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第1章绪论 第1章绪论 1 1光纤制备与应用的发展 1 1 1光纤的结构光纤一般是由纤心 包层 涂敷层及护套构成的 是一个多层介质结构的对称圆柱体 其基本结构如图1 1所示 图1 1光纤的基本结构纤心一般是由某种类型的玻璃或塑料制成的圆柱体 其直径约为5 85 m 1 1光纤制备与应用的发展 包层是环绕纤心的圆柱形套层 可以是一层或多层 由特性与纤心不同的玻璃或塑料制成 其折射率略小于纤心折射率 涂敷层是一种涂料的敷层 其作用是保护光纤不受外来的损害 以增强光纤的韧性 护套是由塑料制成的圆形保护套 用来维持光纤的机械强度 1 1光纤制备与应用的发展 1 1 2光纤发展史光纤自1841年由DanielColladon通过实验发现了光线能够沿着盛水的弯曲通道而传播以来 经历了一百多年的发展 参见表1 1 现已经是通信的主要干线 此外 各种特殊需要的光纤也应运而生 目前已有几十种 1 2光纤通信技术的发展 1 2光纤通信技术的发展 1 2 1通信系统的组成所谓通信 从广义上讲就是信息从发信者传输到收信者的过程 消息是用以载荷信息的有次序的序列或连续的时间函数 前者称为离散信息 后者称为连续信息 通信系统中传输的具体对象是消息 这种传输利用通信系统来实现 完成通信过程的全部设备和传输媒质 称为通信系统 1 2光纤通信技术的发展 19世纪末迅速发展起来的以电信号 或光信号 为信息载体的通信系统 称为现代通信系统 通信系统的一般模型如图1 2所示 图1 2通信系统的一般模型 1 2光纤通信技术的发展 信源的作用是产生 形成 消息 信源分为模拟信源和数字信源 发信机的作用是将消息变换成适于在信道中传输的信号 信道是将信号从发信机传输到收信机的媒质或途径 收信机的作用与发信机相反 完成解调 解码等任务 将信号转换为信息 信宿的作用是将复原的原始信号转换成相应的信息 是传输信息的归宿点 1 2光纤通信技术的发展 1 2 2通信系统的分类通信系统有多种分类方法 1 按传输媒质的不同进行分类可分为有线通信和无线通信两大类 2 按通信业务和用途进行分类可分为常规通信和控制通信等 3 按传输信号的特征进行分类可分为模拟通信系统和数字通信系统 1 2光纤通信技术的发展 4 按信息传递的方向与时间关系进行分类可分为单工通信 半双工通信和双工通信 5 按调制方式进行分类可分为基带传输通信和调制传输通信 6 按传输信号的复用方式进行分类可分为频分复用 时分复用 码分复用三种复用方式的通信 1 2光纤通信技术的发展 1 2 3光通信概述1 基本概念从广义上讲 凡是用光作为信息载波信号的通信称为光通信 光通信系统使用电磁波谱中的可见光或近红外区域的高频电磁波 约100THz 有时又称为光波通信系统 以区别于频率低于5个数量级的微波 微波载波频率为1 10GHz 通信系统 1 2光纤通信技术的发展 图1 3为光的频谱图 可以看出光的频率很高 响应带宽也很宽 光通信充分利用了这一优点 图1 3光的频谱图 1 2光纤通信技术的发展 根据定义 波长是光在一个周期时间内行进的距离 设真空中光的波长为 介质中的波长为 则光的波长和频率之间的关系为 1 1 1 2 式 1 1 和式 1 2 中 是真空中的光速 为介质的折射率 石英光纤的折射率为1 5左右 为光在介质中的速度 1 2光纤通信技术的发展 在光通信系统中 除了一些特殊场合使用可见光之外 现代光纤通信系统一般使用近红外光 典型波长为和相应的频率分别为230THz和193THz 2 光通信系统的分类与特点光通信系统可分为两类 大气激光系统 无线光通信 和光纤通信系统 有线光通信 大气激光通信主要是指用激光作为信息的载波信号并以大气为信道的通信系统 光纤通信系统主要是指用激光作为信息的载波信号并以光纤为信道的通信系统 1 2光纤通信技术的发展 大气激光通信系统和光纤通信系统构成了近代光通信系统 下面对这两类光通信的特点做简要讨论 1 大气激光通信大气激光通信是利用光波在空气中直线传播的特点 进行大气传输的光通信 这种通信方式 其信道为大气 不需要敷设任何通信线路 简单经济 2 光纤通信光纤通信技术是当代通信技术发展的最高成就 已成为现代通信的基石 光纤通信得到如此飞速的发展 主要是因为它具有一系列独特的优点 1 2光纤通信技术的发展 频带宽 信息容量大 传输损耗低 传输距离远 制作光纤 光缆用的原材料资源丰富 光纤作为信道具有体积小 质量轻的优点 便于通信线路的敷设 光纤通信系统的抗干扰能力强 使用安全 但光纤信道也存在不足之处 在敷设光纤 光缆时 弯曲半径不能过小 否则光纤中传输的导模将成为辐射模而损耗光能 要求有比较好的光纤切断 连接技术 分路 耦合比较麻烦 1 2光纤通信技术的发展 1 2 4光纤通信的发展过程简介光纤通信经过30多年的发展 经历了5个发展阶段 其中已有五代光纤通信系统由试验研究进入了实用阶段 1 第一代光纤通信系统1978年 第一代光纤通信系统 多模光纤通信系统 正式投入商业应用 光源为半导体激光器 GaAlAsLD 或发光二极管 LED 工作波长 该光纤通信系统称为短波通信系统 光电探测器为管 硅光电二极管 或 硅雪崩光电二极管 信道为均匀多模光纤 1 2光纤通信技术的发展 2 第二代光纤通信系统20世纪80年代初 