第三章光纤.

智能蒙皮光学纤维胃镜光纤传感器植入降落伞中，即时探测降落伞飞行过程中的动态应力变化情况；导电聚合物包敷的光纤传感器植入织物，用于战场上化学或生物物质的探测；塑料光纤传感器植入衬衣探测心率的变化；判断战场上士兵受伤部位和受伤程度；儿童和病人的日常健康监护。其他的应用通信波段划分及相应传输媒介频率Hz10110710210610310510410410510310610210710110810010910-1101010-2101110-3101210-4101310-5101410-61015自由空间波长（m）电力、电话无线电、电视微波红外可见光双铰线同轴电缆光纤卫星/微波AM无线电FM无线电频段划分传输介质光通信用光波载运信息，实现通信光纤通信以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信光纤通信的优点J频带宽、信息容量大J传输损耗低、无中继距离远J材料丰富J抗电磁干扰J光纤间串话小，保密性好J耐腐蚀、耐高压J体积小、质量轻光通信的发展过程雏形：古代烽火、手旗、灯光潜望镜原理——光波导之雏形光纤的诞生理想光传输介质的寻找透明度很高的石英玻璃丝叫做光学纤维简称“光纤”内窥镜一米衰减损耗很大20世纪60年代1000dB/Km高锟于1966年解决了石英光纤损耗的理论问题光的射线理论及光纤传光分析1．光的射线理论（1）直线传播定律光线在均匀介质中总是沿直线传播的，其传播速度为v=c/nc是真空中光速，n是均匀介质折射率。（2）反射定律和折射定律光线经过两种不同介质的交界面时，会发生偏折。3.1概述（3）全反射定律光线从光密介质n1射向光疏介质n2时，若入射角θ1满足以下关系：θ1≥θcarcsin(n2/n1)则只有反射光，而无折射光。θc称为全反射临界角。1.光纤导光原理光纤又称光导纤维，是一种导引光波的波导，它由纤芯和包层两部分组成，外面再加涂覆层以保护光纤。纤芯和包层是两种折射率不同的玻璃，设纤芯折射率为n1，包层折射率为n2，n1＞n2。按照几何光学全反射原理，射线在纤芯和包层的交界面产生全反射，并形成把光闭锁在光纤芯内部向前传播的必要条件，即使经过弯曲的路由光线也不射出光纤之外，如图3.1所示。n2n1入射光纤出射图3.1光纤导光原理光纤（Opticalfiber）是由纯石英拉制而成的高度透明的玻璃丝。横截面很小的双层同心圆柱体，未经涂覆和套塑时称为裸光纤。光纤的结构纤芯包层涂敷层护套约束光的传输形成光波导效应保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性1)(1)阶跃光纤。其纤芯和包层折射率呈台阶型突变。目前，单模光纤多属此类，最早的多模光纤也属此类。(2)渐变光纤。纤芯的折射率分布近似为抛物线型，又称梯度光纤。目前，多模光纤均为此类。(3)其它型光纤。其它型光纤包括有纤芯呈三角型的三角光纤，还有双包层型、四包层型光纤(其包层折射率各层不同)。上述几种类型均为新型单模光纤，但现已不强调其折射率剖面，只强调其性能。光纤的纤芯折射率剖面分布光纤的分类（a）阶跃光纤（b）渐变光纤（c）W型光纤按折射率：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光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径一束光线以与光纤轴线成的角度入射到芯区中心，在光纤——空气界面发生折射，折射光与光纤轴线的夹角由斯涅耳定律决定折射光到达纤芯——包层界面时，若入射角大于临界角时，将发生全反射，若包层折射率为，则定义为式中，θi和θr分别为空气和纤芯的折射率。rinnsinsin1012/sinnnc所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。n2n1n0θiθrφ（1）突变型多模光纤（StepIndexFiber,SIF）纤芯折射率为n1保持不变，到包层突然变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a=50~80μm，光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变大。带宽只有10~20MHz·km，一般用于小容量（8Mb/s以下）短距离（几km以内）系统。横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot输入脉冲光线传播路径输出脉冲（2）渐变型多模光纤（GradedIndexFiber,GIF）在纤芯中心折射率最大为n1，沿径向r向外围逐渐变小，直到包层变为n2。这种光纤一般纤芯直径2a为50μm，光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播，特点是信号畸变小。渐变型多模光纤的带宽可达1~2GHz·km，适用于中等容量（34~140Mb/s）中等距离（10~20km）系统。横截面折射率分布输入脉冲光线传播路径输出脉冲50mm125mmrnAitAot（3）单模光纤（SingleModeFiber,SMF）折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8~10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式（两个偏振态简并），所以称为单模光纤，其信号畸变很小。大容量（565Mb/s~2.5Gb/s）长距离(30km以上)横截面折射率分布输入脉冲光线传播路径输出脉冲～10mm125mmrnAitAot根据常规单模光纤设计的特种单模光纤：（1）W型光纤。这种光纤有两个包层，内包层外直径2a′与纤芯直径2a的比值a′/a≤2。适当选取纤芯、外包层和内包层的折射率n1、n2和n3，调整a值，可以得到在1.3~1.6μm之间色散变化很小的色散光纤（DispersionFlattenedFiber,DFF），或把零色散波长移到1.55μm的色散移位光纤（DispersionShiftedFiber,DSF）。色散平坦光纤适用于波分复用系统。2a2an1n2n3′（2）三角芯光纤纤芯折射率分布呈三角形，这是一种改进的色散移位光纤。这种光纤在1.55μm有微量色散，有效面积较大，适合于密集波分复用和孤子传输的长距离系统使用，是一种非零色散光纤。