张伟刚-光纤光学原理与应用-第一章

张伟刚-光纤光学原理与应用--第一章第一页，共82页。“导光”的古老历史中国古代烽火台1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察到光在水与空气分界面上作全反射以致光随水流而弯曲的现象1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael)和德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光纤并用于光线和图象的短距离传输2第二页，共82页。“光纤之父”----高锟博士1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导”首次明确提出,通过改进制备工艺,减少原材料杂质,可使石英光纤的损耗大大下降,并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤,从而使光纤可用于通信之中。1970年,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突破。3第三页，共82页。爆炸性发展

自一九七０年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得了极其惊人的进展。

从光纤的衰耗看：

七O年：20dB/km

七二年：4dB/km

七四年：1.1dB/km

七六年：0.5dB/km

七九年：0.2dB/km

九O年：0.14dB/km光纤的损耗已由1000dB/km下降到已经接近石英光纤的理论衰耗极限值0.1dB/km。

致使光纤通信在世界范围内形成了一个充满活力的新兴产业。4第四页，共82页。光纤通信系统基本结构光发送端机光中继放大光接收端机电发送端机电发送端机5第五页，共82页。光纤通信：21世纪的“信息高速公路”以光信号作为载波，以光纤为传输媒介光纤带宽极宽、通信容量极大光纤重量轻、韧性好、易于敷设光纤损耗极低,使无中继通信距离更长保密性好、绝缘性好抗干扰、抗辐射、抗腐蚀成本低、节约金属线材6第六页，共82页。光纤通信系统的发展

76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。80年，多模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤通信系统的现场试验工作。

90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段（565Mb/s），并着手进行零色散位移光纤和波分复用及相干通信的现场试验，而且陆续制定同步数字体系（SDH）的技术标准。

93年，SDH产品开始商用化（622Mb/s以下）。

95年，2.5Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。

96年，10Gb/s的SDH产品进入商用化阶段。

97年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s和40Gb/s的SDH产品试验取得重大突破。

此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也正在取得巨大进展。7第七页，共82页。Year

2000:“光通信的第一个春天”InternetbackboneT3E1STM1STM4STM16STM64cTransportcapacity140Mb/s565Mb/sSTM161.7Gb/sSTM64,4lSTM64,2lSTM64,8lSTM64,16lSTM64,32lI/Orates

=

optical

wavelength

capacityImportantThreshold!Systemcapacity(Mbps)

101010101010123456198519901995200010Gb/sEthernetEthernet

StandardsEthernetFastEthernetGbitEthernet8第八页，共82页。光纤通信技术产业激光技术产业光纤传感技术产业光存储技术产业照明与显示技术产业IC技术产业武汉-中国光谷9第九页，共82页。“光通信的第二个春天”

4G的启动。村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及相关通信用产品。随着用户对带宽需求的提高,技术的突破和新标准的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度下降,FTTH出现迅速发展的势头。铜价的迅速飙升进一步加速了“光进铜退”的步伐和FTTx接入的浪潮汹涌。10第十页，共82页。FTTH光纤到户

2

layerInhouse19layerDist.ONUFiberVDSLmodemVDSLmodemVDSLPersonalUser10BASE-TTEPOWERGovernmentONUOLTVoIPIPNetworkCATVDTVHDTVVoIPIPTV…VLANAdvanceControllIGMPPON10/100/1000Base-T/SX/LXUNIInhouse11第十一页，共82页。三网合一:高质量生活householdOnlineshoppingNetworkgameOnlinelibraryTele-educationE-commerceE-governmentVideotelephoneHDTVBrowse/downloadVideoconferenceTele-medicineFTTHisnotonlyjustabroadbandaccesssolutionbutalsomeanstoenhanceourqualityoflife!12第十二页，共82页。光纤技术的应用领域光纤技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网