第二代早期多模光纤通信系 1 3 m多模光纤通信系统 问世 光源为InGaAsP半导体激光器 工作波长 1 3 m 3 第三代光纤通信系统1990年 第三代光纤通信系统已能提供商业应用 光源为铟镓砷磷 InGaAsP 半导体激光器 光电探测器与第二代光纤通信系统同为锗光电探测器 信道为单模光纤 工作波长为1 55 m 该系统是工作在 1 55 m长波波段的单模光纤通信系统 为长波光纤通信系统 1 2光纤通信技术的发展 4 第四代光纤通信系统 相干光纤通信系统相干光纤通信系统是利用激光的相干性 将无线电通信中采用的 外差 接收 或零差接收 和先进的调制方式应用到光纤通信中的系统 5 第五代光纤通信系统 光孤子通信系统光孤子通信是利用光纤非线性进行超大容量 超长距离的光纤通信方式 光纤通信系统中 光孤子是一个非常窄 并具有很高强度的光脉冲 1 3光纤传感技术的发展 1 3光纤传感技术的发展 1 3 1概述光纤传感器是用待测量对光纤内传输的光波参量进行调制得到调制信号 该信号经光纤传输至光探测器进行解调 从而获得待测量值的一种装置 与传统的传感器不同 它将被测信号转换为光信号的形式取出 光纤传感原理与技术是以光纤的导波现象为基础的 光从光纤射出时 光的特性得到调制 通过对调制光的检测 便能感知外界的信息 实现对各种物理量的测量 这就是光纤传感器的基本原理 1 3光纤传感技术的发展 1 3 2传感器的组成传感器的定义是 能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 传感器主要由敏感元件和转换元件组成 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量 输入量 的部分 转换元件是指传感器中能将敏感元件感受的或响应的被探测量转换成适于传输和 或 测量的电信号的部分 1 3光纤传感技术的发展 传感器的组成方框图如图1 5所示 图1 5传感器的组成方框图 1 3光纤传感技术的发展 1 3 3光纤传感器的分类传感器的分类可以从测量 结构 调制方式及器件材料等不同角度分类 如书上表1 2所示 1 3 4光纤传感器的发展史20世纪传感技术的发展经历了三个阶段 即结构型传感器 物理型传感器和智能型传感器 其测量技术 方法和特点历程参见表1 3 光纤传感技术在我国的发展史参见表1 4 1 3光纤传感技术的发展 1 3 5光纤传感器的研究现状经过二十余年的研究积累 我国的光纤传感正在稳步发展 我国光纤传感的进一步发展需要从光纤基础产业 光电基础产业和光纤传感技术全方位考虑综合发展 才有可能真正创造我国的尖端传感技术 打破国外对我国的先进技术封锁 第2章光纤与光缆 第2章光纤与光缆 光纤通信系统是指利用激光作为信息的载波 并通过光纤来传递信息的通信系统 从20世纪70年代开始 光纤通信快速发展 目前在世界范围内成为最重要的通信手段 利用光纤作为传输介质的光纤通信 有如下优点 1 载波频率高有极大的通信容量 2 直径细 质量轻 3 基质材料是石英 来源丰富 可以节约大量金属 4 不受电磁干扰 同时也不产生电磁干扰 第2章光纤与光缆 2 1光纤的结构与模式 2 1光纤的结构与模式 2 1 1光纤的结构光纤的全称是光导纤维 OpticalFiber 是一种传输光能量的介质结构 所传光的波长在可见光和红外光区域 其基本结构如图1 1所示 光能够被束缚在光纤心中传输的必要条件是纤心的折射率 至少在截面的某些区域 大于包层的折射率 护套在光学上几乎与纤心隔绝 可以忽略其影响 纤心内 折射率分布可以是均匀的或是渐变的 也可能是更复杂的分布 2 1光纤的结构与模式 图2 1给出了一些常见光纤的折射率分布 图2 1光纤的折射率分布 2 1光纤的结构与模式 根据光纤中光场的传输模式 光纤可分为单模光纤和多模光纤 折射率由制作光纤的材料决定 在光纤分析中通常定义相对折射率差 通常单模光纤的相对折射率差满足 多模光纤的相对折射率差满足 可见 是弱导光波导 制作光纤的材料通常有高纯石英 多组分玻璃和有机聚合物等材料 详细情况参见2 2节 2 1光纤的结构与模式 2 1 2阶跃折射率光纤分析的基本概念1 子午线的数值孔径在光纤中 光线有两种 一种是始终处在一个平面里 经过波导的中心轴线 在光纤心与包层界面上作全反射 呈锯齿形 这种射线称为子午线 如图2 2 a 所示 另一种光线不在同一平面里 不经过光纤的中心轴线 但仍在光纤心与包层的界面上作全反射 这种光线的范围是在边界面和焦散面之间 称为偏射线 如图2 2 b 所示 2 1光纤的结构与模式 子午线是平面曲线 偏射线是空间曲线 偏射线的极限是焦散面与心包层界面重合 这时偏射线称为螺旋线 如图2 2 c 所示 图2 2子午线和偏射线 2 1光纤的结构与模式 2 1 2阶跃折射率光纤分析的基本概念光纤端面外侧是另外一种介质 一般是空气 其折射率为 入射光线与光纤轴成角 根据折射率定律 有 2 1 只有当入射角大于临界角时 光才在波导内作全反射 才可以形成导波 因此 即 为了得到导波 外面光线的入射角必须满足下式 2 1光纤的结构与模式 2 2 即 可以激发导波的入射光线的最大角度的正弦值即为数值孔径NA 一般情况下 则数值孔径 数值孔径越大 则入射光线越容易进入光纤形成导波 此计算是依据子午线而进行的 偏射线需要修正 2 1光纤的结构与模式 2 1 