光纤通信(朱宗玖)第二章

第二章光纤与光缆光纤作为光纤通信系统的物理传输媒介，有着巨大的优越性。本章首先介绍光纤的结构与类型，接着分析了光纤的导光原理(光纤的射线理论和波动理论)，最后分析了光纤的相关特性和光缆的结构特点，简述了光纤线路施工的一些注意事项。2.1光纤的结构与类型2.2光纤的射线理论分析2.3光纤的波动理论分析2.4光纤制造工艺简介2.5光纤损耗特性及其测量2.2光纤色散特性及其测量2.3光纤的其他特性参数2.4光缆结构及光缆施工2.1光纤的结构与类型2.1.1光纤是由纤芯和包层同轴组成的双层或多层的圆柱体的细玻璃丝。光纤的外径一般为125-140μm，芯径一般为3-100μm。光纤是光纤通信系统的传输介质，其作用是在不受外界干扰的条件下，低损耗、小失真地传输光信号，如图2.1所示。图2.1光纤结构示意图2.1.2光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。1.按光纤的材料来分按照光纤的材料来分，一般可分为石英系光纤、掺稀土光纤、复合光纤、氟化物光纤、塑包光纤、全塑光纤、碳涂层光纤和金属涂层光纤八种.2.按光纤截面上折射率分布分类按照折射率分布来分，一般可以分为阶跃型光纤和渐变型光纤两种。其折射率分析图如图2.2所示。图2.2阶跃型和渐变型光纤折射率分布图(1)阶跃型光纤如果纤芯折射率(指数)沿半径方向保持一定，包层折射率沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤。这种光纤一般纤芯直径为50—80μm，特点是信号畸变大。它的结构如图2.2(a)所示。(2)渐变型光纤如果纤芯折射率沿着半径加大而逐渐减小，而包层折射率是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。这种光纤一般纤芯直径为50μm，特点是信号畸变小。它的结构如图2.2(b)所示。3.所谓模式，实际上就是指光纤中一种电磁场场型结构分布形式。不同的模式有不同的电磁场场型。根据光纤中传输模式的数量，可分为单模光纤和多模光纤。(1)单模光纤单模光纤是指只能传输基模(HE11)，即只能传输一个最低模式的光纤，其它模式均被截止。单模光纤纤芯直径较小，约为4—10μm。(2)多模光纤多模光纤是指可以传输多种模式的光纤，即光纤传输的是一个模群。多模光纤的纤芯直径约为50μm，2.2光纤的射线理论分析2.2.1从射线理论分析光纤的导光原理光进入光纤后进行射线传播，通过空气、纤芯和包层三种介质。光波在光纤中传输会出现临界状态、全反射状态和部分光进入包层三种状态。1.光在临界状态时的传输情况当Ф2=90º时的状态，称为临界状态，此时入射角Фc。临界状态时光波的传输情况如图2.3(a)所示。在界面2上有折射角Ф2=90º(2-1)入射角Ф1=Фc(2-2)所以在界面1上就有折射角Ф=90º-Фc(2-3)依据斯奈尔(Snell)定律(折射定律)有(2-4)ccnnnncos)90sin(sinsin11100ccnnnncos)90sin(sinsin11100因为n0≈1，所以就有其中所以可见，在第一个界面上入射角为θ0，在第二个界面上的入射角为Фc时，为临界状态。cncossin10nnncc/sin1cos2221222210sinnn2.光在纤芯与包层界面上产生全反射传输传输情况当光线在空气与纤芯界面上的入射角θ0′＜θ0，而在纤芯与包层界面上的入射角大于Фc时，将出现全反射现象，光将全部反射回纤芯中，如图2.3(b)所示。3.部分光进入包层情况当光线在空气与纤芯界面上的入射角大于θ0，而在纤芯与包层界面上的入射角小于Фc时，折射角小于90º，将出现部分光在纤芯中传播，一部分光折射入包层中，进入包层的光将要损耗掉，如图2.3(c)所示。2.2.21.传导模当纤芯与包层界面满足全反射条件时，光就会被封闭在纤芯内传输，这样形成的模称为传导模。相反，当纤芯与包层界面不满足全反射条件时，就有部分光在纤芯内传输，部分光折射入包层，这种从纤芯向外辐射的模式称为辐射模。