第二章光纤的特性第二周ppt课件

1、第一章 续 光纤与光缆n1.光纤的结构与分类n2.光纤传光原理n3.光纤传输特性n4.光纤材料的物理化学特性n5.光纤制造技术与光缆1.光纤的结构和分类光纤的结构和分类光纤的分层结构光纤的分层结构: 纤芯、包层、涂敷层、护套纤芯、包层、涂敷层、护套各层的材料构成纤芯: SiO2以及少量GeO2、P2O5掺杂包层：高纯度SiO2涂敷层：环氧树脂等高分子材料护套：尼龙或其他有机材料提高纤芯的提高纤芯的折射率折射率传光基本条件：传光基本条件：n1n2包层n2纤芯n1折射率剖面折射率剖面(Refraction index profile)阶跃型阶跃型(step)渐变型渐变型(grading)n1n2a

2、bn1n2abn=n(r)2121 , ,nnbranarnn光纤折射率分布表达式光纤折射率分布表达式 11 , ,21212211farfnnbranararfnn光射线n阶跃光纤n渐变光纤n1n2n0 i zoidzrirmp纤芯 n(r)r*zr0dr光纤分类n阶跃光纤与渐变光纤按照折射率剖面分n单模光纤与多模光纤按照模式分n 图 2.2三种基本类型的光纤(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤 横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)2 光

3、纤传光原理光纤传光原理分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法： （1几何光学法几何光学法可以给出有关波导特性清晰的物理图像和解释。不可以给出有关波导特性清晰的物理图像和解释。不足之处是所给出的结论较为粗糙，不能获得有关电足之处是所给出的结论较为粗糙，不能获得有关电磁场模式在波导内的具体场分布和传输特性等方面磁场模式在波导内的具体场分布和传输特性等方面的完整细节。的完整细节。 （2） 麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法针对具体的波导结构，结合电磁场的边界条件求解针对具体的波导结构，结合电磁场的边界条件求解Maxwell方程组，得到波导内各模式的场分布和特征方程组，得到波导内各模

4、式的场分布和特征方程。方程。2.1 光纤数值孔径的概念n研究对象：阶跃型光线中的光射线子午光线）n研究目标：数值孔径n思绪：光纤中的光射线应满足全反射条件阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc12.1 光纤数值孔径的概念n已知条件：已知条件：n 设纤芯和包层折射率分别为设纤芯和包层折射率分别为n1和和n2，空气的折射率，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z轴一致。第一束光线在光纤轴一致。第一束光线在光纤端面以小角度端面以小角度从空气入射到纤芯，折射角为从空气入射到纤芯，折射角为1，折射，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界

5、面以后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度角度1入射到包层。入射到包层。 阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc12.1 光纤数值孔径的概念阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)321y1lLxoc23纤芯n1包层n2zc1分析 改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理， 存在一个临界角c。(1)当c时，相应的光线有一部分将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。 因此，定义临界角c的正弦为数值孔径(Numerical Aperture)：

6、NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 n0=1，经简单计算得到221212NAnnn2212122112nnnnnn 其中为纤芯与包层相对折射率差。2.1 光纤数值孔径的概念2.2 光纤模式的理解【疑问】是不是满足c的光射线都可以在光纤中稳定传输？答案是否定的。答案是否定的。能够在光纤中传导的电磁波模式能够在光纤中传导的电磁波模式不仅满足芯不仅满足芯/包界面上的全反射条件，包界面上的全反射条件，而且满足传输过程中的相干加强条件而且满足传输过程中的相干加强条件只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！从电磁波动理论来看，模

7、式是光纤中电磁场从电磁波动理论来看，模式是光纤中电磁场传播的一种稳定的分布形态。传播的一种稳定的分布形态。2.2 光纤模式的理解【分析】近似地，认为光纤中传播的光波是均匀平面电磁波，光射线方向就是波矢量k方向。通常将光纤中所传输的波矢量k在其波导传输方向(z方向)上的分量称为光波的传播常数：=kz=k0*n1*sin;其中为光射线方向与光纤横截面的夹角。k0=2/为真空中的波数。根据全内反射条件，sin=n2/n1。只有传播常数满足k0*n2 k0*n1的光波才能在光纤中传播。垂直于波传播方向的由相同相位的点构成的平面称为波阵面。2.2 光纤模式的理解n考虑在光纤中传播的一列光波，上图给出了两

