《光纤简介》PPT课件.ppt

光纤简介,一、光纤的分类二、光纤的制造三、光纤的传输特性四、光纤器件五、特种光纤,一 光纤的分类,光纤是由中心的纤芯和外围的包层组成的同轴圆柱形石英细丝。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。,一 光纤分类,光纤是光导纤维的简称。其传输特性由其结构和材料决定。,光纤的分类：,1.按传输的模式数量：,单模光纤 只能传输一种模式的光纤,多模光纤 同时传输多种模式的光纤,纤芯,包层,缓冲涂覆层,单模：纤芯直径 2a=212 m 纤芯包层折射率差小(n1-n2)/n1 0.00050.01,多模：纤芯直径 2a=50500 m 纤芯包层折射率差大 0.010.02,n2,n1,n2,n1,n2,n1,2a,2a,r,r=a,r=0,单模阶跃折射率光纤,多模阶跃折射率光纤,多模梯度折射率光纤,剖面折射率分布,2.按纤芯折射率分布,阶跃折射率光纤,梯度折射率光纤,3.按传输的偏振态，单模光纤可分为：,a.非偏振保持光纤(非保偏光纤),b.偏振保持光纤（保偏光纤）,单偏振光纤,高双折射光纤,低双折射光纤,圆保偏光纤,阶跃折射率分布：,梯度折射率分布,a-纤芯半径，=1当10时，趋近阶跃型当=1时，三角型（色散位移）当=2时，平方律分布,在石英光纤中,相对折射率差,折射率分布的表示,4.按制造光纤的材料分：,(1).高纯度熔石英光纤,传输损耗低,(2).多组分玻璃纤维,纤芯包层折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径 的光纤。,(3).塑料光纤,成本低、材料损耗大、温度性能差。,(4).红外光纤,(5).液芯光纤,纤芯为液体,(6).晶体光纤,纤芯为单晶，可用于制作有源和无源光纤器件。,近红外15m，中红外10 m,光缆：,光缆可分为陆地光缆、海底光缆、野战光缆。陆地光缆又分为地下管道式、直埋式、架空式和高压地线式等。海底光缆分浅海式和深海式。光缆的特性1.温度特性 温度升高或降低都会使光纤损耗增大，尤其在低温下工作，损耗增大更加明显。在零下55度，损耗急剧增大，低于零下60度，损耗趋于平坦。,2.机械特性 光缆的机械特性主要是指光缆的机械强度和寿命。光纤在成缆以前要经过强度测试。光缆在出厂以前，要经过一定条件下的拉伸、压缩、扭绞、弯曲、冲击等一系列测试。在测试后，光缆外套无丝毫损坏迹象，光缆的最大附加损耗应小于0.2dB/km。陆地防潮光缆，抗张力430g，对1500米以内的海底光缆，要求抗张力860g，对1500米以上的海底光缆，要求抗张力1900g。,光纤的Helmholtz方程,对折射率均匀分布的光纤：,注意：,1、只是说明 是x,y变量的函数，但在x,y,z方向上都有可能存在分量。2、的正负决定了解的性质：振荡解还是衰减解。,纵向分量满足的方程,二层均匀光纤场解分析,折射率分布:,场解形式:,利用纵向与横向场解的关系式，可以得到横向分量解的表达式。,特征方程,可以看出，模式场的解析式只有4个未知量，所以只需4个连续的边界条件：,特征方程,光纤的设计 1.多模光纤的设计 通信用多模光纤标准尺寸：d=50m，D=125 m，NA=0.200.23，1.0%1.3 用于短距离通信，若使用LED作为光源，需使用大数值孔径和大芯径的多模光纤。,二 光纤的设计和制造,2.单模光纤的设计 单模光纤主宰了光纤市场。提高光纤性能：降低本征损耗，增大码速容量，增强抗弯能力。,光纤的制造,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 PVCD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,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：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 2 CF2Cl2+SiCl4+2O2 SiF4+2Cl2+2CO2 石英管内壁上形成SiO2SiF4玻璃层，作为光纤内包层。,掺杂试剂,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：O2 SiCl4+O2SiO2+2Cl2 GeCl4+O2GeO2+2Cl2SiO2 GeO2沉积在内包层玻璃上，成为芯层玻璃。,掺杂试剂,(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30100米/秒。,预制棒拉丝示意图,(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,三 光纤传输特性损耗(dB/km)、色散(ps/nm.km)、非线性效应等 损耗直接影响中继距离；色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影 响通信距离和容量。因此，高速长距离信息 传输，要求光纤具有低损耗和低色散,子午光线的传播,n0,n1,n2,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。,子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。