AONDWDMOADMOTDMFTTC,B,O,H

位移、振动温度、压力应变、应力电流、电压电场、磁场流量、浓度可以测量70多个物理化学量

广告显示牌激光手术刀仪表照明工艺装饰电力输送光纤面板医用内窥镜潜望镜

光子集成光电子集成集成光路光收发模块光接入模块光开关模块光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用13第十三页，共82页。光波导：约束光波传输的媒介导波光：受到约束的光波光波导三要素：“芯/包”结构凸形折射率分布，n1>n2低传输损耗光纤光学:

是一门研究光波在光纤中传播特性的科学光纤:

是一种介质园柱光波导,它能够约束并导引光波在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播

14第十四页，共82页。光纤(光缆)单模：8~10mm多模：50mm125mm15第十五页，共82页。光纤的分类通信光纤非通信光纤16第十六页，共82页。光纤的进一步分类17第十七页，共82页。光纤的进一步分类18第十八页，共82页。光纤的进一步分类按材料分：石英、塑料、红外光纤特种光纤：保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤零/非零色散位移光纤；负色散光纤；特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤19第十九页，共82页。预制棒的生产主要预制棒生产厂家有康宁、朗讯、阿尔卡特及日本藤仓、古河等主要有四种工艺：MCVD(ModifiedChemicalVaporDeposition)OVD(OutsideVaporDeposition)VAD(VaporAxialDeposition)汽相沿轴沉淀积法

PCVD(PlasmaChemicalVaporDeposition)等离子体化学汽相淀积

2023/4/16第二十页，共82页。工业界大多采用MCVD制作多模光纤。在石英管中加氧气及高纯度的卤化物，加热形成多层折射率不同的玻璃，玻璃再收缩变成实心棒，即为预制棒，此法很容易控制预制棒的形状及大小。预制棒成形后，先作量测，再移到石墨炉中加热抽丝成为光纤2023/4/16第二十一页，共82页。为保护其强度，避免受潮及污染，必须在裸光纤表面镀上保护层，整个生产流程须4～5天（预制棒～2天）。纤芯包层一次涂覆二次涂覆2023/4/16第二十二页，共82页。该工艺由AT&T贝尔实验室于1974年开发。利用SiCl4与GeCl4等气态原料导入旋转石英玻璃管中，并在石英管外侧进行加热使管内物质进行氧化反应，产生SiO2、GeO2在石英管内壁形成30~100层之层积状态而构成光纤之主要成分。若针对制造需有折射率变化规格的光纤产品而言，可透过气态添加物的成分浓度加以控制来完成。返回MCVD2023/4/16第二十三页，共82页。光纤预制棒工艺：MCVD

(ModifiedChemicalVaporeDeposition)24第二十四页，共82页。SiO2、GeO2SiCl4、GeCl4、O22023/4/16第二十五页，共82页。2023/4/16第二十六页，共82页。2023/4/16第二十七页，共82页。Alcatel目前已针对MCVD进行制程上的更新设计，称为AdvancedPlasma&VaporDeposition(APVD法)。主要不同于MCVD法之处在于气态物质沉积之后，利用另外一专用车床机台来熔合沉积物质以构成预制棒，并以石墨感应炉替代原氢氧焰热源进行熔合。

2023/4/16第二十八页，共82页。外部气象沉积法是由康宁公司开发，OVD与MCVD最大不同在于沉积物质形成于由石英、石墨或氧化铝材料制成的“母棒”外表面，意即混合材料的玻璃蒸气物质透过氢氧焰的直接燃烧，使气体材料因热分解以形成SiO2、GeO2之多孔状物质沉积，经过多层累积后形成预型体。返回OVD2023/4/16第二十九页，共82页。光纤预制棒工艺：(OVD)