2阶跃折射率光纤分析的基本概念2 偏射线入射光线 其方向单位矢量 为光线的方向余弦 即与坐标之间的夹角余弦 入射到波导端面上的某一点 光线进入光纤后 在界面上进行全反射 每段射线为 其单位矢为 这些射线不经过轴线 2 1光纤的结构与模式 在射线与界面的交点处设想一个平面与界面相切 这个平面与光纤有一条切线 且与光纤轴线平行 每一个交点与轴线之间的距离为 反射时有如下规律 1 入射光线 反射光线和法线现在一个平面内 法线为 用数学式子表示为 2 3 2 入射角等于反射角 用数学式子表示为 2 4 2 1光纤的结构与模式 3 若大于 则可以得到全反射 即 2 5 4 端面偏射线数值孔径在光纤始端 什么样的射线能被光纤捕获得以在光纤内作全反射传输呢 应用式 2 5 当时 可得 2 1光纤的结构与模式 由图2 3可见 图2 3端面偏射线数值孔径 2 1光纤的结构与模式 若有全反射 则 故 从端面入射时 偏射线的数值孔径为 2 6 由于式 2 6 中 1 故偏射线的数值孔径要比子午光线大 当时 偏射线成为螺旋光线 2 1光纤的结构与模式 2 1 3阶跃折射率光纤的模式分析在光纤中传输的光可视为经典的电磁波 光纤可看做是由纤心和包层组成的无限长圆柱 则光纤中的电磁场形式 式中 为光纤传输常数 不同的所对应的电磁场在横截面内的分布各不相同 称为光纤的模式 2 1光纤的结构与模式 1 模式本征方程在直角坐标系下 展开麦克斯韦方程得到 2 7 2 1光纤的结构与模式 经过变换后 得到 2 8 式 2 8 说明满足亥姆霍兹方程 这是完全合理的 按上述相同的方法 令 则可以得到与上述类似的关于的方程 因此实际的模式可以有如下形式 2 9 式中 a b是任意常数 是x方向线偏振模 是y方向线偏振模 2 1光纤的结构与模式 从以上两组线偏振模LP模中取一组 例如 若光纤中折射率变化很小 二阶以上的变化率可以忽略 则有 2 1光纤的结构与模式 因此 可以认为下述三种说法是一致的 1 模式场中关于横坐标的二阶变化率趋于零 2 在边界上连续 只有分量 这相当于把电磁场看成标量 所以又称为标量近似 3 纤心和包层之间的折射率变化很小 即 1为弱导光波导 所以 标量近似又称为弱导近似 在标量近似下 两组线偏振模为 2 1光纤的结构与模式 电磁场的横向分量互相垂直 且成比例 类似于矢量法中的TE TM模 在标量近似下 线偏振模仍然具有圆对称性 即 2 10 下面以一组线偏振模为例 求解在圆柱坐标系下满足亥姆霍兹方程 2 11 在圆柱坐标系下 式 2 11 是贝塞尔方程 是贝塞尔方程的解 为贝塞尔函数 2 1光纤的结构与模式 考虑到在圆柱内的值必为有限 当 时 则 2 12 式中 A B为任意常数 为第一类贝塞尔函数 为第二类变型 虚宗量 贝塞尔函数 因此 可求出其他场分量 2 13 2 1光纤的结构与模式 2 14 2 15 2 1光纤的结构与模式 由边界条件确定关于的特征方程 2 19 式 2 19 是关于的特征方程 利用贝塞尔函数的递推公式 可得 2 20 或 2 21 这就是LP模式的特征 本征 方程 2 1光纤的结构与模式 本征方程是超越方程 只能求数值解 解的步骤如下 1 根据光纤的心径a 相对折射率以及工作波长来确定归一化频率V 2 22 2 利用或求解特征方程 得到U或W 再由或得到 3 已知U W 可以确定A B 即纤心内 外场之比 2 1光纤的结构与模式 2 截止条件和模式分类对于某种模式 若W 0 U V时 模式趋于截止 因此W 0为截止条件 是满足截止条件时的特征方程 可知m 0时 截止频率为0的模式是 是光纤的第一个模式 称为基模 第二个模式是m 1时 由的第一个根V 2 4048开始的 即模 因此当V 2 4048时 光纤内只有一种模式 即单模传输 一个LP模式实际上是由4个矢量模简并而成的 2 1光纤的结构与模式 当归一化频率V很大时 即V 时 可知此时U趋向于某个恒定值 则W 在这种情况下 LPmn模的U在和的两个根之间变化 其中归一化传输常数定义为 2 23 标量近似的LP模的归一化传输常数b与V之间的关系如图2 4所示 图2 4线偏振LP模的b f V 关系图 2 2光纤的材料 制作和光缆 在这一节中主要介绍石英光纤的制作工艺 石英光纤的制造工艺大致可以分为两个阶段 即光纤预制棒的制造和预制棒拉制光纤 2 2光纤的材料 制作和光缆 2 2 1预制棒的制造方法预制棒的制造方法很多 常见的方法有 外气相沉积法 OVPO 气相轴向沉积法 VPAD 改进的化学气相沉积法 MCVD 等离子体激活化学气相沉积法 PCVD 下面分别加以介绍 1 OVPO法OVPO法是CorningClassWork公司用于制造第一根损耗小于20dB km的石英光纤的方法 该方法采用以下化学反应 2 2光纤的材料 制作和光缆 以石英 石墨或陶瓷棒作为中心棒 在中心棒外沉积粉尘 然后抽掉中心棒 高温烧结成预制棒 制造示意图如图2 5所示 图2 5OVPO法 2 2光纤的材料 制作和光缆 OVPO法的基本步骤如下 1 中心棒在喷嘴下方 匀速旋转并来回平移 以便在中心棒外形成粉尘的均匀沉积 2 控制气体流量成分 可以使预制棒折射率分布是阶跃的 或是渐变的 3 沉积过程完成后 经过脱水处理后 抽出中心棒 在高温炉中将粉尘状预制棒烧结成透明玻璃预制棒 2 2光纤的材料 制作和光缆 2 VPAD法化学反应生成微粒的过程与OVPO法完全一样 