光纤通信材料ppt课件

光纤的拉制过程 光缆 光纤的损耗特性 光纤损耗的改进 光纤的色散特性 波长色散模式色散材料色散 模式色散 第二章光纤通信材料 2 1概述2 2光在光纤中的传输原理2 3光纤的传输特性2 4石英通信光纤材料2 5特种光纤材料2 6光纤材料在光纤技术中的主要应用 光纤通信的特点 光纤损耗小 传输距离长光纤的传输带宽宽 容量大光纤不受电磁干扰光纤的串音小 保密性好光纤抗腐蚀资源丰富 2 1概述 一 光纤结构及分类 2 2光在光纤中的传输原理 纤芯包层缓冲涂覆层 光纤的典型结构 光纤结构 光纤的纤芯折射率剖面分布 2b2b2b2c2a2a2annnn1n1n1n2n2n2n30abr0abr0acbr a 阶跃光纤 b 渐变光纤 c W型光纤 光纤的分类按折射率 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 二 阶跃光纤中光束的传播 1 子午光线的传播 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 子午光线传播条件 入射到纤芯和包层分界面上的入射角应满足全反射条件 即 单位长度光纤中光线经过的路程长度 说明 子午光线在光纤中传播的光路长度与纤芯直径无关 仅取决于光线在入射端面上的入射角 光纤所处媒质的折射率n0和光纤纤芯的折射率n1 全反射次数除与上述参数有关外 还与纤芯直径成反比 2 斜光线的传播 斜光线 光纤中不在子午面上的光线 全反射条件 单位长度光纤中斜光线的光路长度s斜和全反射次数分别为 说明 斜光线和子午光线在光纤中的光路长度相同 而斜光线的全反射次数总比子午光线的多 它和轴倾角 密切相关 3 光纤传输模式的特性 1 光纤波导横截面是二维 r和 尺寸 反射从所有表面 即从与y轴成 角的任意半径方向所碰到的界面发生反射 而任意方向的半径均可用x和y来表示 所以波的相长干涉包括x和y方向的反射 用两个整数m和n来标记所有可能在波导中存在的行波或导模 2 光纤中的传输模式是指其中光波场 即电磁场的分布状态 横电模 在横截面上有电场分量 在传输方向上没有电场分量 只有磁场分量 TEmn波横磁模 在横截面上有磁场分量 在传输方向上没有磁场分量 只有电场分量 TMmn波混合模 EHmn HEmn 3 光以各种传导模沿光纤传输 每种模具有自己的传输常数 电场分布和与波长有关的群速度 模间色散 m 电场或磁场在圆周角 方向分量的波节数 即光沿圆周角方向出现的暗区的个数 n 电场或磁场在半径方向分量的波节数 即光沿半径方向出现的暗区的数 1 光波在光纤中的传播 是交变电磁场在光纤中的传播 电磁场的各种不同分布形式称为模式 横电模 TEmn模 Hz 0 Hr 0 H 0 Ez 0 Er 0 E 0横磁模 TMmn模 Ez 0 Er 0 E 0 Hz 0 Hr 0 H 0混合模 EHmn模 HEmn模 具有全部六个电磁场分量 3 光纤传输模式的特性 2 m 电场或磁场在圆周角 方向分量的波节数 即光沿圆周角方向出现的暗区的个数 n 电场或磁场在半径方向分量的波节数 即光沿半径方向出现的暗区的数 3 光以各种传导模沿光纤传输 每种模具有自己的传输常数 电场分布和与波长有关的群速度 模间色散 三 梯度折射率光纤中光线的传播 梯度折射率光纤中光线的传播轨迹与纤芯折射率分布有关 四 光纤的特性参数 1 相对折射率差 表征光被约束在光纤中的难易程度 越大 越容易将传播光束约束在纤芯中 2 受光角 把允许的最大入射角的2倍称为受光角 3 数值孔径 相应于临界角的入射角反映了光纤集光能力的大小 通常被称为孔径角 数值孔径与孔径角的大小相关 NA表示光纤接收和传输光的能力 NA 或 c 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 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 子午光线 斜光线 阶跃折射率光纤 渐变光纤 需用局部数值孔径值NA r 来表示其横截面不同点处的数值孔径 4 折射率分布函数 阶跃光纤 渐变光纤 抛物型或平方律型 5 归一化频率 与参数 n1 a有关 1 4 10 归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量 02 405时 多模光纤6 截止波长截止波长是保证光纤实现单模传输的必要条件 1 4 11 光纤中传输的波长大于 c时 光纤为单模光纤 时 传输模式为多模 2 3光纤的传输特性 产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散 