 同时增加光纤的柔韧性 1 按光纤折射率剖面分类 按光纤折射率剖面分为 1 阶跃光纤 其纤芯和包层折射率呈台阶型突变 目前 单模光纤多属此类 最早的多模光纤也属此类 2 渐变光纤 纤芯的折射率分布近似为抛物线型 又称梯度光纤 目前 多模光纤均为此类 3 其它型光纤 其它型光纤包括有纤芯呈三角型的三角光纤 还有双包层型 四包层型光纤 其包层折射率各层不同 上述几种类型均为新型单模光纤 但现已不强调其折射率剖面 只强调其性能 光纤的纤芯折射率剖面分布 光纤的分类 a 阶跃光纤 b 渐变光纤 c W型光纤 按折射率 阶跃折射率型 梯度折射率型按传输特性 单模 多模 单模和多模光纤结构示意图 光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径 一束光线以与光纤轴线成的角度入射到芯区中心 在光纤 空气界面发生折射 折射光与光纤轴线的夹角由斯涅耳定律决定 折射光到达纤芯 包层界面时 若入射角大于临界角时 将发生全反射 若包层折射率为 则定义为 式中 i和 r分别为空气和纤芯的折射率 所有的光线都将被限制在光纤芯中 这就是光纤导光的基本原理 1 突变型多模光纤 StepIndexFiber SIF 纤芯折射率为n1保持不变 到包层突然变为n2 这种光纤一般纤芯直径2a 50 80 m 光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播 特点是信号畸变大 带宽只有10 20MHz km 一般用于小容量 8Mb s以下 短距离 几km以内 系统 2 渐变型多模光纤 Graded IndexFiber GIF 在纤芯中心折射率最大为n1 沿径向r向外围逐渐变小 直到包层变为n2 这种光纤一般纤芯直径2a为50 m 光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播 特点是信号畸变小 渐变型多模光纤的带宽可达1 2GHz km 适用于中等容量 34 140Mb s 中等距离 10 20km 系统 3 单模光纤 Single ModeFiber SMF 折射率分布和突变型光纤相似 纤芯直径只有8 10 m 光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播 因为这种光纤只能传输一个模式 两个偏振态简并 所以称为单模光纤 其信号畸变很小 大容量 565Mb s 2 5Gb s 长距离 30km以上 系统要用单模光纤 根据常规单模光纤设计的特种单模光纤 1 W型光纤 这种光纤有两个包层 内包层外直径2a 与纤芯直径2a的比值a a 2 适当选取纤芯 外包层和内包层的折射率n1 n2和n3 调整a值 可以得到在1 3 1 6 m之间色散变化很小的色散光纤 Dispersion FlattenedFiber DFF 或把零色散波长移到1 55 m的色散移位光纤 Dispersion ShiftedFiber DSF 色散平坦光纤适用于波分复用系统 2 三角芯光纤纤芯折射率分布呈三角形 这是一种改进的色散移位光纤 这种光纤在1 55 m有微量色散 有效面积较大 适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用 是一种非零色散光纤 3 椭圆芯光纤纤芯折射率分布呈椭圆形 这种光纤具有双折射特性 即两个正交偏振模的传输常数不同 强双折射特性能使传输光保持其偏振状态 因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤 适用于外差接收方式的相干光系统 2 按传输模式分类 按传输模式和折射率剖面综合分类 如表3 1所示 表3 1光纤分类表 3 按光纤的材料分类 按制造光纤的材料来分类 如表3 2所示 石英光纤一般由掺杂石英芯和掺杂石英包层组成 通常用化学气相沉积法制成 这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散 有阶跃折射率和渐变折射率两种 适用于长距离 大容量传输 全塑光纤价格便宜 使用方便 适用于近距离 如几百米 但由于石英光纤也不是很贵 因此即使短距离 小容量 也逐渐趋向于采用石英光纤 