沉积时由横向变为纵向 这是日本NTT公司采用的光纤预制棒制作方法 制造示意图如图2 6所示 VPAD法的优点是 沉积速度快 适合批量生产 一根棒可拉100km以上的光纤 图2 6VPAD法 2 2光纤的材料 制作和光缆 3 MCVD法该方法在旋转的石英管的内壁进行沉积 制造示意图如图2 7所示 采用以下化学反应 停止气相反应 加高温将石英管烧结成实心棒 改变气相组分可以制成阶跃或梯度折射率预制棒 图2 7MCVD法 2 2光纤的材料 制作和光缆 4 PCVD法Philips研究所的科学家们发明了等离子体激活化学气相沉积法 该方法与MCVD法很类似 高纯石英管置于微波谐振腔内 在石英管内通入反应气体 微波谐振腔使管内气体等离子化 产生高温化学反应 将一层纯净沉积在管壁上 的沉积率接近100 通过改变气相的组分产生折射率的变化 制造示意图如图2 8所示 沉积完成后 经烧结形成预制棒 2 2光纤的材料 制作和光缆 图2 8MCVD法这种方法的优点在于采用微波谐振腔加热 高纯石英管不被加热 只是管内的反应物被加热 能耗低 操作易于进行 2 2光纤的材料 制作和光缆 2 2 2预制棒拉丝预制棒制作完成 第二阶段是将预制棒拉丝成为光纤 石英光纤拉丝机的结构示意图如图2 9所示 在拉丝过程中 可以基本保持原预制棒的折射率分布不变 图2 9石英光纤拉丝机的结构示意图 2 2光纤的材料 制作和光缆 在拉丝过程中 需要保持光纤直径的均匀性 根据质量守恒 有 2 24 式中 D为预制棒直径 d为光纤直径 为预制棒下降速度 为光纤收丝速度 通过控制和来控制光纤的直径 一般为30 1000m min 2 2光纤的材料 制作和光缆 实际应用中 为了提高光纤的强度 耐温等性能 光纤必须制成光缆才能使用 成缆时可以有多种结构 通常由外护套 包带和加强心构成 图2 10为层绞式和骨架式两种常见的光缆结构 图2 10光缆结构图 2 3光纤的传输特性 光纤作为光通信的传输介质 从通信角度来看 主要关心光纤的以下几个传输特性 1 衰减 只有衰减小到一定程度才可能做长距离通信使用 2 色散 色散小 脉冲展宽小 从而要求光纤有较小的色散 才可能以高速率传输信号或者说有较大的通信容量 另外 随着光纤通信的发展 光纤的偏振特性和非线性效应对光信号的传输也有较大的影响 2 3光纤的传输特性 2 3光纤的传输特性 2 3 1衰减一段光纤的损耗由通过这段光纤的光功率损失来衡量 稳态条件下 单位长度的光纤损耗称为衰减系数 通常定义为 2 25 式中 为入射光功率 为传输后的输出光功率 产生光纤损耗的机制很复杂 主要与光纤材料本身的特性有关 其次 制造工艺也影响光纤的损耗 影响损耗的制造工艺因素很多 2 3光纤的传输特性 2 3 2色散光脉冲在光纤中传输时 由于传输常数是光频率的函数 当与更高阶导数不为零时 意味着光信号中不同频率 或波长 成分具有不同的群延迟或群速度 这种群速度随光频率变化的现象称为群速度色散 GVD 简称为色散 色散将导致光脉冲在光纤中传输时的脉冲展宽 从而限制了光纤通信的信息传输速率 即通信容量 2 3光纤的传输特性 在多模光纤中 由于存在多个模式 因此群速度也必然不同 这种色散称为模式间色散 对于单模光纤 由于只有基模 光脉冲中的不同频率成分具有不同的群延迟或群速度 这种色散要比模式间色散小很多 下面讨论这种色散 为时延差 即光信号中群速度最慢与最快频率成分的传输时延差 2 26 式中 D为色散系数 单位为ps nm km L为光传输长度 为传输光的波长范围 2 3光纤的传输特性 传输常数之间的关系为 2 27 根据光纤的模式理论 可以得到式中 为材料色散 为波导色散 为折射率剖面色散 2 3光纤的传输特性 石英单模光纤的色散曲线如图2 12所示 ZMD是材料色散的色散零点 是总色散零点波长 常规石英光纤的约为1310nm 图2 12石英单模光纤的色散曲线 2 3光纤的传输特性 2 3 3偏振特性双折射现象 即当一束线偏光 圆偏光也有类似定义 通过光纤时 其传输常数随偏振方向改变的现象 双折射现象对光通信的影响主要体现为偏振模色散 PMD 单模光纤在其基模工作时有两个正交的极化方向 每一个方向代表一个偏振模 传播常数为和 由于双折射 单位距离的时延分别为 故时延差为 2 3光纤的传输特性 因为归一化双折射率为故对于石英光纤 第二项远小于第一项 因此 2 28 对于普通光纤 B在数量级 2 3光纤的传输特性 2 3 4非线性效应当光纤中的光场强较弱时 光纤可视为线性介质 但光场强加大后 任何电介质都会表现出非线性 1 非线性极化理论光纤作为电介质在外电场 包括光波电场 作用下 感应电偶极矩 极化所形成的附加电场与外电场叠加形成介质中的场 2 3光纤的传输特性 电偶极子的极化强度对于电场是非线性的 通常满足 2 29 式中 为真空介电常数 分别为一阶 二阶 三阶电极化率 当外场较弱时 因此由麦克斯韦方程组推导出光在介质中传播的波动方程是线性的 2 30 2 3光纤的传输特性 在线性光学范围内 光的叠加性原理成立 光频率各分量不存在相互作用 频率也不会变化 表征介质特性的参数如介电系数 吸收系数都与外加光场强度无关 但在非线性光学范围内 情况就不同了 式 2 29 中的第二项及其以后的各项之和统称为非线性极化强度矢量 2 31 由于非线性极化强度的存在 物质方程不再是线性的 