8、条光线(红线和蓝线)，I-I和II-II是两个波阵面。点A和点B属于波阵面I-I，点C和点D属于波阵面II-II。n属于同一波阵面的各点的振动情况应当完全同步，及其振动相位必须相同或相差2的整数倍,因此有2.2 光纤模式的理解【结论】【结论】相干加强条件说明，在满相干加强条件说明，在满足全反射条件情况下，足全反射条件情况下，只有某些以特定角度入只有某些以特定角度入射的光线才能在光纤中射的光线才能在光纤中稳定传播。每一种可以稳定传播。每一种可以传到的电磁波称为光纤传到的电磁波称为光纤的一个模式。即一个模的一个模式。即一个模式对应一种平面波的入式对应一种平面波的入射角度。射角度。在光纤中的光波应该

9、同时在光纤中的光波应该同时满足全反射条件满足全反射条件k0*n2 k0*n1 ）和相干加强条件。和相干加强条件。0123(2 cos )2,0,1,2,.hk nmm0123(AD-BC)2,0,1,2,.k nmm相干加强条件，模式特征方程相干加强条件，模式特征方程2.2 光纤模式的理解【讨论】引入概念：阶跃光纤归一化频率模式数量：由光纤结构、折射率分布以及光波长共同决定。模式数 V2/2n什么情况下光纤中只有一种模式传输？n阶跃型光纤单模条件：0V25年年光纤的物理化学特性光纤的物理化学特性SiO2的软化温度在1700度左右，掺杂后的软化温度降低。石英光纤热膨胀系数：3.410-7/oC；

10、 涂覆层：5 10-7/ oC因此，限制一定的工作温度范围。因此，限制一定的工作温度范围。温温度度特特性性表表(2)光缆(1)光纤制造技术5.5.光纤制造技术和光缆光纤制造技术和光缆原料原料预制棒预制棒光纤光纤光纤制造的关键原料：原料：SiCl4, GeCl4, POCl3, BBr3, O2, He, 提纯：过渡提纯：过渡金属离子，金属离子，OH-，.要求达到要求达到ppb量级量级原料提纯原料提纯光纤丝径控光纤丝径控制，温度控制，温度控制制拉制光纤制作中对各制作中对各种参数的精种参数的精确控制确控制预制棒制备预制棒制备光纤制造技术光纤制造技术制备光纤预制棒制备光纤预制棒 与光纤有相同物理结构

11、和材料结构，尺寸大的实心石英棒与光纤有相同物理结构和材料结构，尺寸大的实心石英棒拉丝拉丝光纤预制棒高温下，拉制成光纤光纤预制棒高温下，拉制成光纤原料：原料：SiCl4, GeCl4, CF2Cl2, O2, Ar, H2, He, 提纯：过渡金属离子，提纯：过渡金属离子，OH-，.预制棒制备工艺：非气相工艺，气相工艺非气相工艺：非气相工艺：双坩埚法，溶胶双坩埚法，溶胶凝胶法，管棒法，粉末机械成形法，凝胶法，管棒法，粉末机械成形法，.nMCVD法法: 美国美国AT&T公司公司nPCVD法法: 荷兰飞利浦公司荷兰飞利浦公司nOVD法法: 美国康宁公司美国康宁公司nVAD法法: 日本住友、古

12、河、腾仓等公司日本住友、古河、腾仓等公司重点介绍重点介绍气相工艺：气相工艺：MCVD，PCVD，OVD，VAD，.MCVD:改良的化学气相沉积法改良的化学气相沉积法- AT&T, USA2222442)()(ClGeOSiOOGeClSiCl化学反应化学反应热泳现象热泳现象处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用而向低温区处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用而向低温区运动，附着在石英管壁上。运动，附着在石英管壁上。MCVD方法简图PCVD （ 1976年，荷兰年，荷兰Philips ） 使用微波在石英管内产生高温等离子代使用微波在石英管内产生高温等离子代替替MCVD法中的氢氧焰进行加热，使得原

13、料法中的氢氧焰进行加热，使得原料发生反应。发生反应。OVD: Outside Vapor Deposition- Corning, USARadial Flamous Hydrolization图 1.2.1 OVD工艺沉积过程示意图燃气氧气+卤化物原料烟尘预制棒模棒燃烧器（喷灯）SiO2和掺杂物干燥气体烧结炉疏松多孔预制棒透明预制棒图 1.2.2 OVD工艺烧结过程示意图VAD: Vapor Axial Deposition- NTT, JapanTV监测干燥气体控制系统引棒透明预制棒疏松预制棒反应腔干燥烧结炉熔融烧结炉排气系统喷灯系统SiO 微粒He Cl22流量控制系统图 1.4.1 V