(OutsideVapourDeposition)美国Corning公司开发的。其后OVD工艺又有不断改进.目前已开发出第七代工艺,使生产效率提高和降低了生产成本大幅度;OVD法又为“管外汽相氧化法”或“粉尘法”,其原料在氢氧焰中水解生成SiO2微粉,然后经喷灯喷出,沉积在由石英、石墨或氧化铝材料制成的“母棒”外表面,经过多次沉积,去掉母棒,再将中空的预制棒在高温下脱水,烧结成透明的实心玻璃棒,即为光纤预制棒。30第三十页，共82页。OVD工艺有沉积和烧结两个具体工艺步骤：先按所设计的光纤折射分布要求进行多孔玻璃预制棒芯棒的沉积（预制棒生长方向是径向由里向外），再将沉积好的预制棒芯棒进行烧结处理，除去残留水份，以求制得一根透明无水份的光纤预制棒芯棒，OVD工艺最新的发展经历从单喷灯沉积到多喷灯同时沉积，由一台设备一次沉积一根棒到一台设备一次沉积多根棒2023/4/16第三十一页，共82页。2023/4/16第三十二页，共82页。VAD工艺是1977年由日本电报电话公司为避免与康宁公司的OVD专利的纠纷所发明的连续工艺。VAD工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。烧结和沉积是在同一台设备中不同空间同时完成的，即预制棒连续制造。VAD2023/4/16第三十三页，共82页。VAD（轴向气相沉积法）是由日本开发出来的,其工作原理与OVD相同,不同之处预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。VAD的重要特点是可以连续生产,适合制造大型预制棒,从而可以拉制较长的连续光纤。

光纤预制棒工艺：VAD

(Vapour-PhaseAxialDeposition)34第三十四页，共82页。

VAD工艺的最新发展由70年代的芯、包同时沉积烧结，到80年代先沉积芯棒再套管的两步法，再到90年代的粉尘外包层代替套管制成光纤预制棒。VAD的重要特点是可以连续生产，适合制造大型预制棒，从而可以拉制较长的连续光纤。2023/4/16第三十五页，共82页。PCVD是由Philips研究实验室开发类似于MCVD的一种技术，但不用氢氧焰进行管外加热，而是改用微波腔体产生的等离子体加热。PCVD工艺的沉积温度低于MCVD工艺的沉积温度，因此反应管不易变形；由于气体电离不受反应管热容量的限制，所以微波加热腔体可以沿着反应管轴向作快速往复移动，这样允许在管内沉积数千个薄层，从而使每层的沉积厚度减小，因此折射率分布的控制更为精确，可以获得更宽的带宽。PCVD2023/4/16第三十六页，共82页。PCVD的沉积效率高，沉积速度快，有利于消除SiO2层沉积过程中的微观不均匀性，从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗，适合制备复杂折射率剖面的光纤，可以批量生产，有利于降低成本。目前，荷兰的等离子光纤公司占据世界领先水平。

2023/4/16第三十七页，共82页。VAD工艺的化学反应机理与OVD工艺相同，也是火焰水解。与OVD工艺不同的是，VAD工艺沉积获得的预制棒的生长方向是由下向上垂直轴向生长的。单模光纤以OVD、VAD技术为主；而多模光纤则以MCVD或PCVD为主。几种制作工艺的比较2023/4/16第三十八页，共82页。PCVD与MCVD的工艺相似之处是，它们都是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温氧化反应。所不同之处是热源和反应机理，PCVD工艺用的热源是微波，其反应机理为微波激活气体产生等离子使反应气体电离，电离的反应气体呈带电离子。带电离子重新结合时释放出的热能熔化气态反应物形成透明的石英玻璃沉积薄层。2023/4/16第三十九页，共82页。拉丝工艺预制棒被电加热炉加热到

1850~2000°C进行拉丝同时检测光纤的直径和控制拉丝速度光纤外径(125mm)

进行涂敷(250mm)，材料为丙烯酸酯。制成的光纤缠绕在直径为20cm左右的转盘上。40第四十页，共82页。光纤光学的发展光纤光学已经愈来愈成为光学与光电子学科领域的一门重要的基础课程。光纤在通信、传感、信息处理以及在工业和医疗等领域的获得广泛新型光纤的不断涌现，例如色散位移光纤、色散平坦光纤、色散补偿光纤、全波光纤、双包层光纤以及光子晶体光纤等。多种光纤光学器件得以发展，例如自聚焦透镜、光纤耦合器、光纤光栅、光纤起偏器、光纤退偏器、光纤调制器、光纤激光器、光纤放大器、光纤衰减器、光纤隔离器与环行器、光纤色散补偿器以及各种光纤传感器等等。41第四十一页，共82页。数值孔径:

定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即n1n22a--相对折射率差--光纤的归一化频率V--截止条件第四十二页，共82页。光纤的光学特性光纤的损耗、色散、非线性效应、偏振对于光纤通信和光纤传感的研究都是十分重要的特性参量。损耗决定了光信号在光纤中被增强之前可传输的最大距离。色散导致光脉冲的展宽，限制光通信系统的传输容量。单根光纤中光功率的增加，光纤的非线性成为难以回避的问题。光纤的偏振特性、保偏、消偏和偏振控制对于光纤通信和光纤传感的研究极为重要。第四十三页，共82页。2.2光纤的损耗

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.弯曲损耗损耗第四十四页，共82页。一、损耗单位光信号在光纤中传播，其功率随距离增加以指数形式衰减。即：其中，P(0)起始处（z=0）信号光功率

P(z)光传输距离z的光功率

称为损耗系数，单位是km-1为了计算方便，用的更多是损耗系数单位：dB/km第四十五页，共82页。为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为光功率的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW的功率。当P=1mW，P=0dBm;当P=50mW，P=17dBm当P=1000mW,P=30dBm;当P=1uW，P=-30dBmdB=10log10(PA/PB)是功率增益的单位，是一个相对值。例如：PA的功率比PB的功率大一倍，那么

10log10(PA/PB)=10log10(2)=3dB注意：dBm减dBm实际上是两个功率相除为dB第四十六页，共82页。P1(dBm)=10log10[PA(mW)/1mW]P2(dBm)=10log10[PB(mW)/1mW]P1(dBm)-P2(dBm)=10log10[PA(mW)/1mW]-10log10[PB(mW)/1mW]=10log10[PA(mW)/PB(mW)]例1：如果PA的功率为46dBm，PB的功率为40dBm,则PA比PB大6dB。

46dBm-40dBm=6dB10log10[PA/PB]=6PA/PB=100.6=3.98≈4第四十七页，共82页。Pin(dBm)=10log10[Pin(mW)/1mW]=10log10[200×10-3mW/1mW]=-7dBm在z=30km时的输出功率（用dBm表示）Pout(dBm)=Pin(dBm)-αz=-7dBm-0.8dB/km×30km=-31dBmPout=10-31/10(mW)=0.79×10-3mW=0.79uW例2：设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为200uW的光信号，求其输出功率Pout。解：首先将输入功率的单位转换成dBm。第四十八页，共82页。例3：注入单模光纤的LD功率为1mW，在光纤输出端光电探测器要求的最小光功率是10nW，在1.3um波段工作，光纤衰减系数是0.4dB/km,请问无须中继器的最大光纤长度是多少？解：从式得到：第四十九页，共82页。二、损耗产生的原因1.吸收损耗①本征吸收损耗（纯石英固有的因吸收引起的损耗）紫外吸收：1.3-1.5um处可引起0.05dB/km损耗红外吸收：在1.7um，可达0.3dB/km,在1.55um，损耗0.01dB/km(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晶格(2)红外吸收光波与光纤晶格相互作用，一部分光波能量传递给晶格，使其振动加剧，从而引起的损耗第五十页，共82页。过渡金属离子：如铁、钴、镍、铜、锰等离子在在0.6um-1.6um范围内有很强的吸收，获得低于