因此由麦克斯韦方程组推导出的波动方程也是非线性方程 2 32 2 3光纤的传输特性 光纤中不显示二阶非线性光学效应 掺杂时才会考虑二阶非线性光学效应 三阶非线性极化强度项导致克尔效应 双光子吸收 光波自作用以及受激辐射受激拉曼散射和受激布里渊散射等现象 这些是影响光纤通信的重要的非线性光学效应 从物理机制上讲 非线性光学效应大致可以分为两大类 一类称为参量过程 非激活的 另一类称为非参量过程 激活的 在参量过程中 参与参量过程的光场之间需要满足一定的相位匹配条件 在非参量过程中 非参量过程不需要满足相位匹配条件 2 3光纤的传输特性 2 受激散射及其对光纤通信的影响受激散射是三阶非线性极化强度项表现出来的现象 从量子观点容易说明其物理机理 并分析其对光通信系统的影响 1 物理机理拉曼散射和布里渊散射是光纤物质中原子参与的光散射现象 在晶体中 原子在其平衡位置附近不停地振动 由于原子之间的相互作用 每一个原子的振动要依次传递给其他原子 从而形成晶体中的格波 格波的形式很复杂 可以分解成一些简谐波的叠加 2 3光纤的传输特性 根据量子力学理论 格波的能量是量子化的 对频率的格波 它们的每份能量称为一个声子 所谓声子 就是晶格振动能量变化的最小单位 入射光波被晶格振动散射 可以理解为光子与声子相互碰撞的问题 在散射过程中 常常伴随声子的吸收和发射 但必须满足能量守恒 从而使入射光发生频率转换 通过薛定谔方程求出的格波解分为两支 频率较高的一支与晶体的光学性质有关 通常称为光学波 频率较低的一支与宏观弹性波 声波 有密切关系 称为声学波 由光学波声子参与的光散射称为拉曼散射 由声学波声子参与的光散射称为布里渊散射 2 3光纤的传输特性 拉曼散射的基本过程可以理解为 频率的入射光子与介质相互作用 可以发射一个频率为的斯托克斯 Stokes 光子和一个频率为的光学波声子 在这个过程中 能量守恒 即 h是普朗克常量 光波产生下频移 入射光子与介质相互作用 也可能吸收频率的声子而产生一个频率为的反斯托克斯光子 能量仍守恒 光波产生上频移 布里渊散射与拉曼散射过程相似 只是参与的声子是声学声子 频率低 因此布里渊散射频移小 2 3光纤的传输特性 2 受激Raman散射对光通信的影响当光纤中传输功率较小时 主要是自发拉曼散射与布里渊散射 对光纤通信不会产生明显的影响 但随光功率增大 就可能产生受激拉曼散射 SRS 和受激布里渊散射 SBS 临界功率大约为3W左右 它与光纤的有效面积以及光纤的长度 光学性质都有关 2 3光纤的传输特性 受激拉曼散射主要以前向散射为主 对光纤的影响主要表现为限制了光纤中传输的最大功率 受激拉曼散射导致频率转换 使光纤损耗加大 引起波分复用系统中的串扰 受激拉曼散射对波分复用系统的影响远远超过了单通道光纤系统 每一个信道只要几毫瓦的光子功率就能引起明显的拉曼串扰 其特点是短波长信道功率向长波长信道转移 由于光纤中处于激发态的原子很少 反斯托克斯光增益小 长波长信道功率向短波长信道转移不明显 2 3光纤的传输特性 3 受激布里渊散射的特点及对光通信的影响受激布里渊散射 SBS 的特点是 以反向散射为主 增益系数大 阈值低 对常规单模光纤来说大约为4mW 频移小 仅有数十兆赫兹 因此 受激布里渊散射主要对窄谱线光源的系统产生严重影响 反向散射光反馈回窄谱线激光器会严重影响激光器的正常工作 必须使用光隔离器 受激布里渊散射使光谱线增宽 对相干光通信系统产生影响 2 3光纤的传输特性 3 非线性折射率调制引起的非线性光学效应折射率与光强有关的现象是引起的 光纤的折射率可以表示为 2 33 式中 为线性折射率 为与有关的非线性折射率系数 对于石英光纤约为 P为光功率 为光纤的有效面积 其中I为光强 2 3光纤的传输特性 非线性折射率调制可以引发以下非线性光学效应 1 自相位调制 SPM n依赖于光功率P 则光传输常数也与P相关 光传输L长度后 产生的非线性相位差为 2 34 式中 为光纤的有效长度 为输入端光功率 2 3光纤的传输特性 当光波被调制后 随时间变化 SPM导致频谱展宽 展宽值可以由的导数求得 2 35 SPM导致的频谱展宽是一种频率啁啾 2 交叉相位调制 XPM 产生XPM现象的物理机制与SPM类似 当两束或更多束光波在光纤中传输时 某信道的非线性相位变化不仅依赖于该信道的功率变化 而且与其他信道相关 从而引起较大的频谱展宽 2 3光纤的传输特性 3 四波混频 FWM 四波混频是源于非线性折射率的参量过程 需要满足相位匹配条件 从量子的观点看 一个或几个光子湮灭 同时产生几个不同频率的新光子 在参量过程中能量和动量都守恒 动量守恒即波矢量守恒 就是相位匹配条件 四波混频大致分为两种情况 一种情况是三个光子合成一个新光子 其频率为 当时 对应三次谐波 当 时 对应频率上转换 由于在光纤中难以满足相位匹配条件 实现有困难 2 3光纤的传输特性 另一种情况是频率为 的光子湮灭 产生频率为 的新光子 能量守恒 动量守恒 在光纤满足的条件相对容易些 四波混频引起光波分复用 WDM 系统中复用信道之间的串扰 严重影响传输质量 光纤色散越小 复用信道波长间隔越小 串扰越严重 这是因为有群速度色散时 相位匹配条件难以满足 在色散位移光纤中 相位匹配条件容易满足 四波混频严重 因此非零色散位移光纤应运而生 2 4光纤的种类 光纤的种类繁多 按光纤所用材料 折射率分布 