光纤的种类 4 按ITU T 国际电信联盟远程通信标准化组织 建议文号分类 按ITU T建议文号 有G 651 G 652 G 653 G 654 G 655 G 65x及正在标准化的色散平坦光纤 它们的纤芯和包层剖面中折射率分布特性及特点见表3 3 表3 3光纤类型及其折射率分布特性 表3 3光纤类型及其折射率分布特性 表3 3光纤类型及其折射率分布特性 3 2光纤的传输特性 3 2 1光纤的衰减特性光在光纤中传播时 其强度或功率要发生衰减 称此为光纤损耗 它是用衰减 损耗 系数来衡量的 即 3 1 式中 L为被测光纤的长度 Pi为输入光纤的光功率 Po为输出光纤的光功率 光纤的衰减系数是度量光能在光纤中传输损失的重要参数 光纤通信工程中 长度为Li 衰减系数为 i的N段光纤相连接 则全长L为 3 2 总衰减为 3 3 式中 S为平均每连接点的损耗 y为连接点数 即便是在理想的光纤中都存在损耗 本征损耗 光纤的损耗限制了光信号的传播距离 这些损耗主要包括 1 吸收损耗2 散射损耗3 弯曲损耗 损耗 光纤损耗 图3 3光纤损耗的分类 吸收损耗可分为材料固有吸收和杂质吸收两类 都是材料中的粒子吸收光能产生振动发热所导致的 1 光纤的吸收损耗 原子缺陷吸收 由于光纤材料的原子结构的不完整造成 非本征吸收 由过渡金属离子和氢氧根离子 OH 等杂质对光的吸收而产生的损耗 本征吸收 材料本身 如SiO2 的特性决定 即便波导结构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在本征吸收 本征吸收 1 紫外吸收光纤材料的电子吸收入射光能量跃迁到高的能级 同时引起入射光的能量损耗 一般发生在短波长范围 固有吸收有紫外吸收和红外吸收两类 是材料本征特性所固有的 本征吸收曲线 非本征吸收 光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收 OH 吸收峰 2dB 解决方法 1 光纤材料化学提纯 比如达到10 9级的纯度 OH 和过渡金属离子 如铁 钴 镍 铜 锰 铬等 2 制造工艺上改进 如避免使用氢氧焰加热 汽相轴向沉积法 OH 吸收峰二次谐波在1 38 m附近 OH 吸收峰基波在0 72 m附近 原子缺陷吸收 光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动 光纤制造 材料受到热激励 结构不完善 强粒子辐射 材料共价键断裂 原子缺陷 吸收光能 引起损耗 散射损耗 光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象 1 瑞利散射 2 波导散射 散射损失以光能形式辐射能量 其中最主要的是瑞利散射 它与 4成反比 光纤的结构不完善 如有微气泡或折射率不均匀以及有内应力 也能使光纤产生散射损耗 吸收损耗和散射损耗均与传输光能的波长有关 图3 4示出了光纤损耗波长曲线 图3 4光纤损耗波长曲线 曲线中有几个衰减小的 传输窗口 0 8 0 9 m为短波长窗口 1 3 m或1 55 m为长波长窗口 瑞利散射损失曲线和材料固有吸收损失曲线相交形成 1 55 m处的最低损失窗口 衰减可达0 15dB km以下 瑞利散射 波导在小于光波长尺度上的不均匀 分子密度分布不均匀 掺杂分子导致折射率不均匀瑞利散射一般发生在短波长 本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值 波导散射 导致的原因是波导缺陷 纤芯和包层的界面不完备 圆度不均匀 残留气泡和裂痕等目前的制造工艺基本可以克服波导散射 标准单模光纤损耗曲线 掺GeO2的低损耗 低OH 含量石英光纤 OH 0 154dB km AllWavefiber AllWave 逼近本征损耗单模 本征损耗 OH 吸收损耗 常温且未暴露在强辐射下 弯曲损耗 宏弯 曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲 弯曲曲率半径减小宏弯损耗指数增加 微弯 微米级的高频弯曲 微弯的原因 光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果 