《光纤结构和类型》PPT课件

第2章光纤2 1光纤结构和类型2 1 1光纤结构2 1 2光纤类型2 2光纤传输原理2 2 1几何光学方法2 2 2光纤传输的波动理论 2 3光纤传输特性2 3 1光纤色散2 3 2光纤损耗2 3 3光纤标准和应用 教学重点及难点重点 一 分析光纤的导光原理 二 理解光纤损耗和色散的概念 三 掌握光纤单模传输条件的计算公式 难点 光纤传输的波动理论 光纤 OpticalFiber 的典型结构是多层同轴圆柱体 如图所示 自内向外由纤芯 包层和涂敷层三部分组成 2 1光纤结构和类型 2 1 1光纤结构 光纤结构图 纤芯的折射率比包层稍高 损耗比包层更低 光能量主要在纤芯内传输 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 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2 光能量在光纤中传输的必要条件是n1 n2 涂覆层保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤 2 1 2光纤类型 1 光纤的主要成分目前通信用的光纤主要是石英系光纤 其主要成分是高纯度石英玻璃 即二氧化硅 SiO2 如果在石英中掺入折射率高于石英的掺杂剂 就可以制作光纤的纤芯 同样 如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂 就可以作为包层材料 2 光纤分类 1 按照制造光纤所用的材料分类有 石英系光纤 多组分玻璃光纤 塑料包层石英芯光纤 全塑料光纤 2 按折射率分布情况分类 光纤主要有三种基本类型 突变型多模光纤 多模阶跃折射率光纤 渐变型多模光纤 多模渐变射率光纤 单模光纤 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 突变型多模光纤 多模阶跃折射率光纤 渐变型多模光纤 GradedIndexFiber 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 多模渐变射率光纤 单模光纤 SingleModeFiber 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 只传输主模 所以称为单模光纤 其信号畸变很小 单模光纤 相对于单模光纤而言 突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大 可以容纳数百个模式 所以称为多模光纤 渐变型多模光纤和单模光纤 包层外径2b都选用125 m 特种单模光纤最有用的若干典型特种单模光纤的横截面结构和折射率分布下图所示 a 双包层 b 三角芯 c 椭圆芯 双包层光纤 色散平坦光纤 DFF 色散移位光纤 DSF 三角芯光纤 改进的色散移位光纤椭圆芯光纤 双折射光纤或偏振保持光纤 主要用途 突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统 单模光纤用在大容量长距离的系统 特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1 55 m色散移位光纤实现了10Gb s容量的100km的超大容量超长距离系统 色散平坦光纤适用于波分复用系统 这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍 三角芯光纤有效面积较大 有利于提高输入光纤的光功率 增加传输距离 偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统 这种系统最大优点是提高接收灵敏度 增加传输距离 2 2光纤传输原理分析光纤传输原理的常用方法 几何光学法麦克斯韦波动方程法 2 2 1几何光学方法用几何光学方法分析光纤传输原理 我们关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 并由此得到数值孔径和时间延迟的概念 几何光学法分析问题的两个出发点 数值孔径 时间延迟通过分析光束在光纤中传播的空间分布和时间分布 几何光学法分析问题的两个角度 突变型多模光纤 渐变型多模光纤 一 突变型多模光纤为简便起见 以突变型多模光纤的交轴光线 子午光线 为例 进一步讨论光纤的传输条件 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2 空气的折射率n0 1 纤芯中心轴线与z轴一致 二 突变型多模光纤导光原理 突变型多模光纤导光原理图 与内光线入射角的临界角 c相对应 光纤入射光的入射角 i有一个最大值 max max称为光纤端面入射临界角 简称入射临界角 光纤端面入射临界角 当 i max时 相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯 并以折线的形状向前传播 如光线3 半锥角 由此可见 只有在半锥角为 i max的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播 三 数值孔径根据这个传播条件 定义入射临界角的正弦为数值孔径 NumericalAperture NA 即光纤的数值孔径为 NA n0sin max 得光纤的数值孔径为 NA n0sin max 光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率n1和n2 与光纤的直径无关 光纤的数值孔径NA表示光纤接收和传输光的能力 NA 或 max 越大 光纤接收光的能力越强 从光源到光纤的耦合效率越高 对于无损耗光纤 在 max内的入射光都能在光纤中传输 如图 光纤的数值孔径NA越大 纤芯对光能量的束缚越强 光纤抗弯曲性能越好 但NA越大 经光纤传输后产生的信号畸变越大 因而限制了信息传输容量 所以要根据实际使用场合 选择适当的NA 四 相对折射率差 n1和n2差值的大小直接影响着光纤的性能 为此引入相对折射率差这样一个物理量来表示它们相差的程度 用 表示 即 弱导光纤 有n1 n2 此时 对于渐变型多模光纤 若轴心处r 0时的折射率为n 0 则其相对折射率差的定义为 光纤的数值孔径可表示为 例题 设光纤的纤芯折射率n1 1 500 包层折射率n2 1 485 求 1 相对折射率差 2 数值孔径NA 3 入射临界角 max 解 1 相对折射率差 2 数值孔径NA 3 入射临界角 max 0 01 0 21 12 12o 五时间延迟 时延 突变型多模光纤最大时延差 经历最短和最长路程的二束光线间时间差是输入脉冲展宽的一种度量 是输入脉冲展宽的一种度量 4NA与 T的关系 NA越大 光纤接收光的能力越强 从光源到光纤的耦合效率越高 但NA越大 模间色散越严重 常用于通信的光纤的NA取值范围为 0 1 0 3 例 设光纤长度L 1km 数值孔径NA 0 20 纤芯折射率n1 1 5 求脉冲展宽 T 六突变型多模光纤的最大比特率距离积BL 光纤的最大比特率距离积BL定义为光纤信息传输容量 突变型多模光纤的最大比特率距离积BL为 上式是突变型多模光纤传输容量的基本限制 例 多模阶跃光纤 纤芯折射率n1 1 5 包层折射率n2 1 497 求其传输容量BL 2 渐变型多模光纤渐变折射率光纤的折射率在纤芯中连续变化 适当选择折射率的分布形式 可以使不同入射角的光线有大致相同的光程 从而大大减小群时延差 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽 增加带宽的优点 1 渐变型光纤折射率分布的普遍公式 n1和n2分别为纤芯中心和包层的折射率 r和a分别为径向坐标和纤芯半径 为相对折射率差 g为折射率分布指数g r a 0的极限条件下 表示突变型多模光纤的折射率分布 g 2 n r 按平方律 抛物线 变化 表示常规渐变型多模光纤的折射率分布 具有这种分布的光纤 不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上 因而脉冲展宽减小 渐变型光纤折射率按平方律 抛物线 分布 由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数 纤芯各点数值孔径不同 所以要定义局部数值孔径NA r 和最大数值孔径NAmax 2 射线方程的解用几何光学方法分析渐变型多模光纤要求解射线方程 射线方程一般形式为 式中 是轨迹上某一点的位置矢量 s为射线的传输轨迹 ds是沿轨迹的距离单元 表示折射率的梯度 将射线方程应用到光纤的圆柱坐标中 对于近轴子午光线 射线方程可简化为 渐变型多模光纤射线方程为 这是二阶微分方程 得到光线的轨迹为 式中 C1和C2是待定常数 由边界条件确定 得到光线的轨迹为 当 0 0时 光线平行光纤轴入射 当ri 0时 光线在r 0 z 0处以不同的入射角射入光纤得 自聚焦效应不同入射角相应的光线 虽然经历的路程不同 但是最终都会聚在一点上 这种现象称为自聚焦效应 如图 渐变型多模光纤具有自聚焦效应 不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上 而且这些光线的时间延迟也近似相等 4 渐变光纤最大时延差 折射率按抛物线分布的渐变光纤最大时延差为 式中 n 0 为轴线上的折射率 L为渐变光纤的长度 C为真空中的光速 5 渐变多模光纤的最大比特率距离积BL为 例1一根多模渐变光纤的长度L 1km 纤芯的折射率n 0 1 5 相对折射率差 0 01 求其传输容量BL 2 2 2光在光纤中的模式传输教学内容 一 模式的概念 二 传输模式 三 传条输件 四 单模传输条件 2 2 2光在光纤中的模式传输一 模式的概念所谓的光纤模式 就是满足边界条件的电磁场波动方程的解 电磁场的稳态分布 这种空间分布在传播过程中只有相位的变化 没有形状的变化 且始终满足边界条件 