传输模式等 都可以对光纤进行分类 从材料角度 可以分为石英光纤 多组分玻璃光纤 聚合物光纤 液心光纤等 从折射率分布角度 可以分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤 从传输模式上 可以分为多模光纤和单模光纤 从用途上 可以分为常规通信光纤和特种光纤 2 4光纤的种类 根据国际电工委员会 IEC 标准IEC60793 1 1的光纤分类方法 光纤可以分为A类和B类两大类 A类为多模光纤 B类为单模光纤 它们的分类参见表2 1和表2 2 表2 1多模光纤的分类 2 4光纤的种类 表2 2单模光纤的分类下面分别介绍多模光纤和单模光纤 2 4光纤的种类 2 4 1多模光纤 从结构上看 多模光纤有梯度多模光纤和阶跃多模光纤 其折射率分布函数如图2 13所示 梯度多模光纤包括 和四类 由多组分或掺杂石英玻璃制成 其具体分类参见表2 3 图2 13多模光纤的折射率分布 2 4 1多模光纤 表2 34种梯度多模光纤的性能及其应用场合 2 4 1多模光纤 阶跃多模光纤包括 三类9种 可用多组分玻璃或塑料制成 其特点是纤心直径大 数值孔径大 可以有效地与发光二极管 LED 耦合 主要应用于短距离信息传输 楼内局域网 传感器等 其具体分类参见表2 4 2 4 1多模光纤 表2 4三类阶跃多模光纤的特性 2 4 2单模光纤 为了保证单模传输 光纤心径必须很小 一般心直径为8 10 包层直径为125 石英单模光纤衰减小 带宽高 是理想的光通信介质 为了解决色散以及非线性效应对光纤传输性能的影响 人们专门研究开发了色散位移光纤 非零色散位移光纤 色散平坦光纤和色散补偿光纤等 按色散波长和截止波长的位移与否 可以将单模光纤分为5类 参见表2 5 下面分别介绍 2 4 2单模光纤 表2 5单模光纤的分类 2 4 2单模光纤 1 非色散位移单模光纤G652 SMF G652光纤可细分为G652A G652B和G652C三种 常规单模光纤的特点是 1 波长1310nm为色散零点 2 波长1550nm处衰减最小 约为0 22dB km 色散系数的最大值为 3 工作波长可以在1310nm或1550nm 它广泛用于数据通信 它的缺点是 波长1550nm色散大 阻碍了高速率 远距离的应用 2 4 2单模光纤 常规G652在1385nm附近有较高的水 吸收峰 数量级的就会产生几个dB km的衰减 朗讯于1998年发布了全波光纤 allwavefiber 2 色散位移光纤G653 DSF 色散位移光纤于1988年商用化 改变了光纤结构参数即光纤折射率分布的形状 力求加大波导色散 使光纤色散系数零点从1310nm移到1550nm 实现了1550nm处最低衰减与零色散一致 2 4 2单模光纤 这种光纤适用于长距离 大容量通信系统中 由于1550nm的零色散 四波混频等非线性效应严重 不适合用于波分复用系统 3 截止波长位移单模光纤G654 WSF 1550nm截止波长位移是非色散位移光纤 零色散波长为1310nm 截止波长在1550nm 衰减极小 选用纯石英 作为纤心 掺氟包层 制造特别困难 价格昂贵 它主要用于长距离 不能插入有源器件的无中断海底光纤通信系统中 2 4 2单模光纤 4 非零色散位移单模光纤G655 NDF NDF是于1994年由朗讯与康宁公司为波分复用传输系统设计的 在1550nm处有合理的低色散 足以支持10Gb s系统的长距离传输 又可以抑制四波混频和交叉相位调制等非线性光学效应 以满足密集波分复用系统的要求 5 色散平坦单模光纤 DFF DFF是于1998年商用化的 在1310 1550nm波长范围内都是低色散 有两个零色散波长1310nm和1550nm 折射率剖面结构复杂 制造困难 2 4 2单模光纤 6 色散补偿光纤 DCF 随着光纤放大器的应用 衰减对光纤通信系统而言已经不成问题 但色散严重阻碍了光纤从1310nm到1550nm的升级扩容 色散补偿光纤在1550nm处有很大的负色散系数 一般为 700 50ps nm km 当常规光纤由1310nm扩容至1550nm 其色散为正值 在系统中加入一段负色散系数光纤 可以抵消1550nm处的正色散 各种石英单模光纤的色散系数如图2 14所示 2 4 2单模光纤 图2 14石英单模光纤的色散系数 习题 2 1有一种石英单模光纤 它的纤心直径为8 工作波长为1550nm 已知纤心折射率为1 460 试问此光纤包层的折射率应为多少 2 2一种塑料光纤在波长650nm处的衰减系数 光纤中注入波长为650nm 5mW的光功率 问经过多少米传输 光功率衰减20dB 这时光功率是多少mW 2 3石英光纤的数值孔径 对于波长的光 光纤是单模的 问光纤的心直径应该是多少 第3章常见光无源器件 第3章常见光无源器件 光无源器件是光路的重要组成部分 光无源器件与电无源器件有许多相似之处 电无源器件如插头 开关 电容 电阻 电感等 是电路的重要组成部分 常见的光无源器件有光纤连接器 光耦合器 光波分复用器 光隔离器 光衰减器 光开关等 光无源器件遵守光学的基本理论 即光线理论和电磁场理论 第3章常见光无源器件 3 1光纤连接器 光纤连接器可分为两大类 活动连接器和固定连接器 3 1 1光纤活动连接器 1 基本结构及工作原理光纤活动连接器基本上是采用某种机械和光学结构 使两根光纤的纤心对接 保证95 