1dB/km的损耗，含量低于10-9.OH-1占据主要影响：在1.38um、0.92um、1.26um处产生很强的吸收，技术突破，可消除。在1.2-1.6um范围内，最大损耗不超过0.5dB/km.②杂质吸收损耗（非本征吸收）解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到99.9999999%的纯度(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)第五十一页，共82页。光纤制造过程中，受到热激励或强辐射将会发生某个共价键断裂而产生原子缺陷，此时，晶格很容易在光场的作用下，产生振动，吸收光能。峰值吸收约为630nm。③原子缺陷吸收损耗1rad(Si)=0.01J/kg例如：光纤暴露在强粒子辐射下，这种吸收会变得十分显著。辐射会改变材料的内部结构而使其遭到破坏，受破坏的程度取决于射线的能量。第五十二页，共82页。2.散射损耗光通过密度或折射率等不均匀的物质时，除了在光的传播方向以外，在其他方向也可以看到光，这种现象称为光的散射。由光的散射所造成的损耗就是散射损耗。①瑞利散射瑞利散射是一种最基本的散射过程，属于固有散射。光纤材料内部因在制备过程中的熔融及冷却过程：密度的不均匀折射率不均匀光波散射光能量损耗这种远小于光波波长尺度的不均匀性对光波的散射称为瑞利散射。第五十三页，共82页。瑞利散射引起的本征损耗可表示为：

аR=c/λ4在0.8um处，аR已达2dB/km,瑞利散射是限制短波长通信的主要因素。在1.55um处аR在0.12-0.15dB/km,当然波长更长会进一步减小，但红外吸收损耗会迅速增加。瑞利散射和红外吸收共同决定了1.55um附近石英光纤最低的损耗系数。第五十四页，共82页。②光纤结构不均匀引起的散射损耗纤芯-包层的界面不完整，芯径变化，圆度不均匀，光纤中残留气泡和裂痕等。③非线性效应散射损耗：受激拉曼散射和受激布里渊散射单模光纤的典型损耗谱多模光纤的典型损耗谱第五十五页，共82页。3.弯曲损耗光纤在使用过程中，弯曲往往是不可避免的，当光纤产生弯曲曲时，引起能量泄漏到包层，这种由能量泄漏导致的损耗称为弯曲损耗。消逝场qqq¢<qqq>qcq¢RCladdingCore场分布第五十六页，共82页。光纤受力弯曲有两种类型：宏弯：光纤弯曲半径比光纤直径大得多的弯曲微弯：光纤成缆时产生的随机性的扭曲为减小弯曲损耗，通常在光纤表面加一种护套，当受外力作用时，护套发生变形，而光纤仍可以保存准直状态。高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模第五十七页，共82页。三、损耗曲线光纤损耗随信号波长变化的曲线。常规单模光纤在1300nm处的损耗为0.5dB/km，在1550km处达到最小值0.3dB/km，在1400nm附近有一个衰减峰值，这是光纤中水分子的吸收作用造成的。第五十八页，共82页。第五十九页，共82页。2.3光纤色散色散概念

当日光通过棱镜时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。第六十页，共82页。光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散。光信号包含不同的频率、模式、偏振分量光源输出有一定谱宽：100KHz~10MHz信号具有不同的频谱分量第六十一页，共82页。色散使信号不同的成分传播速度不同，使信号在目的端产生码间干扰，给信号的最后判决造成困难第六十二页，共82页。1、相速度和群速度相速度：（单色光）等相位面的传播速度。设E=E0cos(wt-kz)由相位不变的条件：

wt-kz=常量

一、基本概念第六十三页，共82页。设角频率分别为w1和w2的两单色光波沿z方向传播，它们的波动公式为：

E1=E0cos(w1t-k1z)E2=E0cos(w2t-k2z)这两个光波的叠加得到：

E=E1+E2=E0cos(w1t-k1z)+E0cos(w2t-k2z)引入平均角频率和平均波数以及调制频率和调制波数

群速度：等振幅面的传播速度，光能量的传输速度，包络中心前进的速度。第六十四页，共82页。则有：

第六十五页，共82页。由振幅不变条件：

wmt-kmz=常量自由空间光纤中第六十六页，共82页。群速度是波长的函数，不同波长的电磁波以不同速度在介质中传播，那么在传播方向的单位距离上不同波长的电磁波所需的时间都不一样，从而产生时延差。这种时延差所造成的后果就是是光脉冲传播时得到展宽。第六十七页，共82页。2.群延时延时差：色散系数第六十八页，共82页。3.色散系数引进色散系数D，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔产生的时延差：群速率色散参数β2由色散系数D，可得到脉冲展宽：第六十九页，共82页。例如：半导体激光器LD的线宽为2nm