损耗和色散是光纤最重要的传输特性 损耗限制系统的传输距离色散则限制系统的传输容量 一 光纤的损耗 衰减常数 损耗的存在光信号幅度减小限制系统的传输距离 1 吸收损耗吸收损耗分本征吸收 杂质吸收 1 本征吸收本征吸收来自基质材料电子跃迁和分子振动产生的吸收 2 杂质吸收杂质吸收是由于材料不纯造成的 主要来源于材料中的金属离子 Cu Cr Fe Co 等 和氢氧根 OH 在制作过程中 必须对原材料进行严格的化学提纯 损耗的机理 OH 吸收谱 1380nm 950nm 720nm 2730nm OH 吸收峰 2730nm 1380nm 950nm 2 散射损耗散射是由于微小颗粒 材料密度的微观变化 成分的起伏 制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷 非线性效应引起的损耗 可分为制作缺陷散射 瑞利散射 受激散射等 1 光波导散射原料中的杂质 光纤拉制过程中产生的气泡 粗细不均匀 纤芯与包层间界面不平滑等都会引起散射 2 瑞利散射瑞利散射是光纤材料在固化时局部密度起伏折射率不均匀而产生的 瑞利散射损耗的表达式为式中A为瑞利系数 B代表波导色散或不完善引起的损耗 与波长无关 瑞利散射损耗和本征吸收损耗是光纤的固有损耗 决定着光纤损耗的最低理论极限 图2 15单模光纤损耗谱 示出各种损耗机理 二光纤色散1 色散现象色散 Dispersion 是在光纤中传输的光信号 由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应 3 色散的种类 模式色散 各模式之间群速度不同材料色散 光纤材料的折射率随入射光频率不同而变化波导色散 传播常数随入射光波长不同而变化 2 色散产生的原因各模式分量和频谱分量的传播常数不同 传播速度不同 群时延弥散 光脉冲展宽 4 色散的表征 群时延 色散或脉冲展宽的量度 1 最大群时延的差 阶跃光纤中子午光线的传播 2 色散系数 单位线宽光源在单位长度光纤上所引起的群时延的差 色散对传输带宽的影响 5 色散大小的比较 1 单模光纤的色散 材料色散和波导色散 2 多模光纤的色散 多模色散 材料色散 波导色散 光纤零色散点 三 单模光纤的双折射 分类 1 线双折射 光纤对两个正交的线偏振光有 0 1 几何双折射 由于光纤截面的非圆性引起的 最典型的是纤芯的椭圆度引起的双折射 当纤芯直径不均匀时 沿长轴和短轴方向振动的两线偏振基模的相位常数 x y 产生线双折射 2 应力双折射 通过光弹效应引起的 光纤材料本身是各向同性的介质 因而不同偏振方向的光场所遇到的折射率是相同的 但当光纤受力时 便引起了弹性变形 通过光弹效应 该形变又引起折射率的变化 使材料变为各向异性 从而产生双折射 2 圆双折射 光纤对两个左右旋转的圆偏振光有 0 1 场致圆双折射 如果沿光纤的轴向施加外磁场B 则通过光纤的偏振光的偏振方向将发生旋转 2 扭转产生的圆双折射 光纤绕其中心轴转动 由于剪切应力的作用 会在光纤中引起圆双折射 3 椭圆双折射 光纤对两个正交的线偏振光和两个左右旋转的圆偏振光都有 0 影响 由于存在双折射 两模式的群速度不同 因而会在光纤中引起偏振色散 双折射的存在还会导致光纤输出偏振态不稳定 这些双折射效应都会对光纤通信质量构成严重影响 2 4石英通信光纤材料 一 石英光纤的构造和制备 石英光纤的基本构造纤芯 SiO2 GeO2包层 SiO2多包层 SiO2 硼或氟涂覆层 环氧树脂 硅橡胶等 5 50 m125 m光纤外径250 m 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PCVD 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 2 石英光纤的制备 原料 液态卤化物 四氯化硅 四氯化锗 氟里昂等 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 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 第三步 缩棒 加热石英玻璃管 1700 1900 C 使之塌陷 收缩成一要实心棒 称为预制棒 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 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 3 石英光纤的抗拉强度裸光纤抗张力不足1N 加涂覆层后 光纤比同样粗的钢丝的抗拉强度大1倍 理论上 