造成能量辐射损耗 高阶模功率损耗 低阶模功率耦合到高阶模 3 2 2光纤的数值孔径NA数值孔径NA NumericalAperture 是衡量一根光纤当光线从其端面射入时 它接收光能大小的一个重要参量 如图3 5所示 从几何光学角度看 并不是所有从空气射向光纤端面的光都能在光纤中满足全反射条件而传播 图3 5光纤的数值孔径 只有位于入射光线与光纤轴线夹角为 a的圆锥体之内的那些光线 才能在光纤内满足全反射条件被光纤捕捉而形成传导模 位于这个圆锥体之外的光线 尽管也能入射到光纤中 但不能在光纤中形成全反射而传播 只能折射到光纤的包层形成辐射模 射入到空气中 数值孔径用来表示表征光纤对光线的接收角 其定义为 式中 n1 n2 n1表示光纤波导的芯和包层相对折射率差 通常 通信用光纤为弱导光纤 折射率差很小 即n1与n2相差很小 一般通信用多模光纤的 值约为1 如果入射光线所在介质为空气 n0 1 则NA值恒小于1 例如 n1 1 5 0 01 则NA 0 2 式中 n0为空气折射率 a为临界接收角 孔径角 当 a很小时 又n0 1 则NA 接收角 则阶跃光纤的数值孔径 NA n0sin a 3 4 渐变光纤的折射率分布一般可表示为 3 6 式中 a是纤芯半径 是折射率指数 一般 2 由于渐变光纤的折射率不是常数 因此在纤芯的各点上的接收角不一样 中心上接收角最大 ITU T建议采用这个最大点的数值孔径作为光纤的参数 定义 渐变光纤的最大理论数值孔径 3 7 式中 n1是光纤中心上的折射率 最大理论数值孔径在工程实用上测量很不方便 一般习惯采用强度有效数值孔径 强度有效数值孔径的定义 在光纤测试的远场辐射图上 强度下降到最大值的10 处张角的一半 如图3 6所示 即 NAe sin e 3 8 最大理论数值孔径NAtmax与强度有效数值孔径NAe的关系为 NAtmax 1 05 1 07 NAe 3 9 图3 6强度有效数值孔径NA 光波在光纤中传播 就是交变的电场和磁场在光纤中的传播 电磁场的各种不同分布形式叫做 模式 根据传输理论 引入特征参数V 称为光纤的归一化频率参数 其表达式为 3 10 式中 a为纤芯半径 m 为波长 m n1 n2分别为纤芯和包层折射率 若V 2 405 则只存在单一的传播模式 满足此条件的光纤称为单模光纤 当V 2 405时 为多模光纤 理论分析表明 若 2 405 阶跃折射率分布的多模光纤中 传播的模式总数为 3 11 渐变折射率分布的多模光纤中 传播的模式总数为 3 12 3 2 3光纤的色散特性 图3 7光纤传输中脉冲信号的畸变 色散的危害很大 尤其对码速较高的数字传输有严重的影响 引起码间串扰 使传输的信号带宽减小 即传输带宽能力降低 色散 脉冲展宽和频带宽度均反映光纤的同一传输特性 因此 色散特性是光纤的第二个重要特性 光脉冲信号经过光纤传输之后会发生脉冲畸变 它表现为脉冲展宽现象 如图3 7所示 一个冲激光脉冲在光纤中的脉冲展宽称为光纤的脉冲色散或脉冲分散 表3 4光纤的色散种类和特点 带宽与色散1 光纤带宽的概念光纤的频带特性与光纤的长度有关系 常用 带宽 距离 积来表示光纤的频带特性 其单位常使用MHz km或GHz km 2 影响带宽的原因 1 模间色散 定义同一波长光信号的不同模式成分之间的色散 称为模间色散或模式色散 模间色散只在多模光纤中存在 模间色散 多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致了模间色散 模式色散 1 阶跃光纤的模色散 阶跃型多模光纤模色散产生的脉冲展宽决定于最大时延差 M 在光纤中不是所有模式的光线均能在光纤内传播 只有小于光纤的全反射截止角 又称传输角 范围内的模式光线 才能在光纤内继续传播 把它们称为光纤的传输模 如图3 8所示 光线 是平行光纤轴直线传播的低次模 基模 光线 是折线传播的最高阶模 由于光在光纤中的传播速度为v c n 其中n为介质折射率 c为光速 故可求得光线 和光线 通过长度为L的光纤后的最大时延差 M为 图3 8光线在光纤中传播 3 13 式中 t1 t2分别为光线 和光线 经过长度为L的光纤到达终端的时间 v2为光线 对光纤轴向的传播速度 v1为光线 的传播速度 n1 n2 n1 2 渐变光纤的模色散 