每一种这样的分布对应一种模式 二 传输模式麦克斯韦方程组的求解表明 光纤中可能存在的模式有横电模TE 横磁模TM及混合模HE和EH等四套模式 1 横电模TE0m 如果纵轴方向只有磁场分量Hz 没有电场分量 Ez 0 而横截面上有电场分量的电磁波称为横电模 用TE0m表示 2 横磁模TM0m 如果纵轴方向只有电场分量Ez 没有磁场分量 Hz 0 而横截面上有电场分量的电磁波称为横电模 用TM0m表示 3 混合模HEvm和EHvm 如果纵轴方向既有电场分量EZ又有磁场分量HZ 这种电磁波就是横电模与横磁模的混合 称为混合模 混合模用HEvm和EHvm表示 混合模HEvm和EHvm 当纵轴方向磁场分量占优势 电场分量较弱时 混合模用HEvm表示 反之 当纵轴方向电场分量占优势 磁场分量较弱时 混合模用EHvm表示 主模在所有的导模中 只有模式HE11的归一化截止频率Vc 0 HE11模式是任何光纤中都能存在 永不截止的模式 称为基模或主模 高次模除了主模外 其它的模式称为高次模 波型简并归一化截止频率相同的模式 将同时导行或同时截止 这种现象称为波型简并 如 TE01 TM01 HE21归一化截止频率相同Vc 2 40483 所以TE01 TM01 HE21是波型简并 可得光纤中导波模的传输条件为 V 光纤的归一化频率 Vc 光纤的归一化截止频率 三 传条输件 光纤的归一化频率V 光纤的归一化频率由纤芯和包层的相对折射率差 纤芯的半径以及传输光波长所决定 归一化截止频率VC由模式所决定 四 单模光纤的模式特性 传输模式数目随V值的增加而增多 当V值减小时 不断发生模式截止 模式数目逐渐减少 特别值得注意的是当V 2 405时 只有HE11一个模式存在 其余模式全部截止 HE11称为基模或主模 由此得到单模传输条件为 V 光纤的归一化频率 n1 纤芯折射率 相对折射率差 传输光波长 例 已知突变型多模光纤的纤芯折射率n1 1 5 纤芯和包层的相对折射率差 0 002 若光纤工作波长 1 30 m和 1 55 m 求光纤单模传输时 其最大的纤芯直径为多少 对于给定的光纤 n1 n2和a确定 存在一个临界波长 c 当 c时 是单模传输 这个临界波长 c称为截止波长 截止波长 截止波长计算公式 2 3光纤传输特性产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散 光波在光纤中传输 随着距离的增加光功率逐渐下降 这就是光纤的传输损耗 损耗和色散是光纤最重要的传输特性 2 3 1光纤色散 一 光纤的色散概念1 色散 在物理光学中 色散是指由于某种物理原因使具有不同波长的光经过透明介质后被散开的现象 2 光纤的色散 在光纤中 光信号是由很多不同的成分组成的 由于信号的各频率成分或各模式成分的传播速度不同 经过光纤传输一段距离后 不同成分之间出现时延差 引起传输信号波形失真 脉冲展宽 这种现象称为光纤色散 3 光纤色散对光纤通信的影响 光纤色散的存在使传输的信号脉冲畸变和展宽 从而产生码间干扰 为了保证通信质量 必须增大码间间隔 即降低信号的传输速率 这就限制了光纤系统的通信容量和传输距离 4 光纤色散的种类 按照色散产生的原因 光纤色散可分为模式色散 材料色散 波导色散和极化色散 1 模式色散模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的 它取决于光纤的折射率分布 并和光纤材料折射率的波长特性有关 2 材料色散材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变 不同波长成分的光 其时间延迟不同而产生的 这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度 材料色散 3 波导色散波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差 波导色散 4 极化色散由于HE11y和HE11x模的传播常数 y和 x小不同 因此引起这两个模式传输的不同步 从而形成色散 这种色散叫做极化色散 模式色散材料色散波导色散极化色散 光纤这四种色散的大小有如下关系 在多模光纤中 有模式色散和波长色散 而以模式色散为主 在单模光纤中 不存在模式色散 而只存在材料色散 波导色散和极化色散 由于极化色散很小 一般忽略不计 5 色散的表示色散的大小常用时延差 脉冲展宽 来表示 而时延差是光脉冲的不同模式或不同波长成分传输同样距离所需的时间 用脉冲展宽表示时 光纤色散可以写成 n 模式色散 m 材料色散 w 波导色散 二 多模光纤的色散 1 长度为L突变型多模光纤的色散为 弱导光纤 2 长度为L渐变型多模光纤的色散为 n 0 纤芯轴线的折射率 三 单模光纤的色散 1 色散系数理想单模光纤没有模式色散 只有材料色散和波导色散 材料色散和波导色散总称为波长色散 它是时间延迟随波长变化产生的结果 单模光纤的波长色散用D 度量 其单位是 即单位波长间隔 