外径为125 m的石英光纤能承受的抗张力为300N 实际值约为理论值的1 4 可绕性好 弯曲半径允许小至5nm左右 工作温度 40 50 C 寿命 10年以上 二 石英光纤的损耗特性 吸收损耗本征吸收损耗红外吸收损耗 Si O键的分子振动 位于9 m 12 5 m 21 m紫外吸收损耗 石英材料的电子转移吸收 位于0 16 m 2 杂质吸收损耗金属离子 FeCuVCrMnNiCoOH 2 73 m 1 39 m 3 原子缺陷吸收损耗 石英材料受到热辐射或光辐射激励时引起的 可忽略不计 2 散射损耗瑞利散射损耗 本征损耗 高温时分子的无规则热运动导致冷却固化后密度的随机不均匀性 引起折射率分布不均匀 2 波导结构散射损耗 石英光纤制备过程中造成波导结构不规则 导致模式间互相耦合 或耦合成高阶模进入包层或耦合成辐射模辐射出光纤 从而产生的光损耗 3 非线性效应损耗 当光纤中传播的光功率较大时 会诱发受激拉曼散射和受激布里渊散射 从而产生光损耗 3 弯曲损耗和涂覆层造成的损耗 宏弯损耗 光纤放置时产生大尺度弯曲 光在光纤中传播时不再满足全反射条件 使一部分光能变成高阶模或从纤芯中辐射出来 微弯损耗 由于光纤材料与套塑层温度系数不一致 形变不均匀 从而造成高阶模和辐射模损耗 涂覆层损耗 高阶模在涂覆层中传播 而涂覆层损耗较高 4 石英光纤损耗的谱特性 通信窗口 0 85 m 1 3 m 1 55 m其中 1 55 m的传输损耗0 19dB km 理论极限是0 14dB km 三 石英光纤的色散特性 如何设计光纤在特定的波段色散为零 1 材料色散 材料色散系数 零材料色散波长 掺杂使零材料色散波长变化很小 如何设计光纤在特定的波段色散为零 总色散 通过改变V和 可以改变DW 从而使光纤在某一特定波段的总色散为零 2 波导色散 波导色散系数 目前 经特殊设计光纤折射率分布函数得到的色散位移光纤 其零色散波长被移到1 55 m 与最低损耗波长相重合 从而同时得到低损耗和低色散的光纤 以满足长距离 大容量光纤通信的需要 四 石英光纤的非线性特性 1 非线性效应产生的原因 材料中束缚电子在外加光场作用下产生非简谐运动 导致电偶极子的感应极化矢量和电场矢量不成正比 2 非线性效应的影响缺点 拉曼散射和布里渊散射以及四波混频过程限制了光纤的通信容量 并导致辞波分复用系统中信道间串扰 优点 在单模光纤中得用拉曼效应产生新的频率 实现拉曼光放大 石英光纤材料具有对称分子结构 趋于零 最低阶非线性效应来自 2 5特种光纤材料 一 偏振保持光纤 1 高双折射光纤 2 设计思想 在制造光纤时有意引进比残余双折射大3个数量级的应力双折射 使残余双折射或扰动引起的双折射都无法改变主应力方向 导致偏振面互相垂直的两正交模式耦合很弱 从而使光纤具有一定保偏能力 3 附加应力双折射产生机理 如制作椭圆包层光纤时 通常芯区掺锗 包层掺硼 由于掺杂材料不同 使芯区和包层具有不同的热膨胀系数 在拉制光纤时 光纤材料从熔融温度降到室温 在此过程中 由于芯区和包层热缩性不同而产生内应力 又由于椭圆包层这一几何形状的不对称因素 所产生的内应力是各向异性的 因而通过光弹效应在芯区引起双折射 1 结构 4 应力附加型保偏光纤中应力元的结构设计对纤芯中双折射大小的影响至关重要 应力元的几何形状还关系到纤芯中应力场的均匀性 它决定了保偏光纤性能的优劣 2 低双折射光纤构造原理 尽量降低光纤的双折射 纤芯为理想的圆形 以降低光纤的形状双折射 减少纤芯的剩余应力 以降低光弹各向异性引起的双折射 3 保偏光纤的应用主要用于光纤传感技术领域 被广泛用于制作各种干涉型光纤传感器 特别是在光纤陀螺和光纤水听器等高精尖军用传感器上 保偏光纤是核心传感元件 二 特定波段光纤 1 红外光纤 损耗低 本征损耗10 1 10 3dB km 主要材料 重金属氧化物玻璃 氟化物玻璃和硫属化合物玻璃 1 氟化物红外光纤理论损耗在2 5 m附近约为0 001dB km 实际值在1dB km左右 主要是杂质吸收损耗 对损耗有较大影响的杂质有Fe2 Co2 Ni2 Cu2 Nd3 OH 等 太空中制造的掺Zr Ba La Al Np的氟化物玻璃光纤 损耗为0 001dB km 2 硫系玻璃光纤 光谱区宽 损耗大CO激光波长5 3 m的损耗为0 2dB km CO2激光波长10 6 m的损耗为1dB m 3 硫卤化物玻璃光纤 以硫系元素和卤素为主要组分的玻璃 对光波长在13 m以下波段具有较高的透射性能 以碲 硒 碘和溴为主要组分的玻璃 对光波长在18 m以下的波段具有较高的透射率 4 晶体光纤和空芯光纤 主要用于近红外和中红外波段传输光能 尤其是传输大功率光能的光纤 红外晶体光纤 氧化物