2.数值孔径接收角最大值θ0的正弦与n0的乘积，称为光纤的数值孔径，用NA表示。根据式可知，对于弱导光纤，有n1≈n2，此时：式中Δ为相对折射率指数差。000sinsinnNA22210sinnn121/)(nnn121/)(nnn121/)(nnn121/)(nnn2sin11n光纤的数值孔径NA仅决定于光纤的折射率n1和n2，与光纤的直径无关。NA表示光纤接收和传输光能力的大小，相对折射率差(Δ)增大，数值孔径(NA)也随之增大。然而NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变也越大，因而限制了信息传输容量。2.3光纤的波动理论分析2.3.1对于圆柱形光纤，采用圆柱坐标系更合适，假设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是角频率为ω的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jωt)，则标量波动方程为：0)(22EcnwE0)(22HcnwH(2-13)式中，E和H分别为电场和磁场在直角坐标中的任一分量，c为真空中的光速。选用圆柱坐标(r,f,z)，使z轴与光纤中心轴线一致，如图2.4所示。将式(2-13)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez的波动方程为解方程(2-14)，求出Ez和Hz，再通过麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。把分解为Ez(r)、Ez(f)和Ez(z)，电场z分量可以写成0)(1122222222ZZZZZEcnwZEErrErrE0)(1122222222ZZZZZEcnwZEErrErrE(2-14))()(),,(zvfjZZerEzfrE(2-15)把式(2-15)代入式(2-14)得到式中，k=2π/λ=2πf/c=ω/c，λ和f为真空中光的波长和频率。0)()(d)(d1d)(d2222222rErvknrrErrrEZZZ(2-16)设纤芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1，包层(r≥a)折射率n(r)=n2，为求解方程(2-16)，引入无量纲参数u,w和V。把式(2-16)分解为两个贝塞尔微分方程：)()()()0()(222122222222222222122nnkawuVarknawarknau－＝＋＝　　　　　　－＝　　　　　　－＝(2-17))()()(1)(222222rErvaudrrdErdrrEdZZa)()()(1)(222222rErvawdrrdErdrrEdZZa(2-18a)(2-18b))()()/(),,()()()/(),,()0()/(),,()0()/(),,()(2)(2)(1)(1arewkawrKBzrHarewkawrKAzrEareJaurJBzrHareJaurJAzrEvjVVZvjVVZvjVVZvjVVZ在纤芯和包层的电场和磁场)表达式为:式中，下标1和2分别表示纤芯和包层的电磁场分量，A和B为待定常数，由激励条件确定。)()()/(),,()()()/(),,()0()/(),,()0()/(),,()(2)(2)(1)(1arewkawrKBzrHarewkawrKAzrEareJaurJBzrHareJaurJAzrEvjVVZvjVVZvjVVZvjVVZ(2-19)2.2.2由式(2-19)确定光纤传输模式的电磁场分布和传输性质，必须求得u、w和β的值。由式(2-17)看到，在光纤基本参数n1、n2、a和k已知的条件下，u和w只和β有关。利用边界条件，导出β满足的特征方程，就可以求得β和u、w的值。