1nm 的两个频率成分在光纤中传播1km时所产生的群时延差 在工程中将称为色散系数 即定义为 经过复杂推导 合理简化 得到单位长度的单模光纤色散系数为 色散系数D单位是 2 单模光纤色散系数 上式右边第一项Dm为材料色散 上式右边第二项DW为波导色散 1 材料色散Dm其值由实验确定 SiO2材料的近似经验公式为 计算和实验发现 石英光纤在波长 1273nm处 Dm 0 1273nm Dm为正值 2 波导色散DW计算和实验得出 普通单模光纤的波导色散系数DW在波长0 1 8 m范围都是负值 其绝对值则由纤芯半径 相对折射率差及折射率的分布规律确定 一般讲 纤芯半径越小 折射率差越大 波导色散也越负 但与波长的变化不大 3 单模光纤色散特性 在一定的波长范围内 波导色散与材料色散具有相反的符号 波导色散使零色散波长 0从1273nm向右移动了37nm左右 总色散在 1310nm附近为零 即零色散波长 0 1310nm G 652常规单模光纤零色散波长 0 1310nm的石英光纤是一种常规单模光纤 国际电信联盟电信标准化机构ITU T将其命名为G 652光纤 这种光纤既可用于1 31 m波长区 也可用于1 55 m波长区 是一种可供双窗口应用的单模光纤 G 652光纤性能特点是 1 在1 31 m波长处的色散为零 衰减系数约为0 35dB km 2 在波长为1 55 m附近衰减系数最小 约为0 22dB km 但在1 55 m附近其具有最大色散系数 为17ps nm km 3 它的最佳工作波长在1 31 m区域 G 653色散位移单模光纤通过改变光纤的结构参数 折射率分布形状 力求加大波导色散 从而将零色散波长 0从1 310 m位移到1 550 m 实现1 550 m处最低衰减和零色散波长一致 这种光纤称为色散位移单模光纤 ITU T将其命名为G 653光纤 G 653光纤性能特点是 G 653光纤工作波长在1 550 m区域 它非常适合于长距离单信道光纤通信系统 由于G 653光纤在1 550 m处色散为零 所以在掺铒光纤放大器 大光功率影响 通道进行波分复用信号传输时 存在的严重问题是 在1 550 m波长区的零色散产生了四波混频非线性效应 因此 G 653光纤不能应用于密集波分复用传输系统 G 655非零色散位移单模光纤为了解决G 652光纤在1 550 m处的色散限制问题和G 653光纤在1 550 m处零色散产生了四波混频非线性效应的影响 在G 653光纤的基础上通过过改变光纤的结构参数 折射率分布形状的方法 使得这种光纤在1 550 m波长处的色散不为零 零色散波长不在1 55 m 而在1 525 m或1 585 m 故其被称为非零色散位移单模光纤 ITU T将其命名为G 655光纤 G 655光纤性能特点是 G 655光纤在1 55 m有适中的微量色散 其值大到足以抑制密集波分复用系统的四波混频效应 小到允许信道传输速率达到10Gb s以上 G 655光纤性能特点是 非零色散光纤具有常规单模光纤和色散移位光纤的优点 是最新一代的单模光纤 这种光纤在密集波分复用和孤子传输系统中使用 实现了超大容量超长距离的通信 G 652 G 653 G 655的色散参数 4 单模光纤的色散 脉冲展宽 光源均方根谱宽 由单模光纤色散系数定义 得单模光纤的色散为 5 单模光纤的最大比特率距离积 为单模光纤色散系数 为光源均方根谱宽 2 3 2光纤损耗光波在光纤中传输 随着距离的增加光功率逐渐下降 这种现象称为光纤的损耗 由于损耗的存在 在光纤中传输的光信号 不管是模拟信号还是数字脉冲 其幅度都要减小 光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离 是光纤最重要的传输特性之一 自光纤问世以来 人们在降低光纤损耗方面做了大量的工作 1 31 m光纤的损耗值在0 5dB km以下 而1 55 m的损耗为0 2dB km以下 这个数量级接近了光纤损耗的理论极限 1 光纤的损耗系数尽管引起光纤损耗的原因有多种 但在定义其损耗系数时 只考虑输入和输出光纤的光功率之比 光纤的损耗系数定义若长度为L km 的光纤 输入光功率为Pi 输出光功率为表示Po 光纤的损耗系数定义为 dB km 2 损耗的机理光纤的损耗机理主要有三种 即吸收损耗 散射损耗和辐射损耗 吸收损耗与光纤材料有关 散射损耗则与光纤材料及光纤中的结构缺陷有关 辐射损耗与光纤的弯曲有关 一 吸收损耗吸收损耗包括固有吸收和杂质吸收 1 固有吸收 固有吸收是由于光纤材料 SiO2 本身吸收光能而产生的 它主要存在紫外和红外两个波段 紫外吸收是由于光纤材料在紫外区的电子跃迁产生的 吸收带发生在紫外区 7 m 紫外吸收和红外吸收这两种吸收带从不同方向伸展到可见光区 光纤中固有吸收很小 在0 8 1 6 m波段 小于0 1dB km 在1 3 1 6 m波段 小于0 03dB km 2 杂质吸收光纤中的杂质主要有过渡金属和氢氧根 OH 离子 这些杂质是早期实现低损耗光纤的障碍 由于技术的进步 目前过渡