1光纤光学-光纤特性

12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OpticalFiber光导纤维3用介质光波导可以实现对光的空间约束与定向引导1841，DanielColladonlens451880年贝尔发明了光电话亚历山大﹒贝尔光通信传输介质光源6LightPipe1881，WilliamWheeler71960，TheodoreMaiman世界上第一台激光器81966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。CharlesK.Kao91927年，第五届索尔维会议10AlbertEinstein11WernerHeisenberg12ErwinSchrödinger13MichaelFaraday141970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/km15康宁的未来生活I康宁的未来生活II161970年，美国Corning，OVD，20dB/km，4dB/km1974年，美国AT&T，MCVD，性能更优越1976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(FiberToTheHome)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光纤技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网AONDWDMOADMOTDM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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刘德明等，《光纤光学》（第二版），北京：科学出版社，2008G.P.Agrawal,NonlinearFiberOptics.2001,NewYork:AcademicPress22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231)位置：光纤的中心部位2)尺寸：直径d1=4~50μm3)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1)位置：位于纤芯的周围2)尺寸：直径d2=125μm3)材料：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251)位置：位于光纤的最外层2)尺寸：涂覆后的光纤外径约为250~900μm3)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4)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(SingleModeFiber)：仅允许一个模式传播的光纤多模光纤(MultipleModeFiber)：同时允许多个模式传播什么样的模式可以存在？30JamesClerkMaxwell1831-1879英国爱丁堡31上述场在边界条件下的分布与边值关系静电场有源变化的电场可以产生磁场磁场是无源的变化的磁场可以产生感应电场1232高等光学33电磁波导模式0BDDJHBEtt麦克斯韦方程组光纤中没有电流和自由电荷00BDDHBEttE电场强度；D电感矢量；H磁场强度；B磁感强度J电流密度；自由电荷密度各项同性介质D=eEB=mH34简化的波动方程02222EEcn0112022222222EEEEEknz柱坐标系下选择Ez作为独立分量ziimFAEzexpexpciti2exp0EE单色光022220222FmknddFdFdanann21贝塞尔函数的微分形式mmCCFNJ21通解2122021knaFmJaKFm2120222kn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：1.横电模(TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z2.横磁模(TM)：z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z3.混合模(HEorEH)：z方向上的电场和磁场都不为0HE(EzHz)相反EH(EzHz)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β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＜β＜k0n1当βk0n2时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，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β=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。3838光纤单模的条件归一化频率VVc=2.456Vc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。22210nnakV0123456n1β/k0n2HE11TE01HE12HE41HE31TE01HE21HE22EH11TM01TM02EH2140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。θcn1n2n000sinnNA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2θc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光纤损耗固有损耗使用损耗材料损耗波导损耗工艺缺陷本征吸收：纯SiO2吸收使用阶段（使用附加损耗）成缆阶段（光缆附加损耗）杂质吸收瑞利散射：微观不均匀性其它有用掺杂有害掺杂模式损耗:场分布不集中在纤芯层耦合损耗:模式耦合成辐射模或高次模应力微弯芯包截面不规则折射率纵向不均匀微裂纹气泡纵向横向微裂纹应力微弯附加损耗外力弯曲温度变化水侵蚀红外吸收紫外吸收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LasersourceFiberDetectionsystemPulsedbeamω0SpontaneousBrillouinscatteringω0±ΩB50光纤损耗的计算LinoutePP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。dB/kmlog10outindBPPL51523dB50%3dB耦合器100%50%50%10dB常用的损耗值90%20dB99%30dB99.9%53OH-吸收峰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消逝场cRCladdingCore场分布55弯曲损耗与模场直径的关系P包层1P包层2Loss模场直径小Loss模场直径大Loss低阶模Loss高阶模5556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5657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t1t2t3t06350μm125μmnrnrn1阶跃型(step-index)光纤渐变型(graded-index)光纤50μm125μm64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50mm125mmrnAitAot(b)～10mm125mmrnAitAot(c)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