n2n3n(r)（3）椭圆芯光纤纤芯折射率分布呈椭圆形。这种光纤具有双折射特性，即两个正交偏振模的传输常数不同。强双折射特性能使传输光保持其偏振状态，因而又称为双折射光纤或偏振保持光纤。适用于外差接收方式的相干光系统n1n22)按传输模式分类按传输模式和折射率剖面综合分类，如表3.1所示。表3.1光纤分类表3)按制造光纤的材料来分类，如表3.2所示。石英光纤一般由掺杂石英芯和掺杂石英包层组成,通常用化学气相沉积法制成。这种光纤有很低的损耗和中等程度的色散，有阶跃折射率和渐变折射率两种,适用于长距离、大容量传输。全塑光纤价格便宜，使用方便，适用于近距离，如几百米。但由于石英光纤也不是很贵，因此即使短距离、小容量，也逐渐趋向于采用石英光纤。光纤的种类4)按ITU-T（国际电信联盟远程通信标准化组织）建按ITU-T建议文号，有G.651,G.652,G.653、G.654,G.655,G.65x及正在标准化的色散平坦光纤。它们的纤芯和包层剖面中折射率分布特性及特点见表3.3。表3.3光纤类型及其折射率分布特性纤芯和包层剖面中折射率分布特性光纤类型特点1.结构简单，制造容易；2.用的不多1.很小色散，很宽带宽；2.制造较难1.结构简单，制造容易；2.宏弯和微弯损耗稍大1.可调整的参数多,易于特性最佳化,抗弯曲能力强2.连接损耗稍大1.具有凹陷包层型优点之外，还具有光纤损耗更低的特点；2.连接损耗稍大多模G.651阶跃型抛物线型n1n2n(r)n2n1n2n21n22n1匹配包层型凹陷包层型纯硅纤芯型n21n1n1G.652(标准单模光纤)；表3.3光纤类型及其折射率分布特性1.在1550nm波长低衰减和零色散；2.抗弯曲能力强；3.连接损耗低；4.制造较难1.在1550nm波长低衰减；2.宏弯和微弯损耗稍大1.在1550nm波长低衰减；2.连接损耗稍大1.具有大的有效面积和低的微弯损耗；2.具有略低的衰减；3.制造较难1.具有大的有效面积和低的微弯损耗；2.具有稍大的有效面积；3.制造较难内三角分段芯型n12n2n11G.653(色散位移单模光纤)双台阶芯型n12n2n11匹配包层型n2n1G.654(1550nm波长低衰减单模光纤)凹陷包层型n12n2n11n21n22n1G.655(非色散位移单模光纤)内三角分段芯型双环芯型n12n2n11表3.3光纤类型及其折射率分布特性1.具有较大的负色散：－150～－50ps/(nm·km),用于色散补偿;2.色散特性主要由波导色散决定,而波导色散由折射率分布及其参数决定；3.制造较难1.在宽波段内得到平坦的小色散；2.弯曲损耗大,结构较复杂,制造较困难1.在宽波段内得到平坦的小色散;2.色散特性和抗弯曲能力优于双包层型;3.结构复杂,制造困难分段芯型三包层型双包层型三包层型四包层型G.65x(色散补偿单模光纤)色散平坦光纤n12n2n11n1n21n22n23n1n21n22n1n21n22n23n1n21n22n23n243.2光纤的传输特性3.2.1光纤的衰减特性光在光纤中传播时，其强度或功率要发生衰减，称此为光纤损耗，它是用衰减(损耗)系数来衡量的，即km/dBlg10oiPPL(3.1)式中，L为被测光纤的长度；Pi为输入光纤的光功率；Po为输出光纤的光功率。光纤的衰减系数是度量光能在光纤中传输损失的重要参数。光纤通信工程中，长度为Li，衰减系数为αi的N段光纤相连接，则全长L为NiiLL1(3.2)总衰减为yLNiiiS1(3.3)式中，αS为平均每连接点的损耗，y为连接点数。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.弯曲损耗损耗光纤损耗图3.3光纤损耗的分类吸收损耗可分为材料固有吸收和杂质吸收两类，都是材料中的粒子吸收光能产生振动发热所导致的。1.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：由过渡金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本征吸收(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(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，从而引起的损耗晶格固有吸收有紫外吸收和红外吸收两类，是材料本征特性所固有的。本征吸收曲线非本征吸收光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收OH－吸收峰~2dB解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比如达到10-9级的纯度OH－和过渡金属离子，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)OH－吸收峰二次谐波在1.38μm附近OH－吸收峰基波在0.72μm附近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-材料受到热激励-结构不完善强粒子辐射-材料共价键断裂-原子缺陷吸收光能，引起损耗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.瑞利散射;2.波导散射散射损失以光能形式辐射能量，其中最主要的是瑞利散射，它与λ4成反比。光纤的结构不完善，如有微气泡或折射率不均匀以及有内应力，也能使光纤产生散射损耗。吸收损耗和散射损耗均与传输光能的波长有关。图3.4示出了光纤损耗波长曲线。图3.4光纤损耗波长曲线0.010.1125实测瑞利散射紫外吸收红外吸收0.81.01.21.41.62.0/mm损耗/(dB/km)曲线中有几个衰减小的“传输窗口”：λ=0.8~0.9μm为短波长窗口；λ=1.3μm或1.55μm为长波长窗口。瑞利散射损失曲线和材料固有吸收损失曲线相交形成λ=1.55μm处的最低损失窗口，衰减可达0.15dB/km以下。瑞利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瑞利散射一般发生在短波长本征散射和本征吸收一起构成了损耗的理论最小值波导散射导致的原因是波导缺陷-纤芯和包层的界面不完备-圆度不均匀-残留气泡和裂痕等目前的制造工艺基本可以