14、AD工艺示意图222122OHClSiOSiClOHSi gsgvgsgvClSiOOSiClHClSiOOHSiCl2224224242 gsgvClGeOOGeCl22242化学反应化学反应水解反应水解反应氧化反应氧化反应脱水反应脱水反应原料原料预制棒预制棒光纤光纤2、拉丝工艺、拉丝工艺拉丝拉丝工艺工艺流程流程拉丝拉丝控制控制系统系统收丝控收丝控制设备制设备预制棒裸光纤光纤拉丝塔结构示意图光纤拉丝塔结构示意图拉丝工艺简介拉丝工艺简介光纤拉丝工艺包括以下几个方面：光纤拉丝工艺包括以下几个方面：一一 拉丝拉丝将处理好的预制棒送入拉丝炉中，将处理好的预制棒送入拉丝炉中，在高温下，将预制棒的一端熔

15、化以形在高温下，将预制棒的一端熔化以形成石英玻璃丝，再以一定的张力及速成石英玻璃丝，再以一定的张力及速度对其进行牵引，以保持光纤直径稳度对其进行牵引，以保持光纤直径稳定在定在125m范围内范围内二二 涂覆涂覆在光纤冷却后，对光纤表面涂在光纤冷却后，对光纤表面涂UV材料进行材料进行UV固化，以保护光纤表固化，以保护光纤表面精确控制外径在面精确控制外径在2455m，形成，形成标准的商用光纤。标准的商用光纤。涂覆层涂覆层有机材料有机材料拉丝长度拉丝长度l 预制棒体积预制棒体积 Vpreform=D2L/4, D: mm, L: mm 光纤体积光纤体积 Vfiber= d2l/4, d=125 umV

16、preform = Vfiber l = 6.4 10-5D2L (km)拉丝原理拉丝原理保持芯保持芯/包层结构不变！包层结构不变！光缆光缆光纤成缆工艺光缆运用技术要求技术要求保护光纤免受外力作用切断、微弯、侧应力等）保护光纤免受外力作用切断、微弯、侧应力等）便于施工、维护、接续便于施工、维护、接续要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯和微弯尺寸小，重量轻尺寸小，重量轻防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬光缆结构光缆结构缆芯、加强元件、护层缆芯

17、、加强元件、护层缆芯缆芯作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能仍能保持优良的传输性能套塑方法套塑方法紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性能好，易于缓冲外力，是发展方向能好，易于缓冲外力，是发展方向*光缆中必须有防潮层，并填充油膏！光缆中必须有防潮层，并填充油膏！加强元件加强元件中心加强、外层加强中心加强、外层加强要求要求高杨氏模量，高弹性范围，高比强度强度高

18、杨氏模量，高弹性范围，高比强度强度/分分量），量），低线膨胀系数，抗腐蚀性，柔软性低线膨胀系数，抗腐蚀性，柔软性资料资料钢丝，钢绞线，钢管钢丝，钢绞线，钢管强电磁干扰区域、雷区强电磁干扰区域、雷区高强度非金属材料，芳纶纤维高强度非金属材料，芳纶纤维护层是由护套构成的多层组合体护层是由护套构成的多层组合体作用作用保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够机械强度保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够机械强度不同敷设方式不同要求不同敷设方式不同要求管道：较强的抗拉、抗侧压、抗弯曲能力管道：较强的抗拉、抗侧压、抗弯曲能力直埋：铠装抗侧压，同时考虑地面的振动与虫咬直埋：铠装抗侧压，同时考虑地面的振

19、动与虫咬架空：环境的影响，防弹层架空：环境的影响，防弹层水底：更高的抗拉、抗水压、防水能力水底：更高的抗拉、抗水压、防水能力护层结构护层结构填充层：填充层：PVC填充物，固定各单元位置填充物，固定各单元位置内护层：缆芯外一层聚脂薄膜，扎紧缆芯，隔热，缓冲内护层：缆芯外一层聚脂薄膜，扎紧缆芯，隔热，缓冲防水层：密封的铝管，防水进入，特别是水下光缆防水层：密封的铝管，防水进入，特别是水下光缆缓冲层：尼龙带轴向螺旋式绕包缆芯，保护缆芯免受径向压力缓冲层：尼龙带轴向螺旋式绕包缆芯，保护缆芯免受径向压力铠装层：光缆外的金属护套，免受强大的侧向压力铠装层：光缆外的金属护套，免受强大的侧向压力外护套：外护套：PVC，聚乙烯等挤铸在光缆外，保护光缆，聚乙烯等挤铸在光缆外，保护光缆，光缆分类光缆分类缆缆芯芯结结构构层绞式层绞式按一定节距进行绞合，光纤没有活动余地，经受侧按一定节距进行绞合，光纤没有活动余地，经受侧向压力能力弱，通常用松套光纤向压力能力弱，通常用松套光纤骨架式骨架式优良的机械性能和抗冲击性能，微弯损耗小，工艺复杂优良的机械性能和抗冲击性能，微弯损耗小，工艺复杂带状带状空间利用率高，可快速接续，工艺要求高空间利用率