1光纤光学-光纤特性.pptx

1、光纤光学,冉洋 暨南大学 光子技术研究所 ,1,2,光纤的定义,可以将具有波粒二象性的特定波段电磁波以一定特有形式在其中传播的硅基介质材料,Optical Fiber,光导纤维,光纤的发展历史,3,光纤的发展历史,用介质光波导可以实现对光的空间约束与定向引导,1841， Daniel Colladon,lens,4,5,1880年 贝尔发明了光电话,亚历山大贝尔,6,Light Pipe,1881， William Wheeler,7,1960， Theodore Maiman,世界上第一台激光器,8,1966年，高锟博士就光纤传输的前景发表了划时代意义的论文 ，指明通过“原材料的提纯制造出适

2、合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向, 奠定了现代光通信光纤通信的基础。提出了低损耗光纤的预测。,Charles K. Kao,9,1927年，第五届索尔维会议,10,Albert Einstein,11,Werner Heisenberg,12,Erwin Schrdinger,13,Michael Faraday,14,1970年美国康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根低耗损率光纤,损耗为20dB/km,15,康宁的未来生活 I,康宁的未来生活 II,16,1970年，美国Corning，OVD，20dB/km，4dB/km 1974年，美国AT&T，MCVD，性能更优越 1976

3、年，荷兰Philips，PCVD，性能相当 1979年，整体水平：0.33dB/km 1.31微米, 0.2dB/km 1.55微米 1988年，大西洋海底光缆铺设并开通,17,2005 年， FTTH(Fiber To The Home) 光纤入户 2012年， 中国的光纤产能已达到1亿2千万芯公里,18,损耗低 传输容量大 重量轻，体积小 成本低 抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，保密性强 柔性结构,光 纤 优 势,19,光纤的应用,光纤特性 光纤中的非线性效应 光纤无源器件 光纤有源器件 光纤传感技术,课程内容,20,主要参考书,21,廖延彪，光纤光学原理与应用 ，清华大学出版社，2001,

4、刘德明等，光纤光学（第二版），北京：科学出版社，2008,G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics. 2001, New York: Academic Press,22,光纤的特性,光纤的结构 光纤的分类 光纤的模式 光纤的数值孔径 光纤的损耗 光纤的色散 光纤的双折射（偏振）特性,23,光纤的结构,23,1) 位置：光纤的中心部位 2) 尺寸：直径d1 = 4 50 m 3) 材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)， 作用是提高纤芯折射率(n1)，以传输光信号,纤芯,24,包层,位置：位于纤芯的周围 尺寸：直径d2 = 125 m 材

5、料：高纯度SiO2，极少量掺杂剂(如B2O3)的作用则是 适当降低包层折射率(n2)，使之略低于纤芯折射 率，使得光信号能约束在纤芯中传输,25,1) 位置：位于光纤的最外层 2) 尺寸：涂覆后的光纤外径约为250900 m 3) 结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a) 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b) 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物 作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用,涂覆层,26,光纤的特性,光纤的结构 光纤的分类 光纤的模式 光纤的数值孔

6、径 光纤的损耗 光纤的色散 光纤的双折射（偏振）特性,27,光纤的分类,光纤按纤芯和包层材料性质分： 石英光纤、塑料光纤、特殊材料光纤 按传播模式分： 多模光纤和单模光纤 按折射率分： 阶跃型和渐变型,ITU-T官方定义 G.651光纤 (渐变型多模光纤) G.652光纤 (常规单模光纤) G.653光纤 (色散位移光纤) G.654光纤 (衰减最小光纤) G.655光纤 (非零色散位移光纤),28,光纤的特性,光纤的结构 光纤的分类 光纤的模式 光纤的数值孔径 光纤的损耗 光纤的色散 光纤的双折射（偏振）特性,29,光纤的模式,单模光纤(Single Mode Fiber)：仅允许一个模式传

7、播的光纤 多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式传播,什么样的模式可以存在？,30,31,上述场在边界条件下的分布与边值关系,1,2,32,高等光学,33,电磁波导模式,麦克斯韦方程组,E 电场强度；D 电感矢量；H 磁场强度；B 磁感强度 J 电流密度；r 自由电荷密度,各项同性介质 D = eE B = mH,34,简化的波动方程,柱坐标系下,选择Ez作为独立分量,单色光,贝塞尔函数的微分形式,通解,35,光纤波动方程的一个特征解为一个模式，光纤中总的光场分布是这些模式的线性组合。 模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征 按分布形式，模式可以分为以下几种类型：

8、 1. 横电模 (TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z 2. 横磁模 (TM)： z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z 3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的电场和磁场都不为0 HE (Ez Hz) 相反 EH (Ez Hz),36,模式的特性 稳定性：一个模式沿z方向有稳定的分布。 有序性：模式是离散的、可排序的。 叠加性：光波导中总的场分布是模式的线性叠加。 正交性：不同的模式之间满足正交关系。,37,传播常数,传播常数是描述光纤中各模式传输特性的一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。 k0n2 k0n1 当k0n2时，包层中的电磁场不再衰减，而