以上的光能通过连接器 目前 活动连接器有代表性且正在使用的结构有以下几种 如图3 1 图3 5所示 图3 1套管结构 3 1 1光纤活动连接器 图3 2双锥结构图3 4球面定心结构 图3 3V形槽结构图3 5透镜耦合结构 3 1 1光纤活动连接器 套管结构的核心是插针与套筒 插针是一个带有微孔的精密圆柱体 其结构和主要尺寸如图3 6所示 图3 6插针的结构与主要尺寸 3 1 1光纤活动连接器 插针的精度要求是 外径不圆度小于0 0005mm 外圆柱面光洁度为 微孔偏心量小于 插针端面为球面 其曲率半径为20 60mm 套筒是与插针相配合的零件 它有两种结构 如图3 7所示 3 1 1光纤活动连接器 图3 7套筒的结构与尺寸套筒的精度要求是 内孔光洁度为 拔插力为3 92 5 88N 开口套筒使用弹性好的材料 如磷青铜 铍青铜 氧化锆陶瓷等 3 1 1光纤活动连接器 光纤活动连接器结构上差别很大 品种也很多 但按功能可分成如下几部分 1 连接器插头 PlugConnector 由插针体和若干外部零件组成 2 转换器或适配器 Adapter 即插座 可以连接同型号插头 也可以连接不同型号插头 可以连一对插头 也可以连接几对插头或多心插头 3 1 1光纤活动连接器 3 转换器 Converter 将某一种型号的插头变换成另一种型号的插头 由一种型号的转换器加上另外其他型号的插头组成 4 光缆跳线 CableJumper 一根光缆两端面装上插头 称为跳线 两个插头型号可以不同 可以是单心的 也可以是多心的 5 裸光纤转换器 BareFiberAdapter 将裸光纤穿入裸光纤转换器 处理好光纤端面 形成一个插头 3 1 1光纤活动连接器 2 主要性能指标及测试方法 1 插入损耗插入损耗是指光信号通过活动连接器后 输出光功率相对输入光功率的分贝数 其表达式为 dB 3 1 式中 为输入光功率 为输出光功率 插入损耗越小越好 3 1 1光纤活动连接器 2 回波损耗回波损耗又称为后向反射损耗 是指光纤连接处 后向反射光功率相对入射光功率的分贝数 其表达式为 dB 3 2 式中 为输入光功率 为后向反射光功率 回波损耗越大越好 3 1 1光纤活动连接器 3 重复性和互换性重复性是指光纤活动连接器多次插拔后 插入损耗的变化 用dB表示 互换性是指连接器各部件互换时 插入损耗的变化 也用dB表示 3 1 1光纤活动连接器 影响光纤活动连接器插入损耗的因素很多 现简述如下 1 两个光纤纤心位置的错位 如图3 8所示 实际有三种情况 即横向错位 角度倾斜和端面间隙 图3 8光纤纤心位置的错位 3 1 1光纤活动连接器 2 在两个光纤端面之间 由于存在不同的介质 如空气 光在介质之间多次反射 产生损耗 称为菲涅耳反射引起的损耗 其表达式为 3 3 式中 当 1 1 46时 3 由于两根光纤纤心直径不同 数值孔径不同也会引起光纤连接器损耗 3 1 2光纤固定连接器 光纤固定连接器的作用是使一对或几对光纤之间永久性的连接 制作固定接头的方法有熔接法 V形槽法 毛细管法 套管法等 1 熔接法用熔接法制作固定连接器 是光纤固定连接的主要方法 它采用加热的方法将光纤熔接在一起 只要操作得当 熔接机设计合理 连接插入损耗很小 后向反射光近似为零 可以得到非常理想的光纤固定接头 3 1 2光纤固定连接器 光纤加热和熔化的方法有三种 如图3 9所示 其特点如下 1 电弧熔接 2 氢氧焰熔接 3 激光熔接图3 9光纤熔接方法 3 1 2光纤固定连接器 1 电弧熔接用高压电极放电来加热光纤 使之熔融连接 电弧放电和光纤的对准可以由微机控制 实现自动化操作 电弧熔接是熔接法中应用广泛的方法 2 氢氧焰熔接用于一些特殊的场合 如海底光缆的光纤熔接 其特点是接头强度高 但火焰的控制较为困难 3 激光熔接如用激光器加热并熔接光纤 其特点是加热环境非常干净 接头强度高 但设备昂贵 3 1 2光纤固定连接器 实现光纤熔接的设备是光纤熔接机 它由下述部分组成 1 光纤的准直与夹紧结构 2 光纤的对准机构 3 电弧放电机构 4 电弧放电和电机驱动的控制机构 以下是详细介绍 1 光纤的准直与夹紧结构光纤的准直与夹紧结构由精密V形槽和压板构成 精密V形槽的作用是使一对光纤不产生轴偏移 压板使光纤固定在V形槽内 3 1 2光纤固定连接器 2 光纤的对准机构在熔接光纤之前 一般要通过手动或自动装置使纤心完全对准 常用如下三种方法来实现光纤的对准 功率监测 纤心直视 包层对准 3 电弧放电机构熔接机的电弧放电由两根电极完成 电极由钼丝制成 4 电弧放电和电机驱动的控制机构在电极放电过程中 电机的驱动都由微处理机控制 按预定程序工作 3 1 2光纤固定连接器 2 其他固定连接方式 1 V形槽固定接头这种接头携带方便 操作简单 不需要贵重的仪表和设备 V形槽的结构是多样的 图3 10为FMS 1型光纤固定连接器的结构图 图3 10FMS 1型光纤固定连接器的结构图 3 1 2光纤固定连接器 2 毛细管固定接头毛细管固定接头一般采用玻璃材料制作 将两根处理好的光纤从两头穿入玻璃毛细管内 利用其精密内孔使两根光纤纤心对准 在两根光纤端面加入匹配液 消除菲涅尔反射 3 套管式固定接头与活动连接器一样 其主要零件也是插针和套筒 插入损耗在0 1dB以下 回波损耗达45dB以上 3 2光耦合器 光耦合器 Coupler 