,要使光能完全限制在光纤内传输，则应使光线在纤芯包层分界面上的入射角 大于或等于临界角 0，即,或,sin 0=,1 n2/n12,光纤的数值孔径（NA）：NA n0sin0,光纤的特征参数,1、光纤的数值孔径（NA）,sin 0=,NA=n0,=n1,2,;,2、归一化频率,V,2,a1,2,a1 n1,2,3、衰减系数,10,L,log,Pi,P0,dB/Km,4、色散特性,相对折射率差：,模间色散,模式色散,材料色散,波导色散,光纤的损耗,光纤的损耗,吸收损耗,散射损耗,杂质离子的吸收,过渡族离子金属,OH离子,本征吸收,紫外吸收,红外吸收,制作缺陷,本征散射及其他,折射率分布不均匀,芯涂层界面不理想,气泡、条纹、结石,瑞利散射,布里渊散射,喇曼散射,外界因素引起的光纤系统的损耗,1、弯曲引起的光纤损耗 光纤的宏弯损耗 微弯引起的光纤损耗,2、光纤和光源的耦合损耗,3、多模光纤和多模光纤的耦合损耗,4、光纤种类不同对耦合损耗的影响 光纤芯径不同 折射率不同,5、单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗,光纤的色散,在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的“延迟畸变”，使光脉冲波形在通过光纤后发生展宽。,1、多模色散：,2、波导色散：,3、材料色散：,4、偏振模色散：,色散一般分为 4 种：,发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散，即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。,由于某一传播模的群速度对于光的频率（或波长）不是常数，同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。,由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。,一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结构为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必然会有一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟，这种现象称之为偏振模色散。,四 光纤器件,光纤耦合器,当两光纤纤芯相互充分靠近时，通过包层中消逝场的互相渗透而产生光纤间能量的耦合，其中一部分变为传输模，这就使得功率可以互易地从一根光纤转换到另一根光纤中去，功率转移比由纤芯距离和相互作用长度决定。,制作光纤耦合器的方法：熔拉法和磨抛法,磨抛型单模光纤定向耦合器,光纤与光源的耦合,光纤偏振控制器,利用弹光效应改变光纤中的双折射，以控制光纤中光波的双折射。,当光纤在 x-z 平面内弯曲时，由于应力作用，光纤折射率发生变化，,n=nx ny=0.133a/R2,a：为光纤半径，R：为光纤弯曲半径,快轴位于弯曲平面内，慢轴垂直于弯曲平面。因此利用弯曲光纤的双折射效应，可以制成波片，对于弯曲半径为R的N圈光纤，如适当选择 N，R 使得,n 2NR/m(m 1，2，3),则该光纤圈即成为/m 波片,PZT,3dB耦合器,3dB耦合器,L,L+L,1,2,4,3,Mach-Zehnder 光纤滤波器,MZ 的传输特性:,T1-3=cos2/2，,T1-4=sin2/2，,若有两个频率分别为 f1 和 f2 的光波从 1 端输入，且 f1 和 f2 分别满足：,1 2,2 2,2m,2m 1/2,m 1,2,3,则有：,T1-3 1，T1-4 0 f f1,T1-3 0，T1-4 1 f f2,频率间隔：,fc,2nL,C,(12)/(2nL),或：,FabryPerot 光纤滤波器(fiber Fabry-Perot filter),PZT,光纤,PZT,光纤,光纤,PZT,光纤,光纤,光纤 FP 腔,(a),(b),(c),光纤波导腔 FFPF 光纤两端面直接镀高反射膜，腔长一般为厘米到米量级，因 此自由谱区小。,空气隙腔 FFPF 腔长一般小于 10 m，因此自 由谱区较大。插入损耗也比较 大。,改进型波导腔 FFPT 可通过中间光纤波导段的长度 来调整其自由谱区，其光纤长 度一般为 100 m 到 几厘米。,FFPT 一般用 4 个指标来衡量其性能：,1、自由谱区(FSR,free spectrum range)光滤波器的相邻两个透过峰之 间的谱宽，既是光纤滤波器的调谐范围。FSR 1 2。,2、细度 N 细度定义为：FSR/。为光纤滤波器透过峰的半宽度。,3、插入损耗 反映了入射光波经光纤滤波器后衰减的程度，损耗值为 10lg(P2/P1),P1,P2 分别为入射和出射光功率。,4、峰值透过率 在光纤滤波器的峰值波长处测量的输入光功率和输出 光功率之比。,细度 N 的峰值透过率 的 表达式,A：反射镜的吸收与散色因子，R：反射率，：腔内损耗（包括光纤的吸 收与反射损耗、弯曲损耗、光纤两端面与反射镜之间 的耦合损耗等）。,特种光纤,一、用于特定波长范围的光纤：红外光线、紫外光纤、X 光用光纤；二、用特种材料制作的、并有特种功能的光纤：有发光性能的荧光光纤、有光放大及产生激光性能的掺杂光纤、有耐辐照性能。耐高温性能 等特殊性能的光纤、以及塑料光纤、空心光纤、增敏和去敏光纤、镀金属光纤。,作业：教科书P131,习题2，3，6，8，9,