9、成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模截止。 当=k0n2时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。,38,38,光纤单模的条件,归一化频率,VVc=2.456,Vc是最低阶贝塞尔函数J0(Vc)=0的解,光纤中所支持的电磁波模式数量由光纤的具体结构和折射率分布决定,39,当V 2.405时，光纤只支持一个模式，即单模。减小 V 的一个途径就是减小光纤半径 a。故单模光纤半径比多模光纤小。,40,光纤的特性,光纤的结构 光纤的分类 光纤的模式 光纤的数值孔径 光纤的损耗 光纤的色散 光纤的双折射（偏振）特性,41,数值孔径（NA）：光线

10、能进入纤芯的最大圆锥的半顶角的正弦，乘以圆锥顶所在介质的折射率。,NA是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示无论光源发射功率多大，只有2c张角内的光才能被光纤接收、传播(全反射)；入射角超出这个范围，进人光纤的光线便会进人包层而散失。,数值孔径,42,光纤的特性,光纤的结构 光纤的分类 光纤的模式 光纤的数值孔径 光纤的损耗 光纤的色散 光纤的双折射（偏振）特性,43,光纤的损耗,光纤的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。,光纤,即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗。,44,红外吸收,紫外吸收,45,吸收损耗,原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成,非本征吸收： 由金

11、属离子和氢氧根离子 (OH)等杂质对光 的吸收而产生的损耗,本征吸收： 材料本身 (如SiO2) 的特性决定，即便波导结 构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在 本征吸收,46,原子缺陷吸收,光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动,光纤制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时发生某个共价键断裂导致原子缺陷。,吸收光能，引起损耗,47,光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收,解决方法： (1) 光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度,OH和金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、铬等,(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),非本征吸收,48

12、,散射损耗,光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象 1. 波导散射 - 纤芯和包层的界面不完备 - 圆度不均匀 - 残留气泡和裂痕等 2. 瑞利散射 （本征散射） 波导在小于光波长尺度上的不均匀： - 分子密度分布不均匀 - 掺杂分子导致折射率不均匀 导致波导对入射光产生本征散射,瑞利散射和本征散射一起构成了光纤材料的本征损耗，它们表示在完美条件下材料损耗的下限。,49,瑞利散射在光纤损耗测量中的应用,50,光纤损耗的计算,光信号在均匀光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减： 可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性： 其中L为光纤长度。,51,52,3dB,50%,10

13、dB,常用的损耗值,90%,20dB 99% 30dB 99.9%,53,各个波长光的传输损耗,54,弯曲损耗,宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲,55,弯曲损耗与模场直径的关系,Loss模场直径小 Loss模场直径大,Loss低阶模 Loss高阶模,55,56,微弯：微米级的高频弯曲,微弯的原因： 光纤的生产过程中的带来的不均 成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同 导致的后果： 造成能量辐射损耗,高阶模功率损耗,低阶模功率耦合到高阶模,与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗,56,57,光纤的特性,光纤的结构 光纤的分类 光纤的模式 光纤的数值孔径 光纤

14、的损耗 光纤的色散 光纤的双折射（偏振）特性,58,色散,几列波在媒质中传播，它们的频率不同，传播速度亦不同，这种现象叫色散，在物理学中，把凡是与波速、波长有关的现象，叫作色散。,59,光纤,在光纤中传输的光脉冲，受到光纤的折射率分布，光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素影响，产生“延迟畸变”，使得该脉冲波形在通过光纤后发生展宽，这一效应称为“光纤的色散”。,模式色散，材料色散，波导色散，偏振模色散,59,光纤的色散,60,材料色散,在同一介质中，不同波长的光行进速度不同,61,波导色散,信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有不同的传播速度,光纤总色散是波导色散和材料色散的总和,62,模

15、式色散,多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致的色散,t0,63,阶跃型(step-index)光纤,渐变型(graded-index)光纤,64,65,偏振模色散（PMD）,单模光纤能够维持沿x，y两个正交方向偏振的简并模。,双折射效应导致了偏振模色散,光纤的双折射的变化是随机的，群速度也是随机变化的，因此脉冲在光纤输出端变宽，这种现象称为偏振模色散（PMD）,66,光纤的特性,光纤的结构 光纤的分类 光纤的模式 光纤的数值孔径 光纤的损耗 光纤的色散 光纤的双折射（偏振）特性,67,光纤产生双折射的原因,纤芯的椭圆度引起的双折射,68,应力引起的双折射,弯曲引起的双折射,扭曲引起的双折射,外场引起的双折射,69,保偏光纤,69,在光纤中引入大量双折射，因此微小的，随机的双 折射引起的折射率起伏不会严重影响光的偏振。,基于应力双