是能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合 并进行光功率再分配的器件 从功能上 可分为光功率分配器和光波长分配 合 分波 耦合器 从端口形式上 可分为X形 Y形 星形 N N N 2 以及树形 1 N N 2 耦合器 3 2光耦合器 从工作带宽上 可分为单工作窗口的窄带耦合器 单工作窗口的宽带耦合器和双工作窗口的宽带耦合器 另外 由于传导光模式的不同 又有多模光纤耦合器和单模光纤耦合器之分 3 2光耦合器 3 2 1描述光耦合器特性的一些技术参数 1 插入损耗 InsertionLoss 3 4 式中 为第i个输出端口的插入损耗 为第i个输出端口的光功率 为输入的光功率 2 附加损耗 ExcessLoss 3 5 插入损耗是各输出端口的输出功率状况 不仅与固有损耗有关 而且与分光比有很大的关系 3 2 1描述光耦合器特性的一些技术参数 3 分光比 CouplingRation 3 6 它是光耦合器特有的技术指标 4 方向性 Directivity 方向性是光耦合器特有的技术指标 是衡量器件定向传输特性的参数 以X形耦合器为例 方向性定义为耦合器正常工作时 输入一侧非注入光的一端输出的光功率与全部注入的光功率的比值 3 2 1描述光耦合器特性的一些技术参数 由2端输出的光功率与全部注入的光功率 即图3 11中1端注入的光功率 之比为 3 7 图3 11X形耦合器的方向性 3 2 1描述光耦合器特性的一些技术参数 5 均匀性 Uniformity 对于要求均匀分光的光耦合器 主要是星形和树形 由于工艺局限 往往不可能做到绝对的均匀 用均匀性来衡量其不均匀程度 3 8 6 偏振相关损耗 PolarizationDependentLoss 衡量器件对于传输光信号的偏振态的敏感程度的参量 也称为偏振灵敏度 3 2 1描述光耦合器特性的一些技术参数 当传输光信号的偏振态变化时 器件各输出端输出功率的最大变化量 3 9 7 隔离度 Isolation 3 10 式中 为在第i个光路输出端测到的其他输出端光信号的功率 为输入的光功率 3 2 2光耦合器的制作方法 光耦合器大致可分为分立元件组合型 全光纤型和平面波导型 1 早期采用分立光学元件 如棒透镜 反射镜 棱镜等 组合拼接 其耦合机理简单直观 可用一般的几何光学进行描述 但损耗大 与光纤耦合困难 环境稳定性较差 3 2 2光耦合器的制作方法 2 全光纤耦合器 即直接在两根 或两根以上 光纤之间形成某种形式的耦合 全光纤耦合器的发展 1 最早是Sheem和Giallorenzi发明的蚀刻法 2 Bergh等人发明了光纤研磨法 3 研磨结束后 在研磨面上加一小滴匹配液 再将光纤拼接 做成光纤耦合器 3 2 2光耦合器的制作方法 4 20世纪80年代初 人们开始用光纤熔融拉锥法制作单模光纤耦合器 已成为当前制作光耦合器的主要方法 3 集成化是未来光纤通信发展的必然趋势 利用平面光波导制作的光耦合器具有体积小 分光比控制精确 易于大批生产等特点 3 2 2光耦合器的制作方法 熔融拉锥法是 将两根 或两根以上 除去涂覆层的光纤以一定方式靠拢 在高温下熔融 同时向两侧拉伸 最终在加热区形成双锥形式的特殊波导结构 实现传输光功率耦合的一种方法 熔融拉锥制作系统的示意图如图3 12所示 图3 12熔融拉锥制作系统示意 3 2 2光耦合器的制作方法 熔融拉锥型全光纤耦合器有如下优点 1 极低的附加损耗 对于X形或Y形耦合器 参见表3 1 附加损耗小于0 05dB 表3 1标准X Y型全光纤耦合器的典型性能指标 3 2 2光耦合器的制作方法 2 方向性好 一般达到60dB 保证了传输光信号的定向性 减小了线路之间的串扰 3 良好的环境稳定性 光路结构简单紧凑 在 40 85 温度范围内耦合器可以保证稳定工作 4 控制方法简单 灵活 不仅可以方便地改变器件的性能参数 还能制作具有不同功能的其他器件 5 制作成本低 适于批量生产 表3 1给出了标准X Y型全光纤耦合器的典型性能指标 3 2 3耦合机理 1 单模光纤耦合器在单模光纤中 传导模是两个正交的基模 模 耦合器中光场强分布如图3 13所示 图3 13耦合器中光场强分布 3 2 3耦合机理 传导模进入熔融锥区 纤心不断变细 V值逐渐减小 有越来越多的光功率进入光纤包层中 实际光功率是在以包层为心 光纤外介质为包层的复合波导中传输的 在输出端 随着纤心的逐渐变粗 V值增大 光功率被两根纤心以特定比例捕获 在熔锥区 两根光纤包层合并在一起 两根光纤纤心足够接近 形成弱耦合 如图3 14所示 图3 14熔融拉锥型光纤耦合器的工作原理 3 2 3耦合机理 在弱导近似下 假设光纤无损耗 则有耦合方程 3 11 式中 分别为两根光纤的模式场幅度 是独立状态的两根光纤的传输常数 是耦合系数 实际上 自耦合系数 且 当z 0时 已知 则耦合方程的解为式 3 12 所示 3 2 3耦合机理 因此可求得每根光纤中的功率为 3 13 由此得到 耦合比率与熔融拉伸长度的关系曲线 如图3 15所示 最大耦合率可以达到100 图3 15耦合比率与熔融拉伸长度的关系 3 2 3耦合机理 2 多模光纤耦合器阶跃多模光纤的模式总数 当传导模 靠近光轴为低阶模 离光轴较远的是高阶模 进入多模光纤耦合器的熔锥区时 纤心变细 V值变小 纤心中束缚的模式数减小 较高阶模进入包层 形成包层