电磁场强度的切向分量在纤芯包层交界面连续，在r=a处应该有Ez1=Ez2Hz1=Hz2Ef1=Ef2Hf1=Hf2由Ef和Hf的边界条件导出β满足的特征方程为由这个方程和式(2-17)定义的特征参数V联立，就可求得β值，其结果示于图2.6。(2-20))11)(11(])()()(][)()()([2222212222221wunnwuvwwkKwuJuJnnWwKKuuJuJvVvVvvvV图中纵坐标的传输常数β取值范围为n2k≤β≤n1k相当于归一化传输常数b的取值范围为0≤b≤1,横坐标的V称为归一化频率，根据式(2-17)得到222122222)/(nnnkvwb(2-23)2221π2nnaV(2-24)对于光纤传输模式，有两种情况非常重要，一种是模式截止，另一种是模式远离截止。(1)模式截止当(wr/a)→∞,Kv(wr/a)→exp(-wr/a)，要求在包层电磁场为零即exp(-wr/a)→0，必要条件是w0。若w0，电磁场将在包层振荡，传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。w=0(β=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止。当v=0时，电磁场可分为两类。一类只有Ez、Er和HФ分量，Hz=Hr=0，EФ=0，这类在传输方向无磁场的模式称为横磁模(波)，记为TMou。另一类只有Hz、Hr和EФ分量，Ez=Er=0，Hf=0，这类在传输方向无电场的模式称为横电模(波)，记为TEou。当v≠0时，电磁场六个分量都存在，这些模式称为混合模(波)。混合模也有两类，一类Ez＜Hz，记为HEvu，另一类Ez＞Hz，记为EHvu。下标v和μ都是整数。第一个下标v是贝塞尔函数的阶数，称为方位角模数，它表示在纤芯沿方位角绕一圈电场变化的周期数。第二个下标μ是贝塞尔函数的根按从小到大排列的序数，称为径向模数，它表示从纤芯中心(r=0)到纤芯与包层交界面(r=a)电场变化的半周期数。(2)模式远离截止当V→∞时，w增加很快，当w→∞时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止，其u值记为u∞。2.4光纤的制作工艺简介光纤的制造工艺主要有原材料的提取、预制棒的熔炼、预制棒的拉丝涂覆以及光纤成品的测试四道工序。2.4.1制造光纤的原材料主要有SiCl4、掺杂剂GeCl4和CFCl3，还有高纯氧。2.4.1预制棒的熔炼方法很多，本节重点介绍外部汽相氧化法棒外汽相沉积法(OVPO)和改进的化学气相沉积法(MCVD)。1.外部汽相氧化法棒外汽相沉积法外部汽相氧化法棒外汽相沉积法制造示意图如图2.7所示：外部汽相氧化法棒外汽相沉积法(OVPO法)(1)首先，将中心棒置于喷嘴下方，匀速旋转并来回平移。(2)控制金属卤化物蒸气流成分。(3)沉积过程完成后，经过脱水处理后，抽出中心棒，然后在干燥的大气中、在高温(大约1400℃)环境下将其玻璃化，制成洁净的玻璃预制棒。1.改进的化学汽相沉积法如图2.8所示。这种方法是在石英管的内管壁上用化学汽相沉积的方法形成芯子和包层，加热用氢氧焰喷灯。2.4.1预制棒制作完成，下一步就是将预制棒拉丝成高质量的光纤，如图2.9所示。预制棒的拉丝的基本步骤：(1)首先将预制棒送入高温炉(石墨电阻炉，温度2200度)(2)高温下预制棒软化，甚至融化，且粘度减小，在其表面张力作用下迅速收缩变细，并由拉丝轮以合适的张力向下拉成细丝。(3)通过激光测微计测量细丝的直径，并将测量信息反馈给牵引机。(4)新拉出的光纤在通过涂覆设备进行涂覆(氨基甲酸酯或硅树脂涂层)，以增加光纤的机械强度。(5)涂覆后的光纤经过固化炉使涂层固化，最后被绕在卷丝轮的套筒上。(6)为了进一步保护光纤，提高光纤的强度，将涂覆后的光纤再套上一层热塑性材料，简称套塑。2.4.1光纤成品的测试光纤成品的测试包括拉伸强度、折射率剖面、光纤几何特征、衰减性、信息传输能力(带宽)、色散、操作温度/湿度范围和衰减性的相关温度等方面内容。2.5光纤损耗特性及其测量2.5.1光能在光纤中传播时，会有一