渐变光纤轴上折射率n1最大 光在轴上的传播速率v1 c n1最小 而在离开光纤轴距离为r处的折射率n r 小于n1 因此作曲线传播的光线的线速度v r c n r 必然大于v1 所以适当控制折射率分布指数 有可能使作曲线传播的光线与直线传播的光线同时到达光纤终点 一般 2时 渐变光纤的脉冲展宽模色散最小 此时光线在光纤中呈周期性会聚和发散传播 所以渐变光纤又叫自聚焦光纤 这种光纤的时延表达式推导过程比较复杂 其结果为 3 14 设纤芯折射率n1 1 5 0 01 2 对于L 1km的阶跃光纤和渐变光纤 分别用式 3 13 和式 3 14 求得 M分别为50ns和0 25ns 而当 2 22时可求出渐变光纤的 M 1km 2 6ns 可见 渐变光纤的模色散远小于阶跃光纤 而且当 2时 其模色散最小 因此 渐变光纤的 是一个重要的指标 定义同一个导波模式的不同光波长之间的色散 称为模内色散或色度色散 产生原因 光源光谱不纯 光纤石英材料的折射率不是一个常数 而是随光波长的增大而减小 波导结构与折射率分布等参量有关 使得不同路径光线之间的速度差是一个随传输路径变化的复杂函数 这三方面原因导致同一个导波模式的不同波长光线之间产生时延差 引起光脉冲展宽 模内色散 光纤材料对不同的频率成份折射率 传播速率 不同 1 材料色散光源辐射的光载波 不是单一频率 其总是占据一定的频谱宽度 材料折射率随频率而变化 因此 信号不同频率分量具有不同的传播速度 即经过不同的时延到达接收点 从而引起光纤的脉冲展宽 称为光纤的材料色散 材料色散引起的脉冲展宽可用下式表示为 m DL 8 15 式中 L为光纤长度 为光源半幅值谱线宽度 D为光纤材料色散系数 单模光纤中传播模80 能量在纤芯20 能量在包层 信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度 2 波导色散光源光谱不纯以及波导结构的影响 所产生的模内色散称为波导色散 波导色散在单模光纤和多模光纤中都能够存在 在单模光纤中 由纤芯内和包层中的光速差 造成的时延差 也属于波导色散 这种色散在芯径和数值孔径很小的单模光纤中才明显地呈现出来 但它并不是单模光纤中色散的主要部分 波导色散可表示为 w Dw L 10 3 ns Dw 材料色散系数 ps nm Km 光源谱线宽度 nm L 光纤长度 Km 上述三种色散即 1 模式色散2 材料色散3 波导色散 是产生色散的三个因素 3 偏振模色散偏振是与光的振动方向有关的光性能 光纤中的光信号传输可描述为完全是沿X轴上的振动和完全是沿Y轴上的振动或一些光在两个轴上的振动 如图3 9所示 每个轴代表一个偏振 模 两个偏振模到达的时延差称为偏振模色散 PMD PMD的度量单位为ps 光纤的PMD系数表示的单位为 图3 9光纤偏振模色散 3 3光纤的原材料选择 目前通信用光纤主要是用高纯度的玻璃 石英玻璃 SiO2 材料制成的 最纯的天然石英 因其含杂质多而不能在光导纤维中使用 还有一个原因是光学性能各向异性 nx ny nz 熔融石英又名人造石英 是制造光导纤维的主要原料 其特点是 熔融石英是非晶态的 也就是说 它不是一个晶体 它没有 熔点 在较高温度下变得比较柔软 一 超纯的熔融SiO2提取超纯的熔融石英玻璃通常利用气相沉积法取得 所用原料为SiCl4 GeCl4化学反应式为 熔融石英玻璃的折射率约为1 458二 熔融石英光纤的掺杂剂提取改变石英光纤折射率经常使用的掺杂剂有GeO2 P2O5 Ti2O2 Al2O3和B2O3 F等 掺杂剂所用主要原料为GeCl4 PoCl3 BCl3和SF6等 化学反应式为 掺杂剂除对折射率 线膨胀系数及材料提纯具有影响外 对光纤的传输性能及光纤的设计制作也都会产生作用 如图所示 利用掺杂变更石英玻璃的折射率 GeO2 P2O5 Ti2O2 B2O3SiO2玻璃线膨胀系数的差别 mol mol 是各向同性的介质 它的物理性能 1 不随方向而变化即nx ny nz 几个重要的物理参数是 密度 通常用 表示 2 20 g cm3 杨氏模量 用E表示 72500 N mm2 切变模量 用G表示 30000 N mm2 线性热膨胀系数 为 5 5 10 7 0K由于线性热膨胀系数极小 所以特别能承受温度的变化