阶跃光纤光纤的数值孔径

第二章光纤和光缆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，然后用射线光学理论和波动光学理论重点分析光在阶跃型光纤中的传输情况，最后简要介绍光缆的构造、典型结构与光缆的型号。1.光纤具有何种结构？2.光在光纤中如何传播？3.光纤是由何种材料制作的？4.光纤是如何制造的？5.多根光纤是如何组装成光缆？与光纤有关的问题2.1基本光学定义和定律2.2光纤的结构与类型2.3光纤的光学特性2.4光纤光缆制造技术2.5导波原理2.1基本光学定义和定律光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：v=c/n式中：c＝2.997×105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率。常见物质的折射率：空气1.00027；水1.33；玻璃(SiO2)1.47；钻石2.42；硅3.5折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介光在不同的介质中传输速度不同光的反射定律：当一束光线按某一角度射向一块平面镜时，它会从镜面按另一角度反跳出去。光的这种反跳现象叫做光的反射，射向镜面的光叫入射光，从镜面反跳出去的光叫反射光反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin=qr折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin2光的折射定律(Snell定律)空气玻璃光从光密媒质折射到光疏媒质折射角大于入射角n1sin1=n2sin212入射光线折射光线法线n1n2n1n212入射光线折射光线法线n1n2n1n2全反射现象：在某种条件下，光线被关在一种介质中，不射到另一种介质中的现象。θ0法线n1n2n1n212341342临界角θ0：折射角为90°时的入射角sinθo=n2/n1全反射条件：（1）n1n2（2）θ入θo2.2光纤的结构与类型2.2.1光纤的结构光纤(OpticalFiber，OF)就是用来导光的透明介质纤维，一根实用化的光纤是由多层透明介质构成的，一般可以分为三部分：折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和外面的涂覆层。光纤结构示意图纤芯：纤芯位于光纤的中心部位。直径d1=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。纤芯的成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂（如GeO2，P2O5），作用是提高纤芯对光的折射率（n1），以传输光信号。包层：包层位于纤芯的周围。直径d2=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂（如B2O3）的作用则是适当降低包层对光的折射率（n2），使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。涂覆层：光纤的最外层为涂覆层，包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。2.2.2光纤的类型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.按传输模式的数量分类按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-ModeFiber，MMF)和单模光纤(SingleModeFiber，SMF)。多模光纤和单模光纤是由光纤中传输的模式数决定的，判断一根光纤是不是单模传输，除了光纤自身的结构参数外，还与光纤中传输的光波长有关。高次模基模低次模在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤断面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为一个光的传播模式。多模光纤：顾名思义，多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤，或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输模间色散：每个模式在光纤中传播速度不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽单模光纤：只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。优点：单模光纤只能传输基模(最低阶模)，它不存在模间时延差，因此它具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速长途传输是非常重要的。缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励。单模光纤和多模光纤一根光纤是不是单模传输，与(1)光纤自身的结构参数和(2)光纤中传输的光波长有关。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）远大于光波波长时（约1μm），光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。当光纤的几何尺寸（主要是芯径d）较小，与光波长在同一数量级，如芯径d在4μm～10μm范围，这时，光纤只允许一种模式（基模）在其中传播，即单模传输。其余的高次模全部截止。因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。例如，对于常用的通信波长(1550nm)，单模光纤芯径为8～12mm，而多模光纤芯径50mm。2.按光纤截面上折射率分布分类按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-IndexFiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-IndexFiber，GIF)，其折射率分布如图所示。光纤的折射率分布阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1n2,n1=1.463~1.467,n2=1.45~1.46。渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加而递减直到等于包层的折射率。渐变型光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数n(p)来表示。特点：降低了模间色散（或多径色散）沿着轴心传播的光经历的路程短但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。3.按ITU-T建议分类G.652光纤(常规单模光纤)在1310nm工作时，理论色散值为零在1550nm工作时，传输损耗最低G.653光纤(色散位移光纤)零色散点从1310nm移至1550nm，同时1550nm处损耗最低G.654光纤(衰减最小光纤)纤芯纯石英制造，在1550nm处衰减最小(仅0.185dB/km)，用于长距离海底传输G.655光纤(非零色散位移光纤)引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输按套塑可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。紧套光纤就是在一次涂覆的光纤上再紧紧地套上一层尼龙或聚乙烯等塑料套管，光纤在套管内不能自由活动。松套光纤，就是在光纤涂覆层外面再套上一层塑料套管，光纤可以在套管中自由活动。套塑光纤结构4.按按套塑(二次涂覆层)分类5.按光纤的工作波长分类按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤的波长为0.85μm（0.8μm～0.9μm）长波长光纤的波长为1.3μm～1.6μm，主要有1.31μm和1.55μm两个窗口。现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。2.2.3光纤中光的传播一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。子午射线在阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤的传播轨迹分别如图所示。光在阶跃折射率多模光纤中的传播光在渐变折射率多模光纤中的传播子午射线在单模光纤中的传播轨迹子午射线的传播过程始终在一个子午面内，因此可以在二维的平面内来分析，很直观。斜射线在光纤中的传播斜射线的传播过程不在单一平面内，要追踪斜光线则更为困难。2.3光纤的光学特性光纤的光学特性有折射率分布、最大理论数值孔径、模场直径及截至波长等。光纤折射率分布，可用下式表示：2/112)/(21darnn其中，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，a为芯半径，r为离开纤芯中心的径向距离，Δ为相对折射率差，Δ=(n1−n2)/n1。多模光纤的折射率分布，决定光纤带宽和连接损耗，单模光纤的折射率分布，决定工作波长的选择。1.折射率分布2.最大入射角折射光线n根据Snell定理，子午光线产生内全反射的最小入射角满足：12sinnnq空气的最小入射角满足：222111)2sin(sinsinnnnnnq所有以小于最小入射角投射到光纤端面的光线都将进入纤芯，并在纤芯包层界面上被内全反射。最大理论数值孔径的定义为：2/12221max)(nnNA其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。=(n2–n1)/n1为纤芯-包层相对折射率差.光纤的数值孔径（NA）是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。数值孔径对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大有利于光耦合。但是数值孔径太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。3.最大理论数值孔径（Namax）-阶跃光纤21n光纤的数值孔径–梯度光纤arnnnararnrn212/112/11)1()21(0)/(21)(折射率分布其中n1为轴心上的折射率，n2为包层折射率。arararNAnrnrNA0)/(1)0()()(2/12222)0(1nNA在离纤芯距离r处的数值孔径为：其中NA(0)为轴心上的数值孔径光纤的数值孔径–梯度光纤模场直径是指描述单模光纤中光能集中程度的参量。有效面积与模场直径的物理意义相同，通过模场直径可以利用圆面积公式计算出有效面积。模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。因此，对于传输光纤而言，模场直径（或有效面积）越大越好。4.模场直径和有效面积模场直径示意图理论上的截止波长是单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长。截止波长条件可以保证在最短光缆长度上单模传输，并且可以抑制高次模的产生或可以将产生的高次模噪声功率代价减小到完全可以忽略的地步。注：几何特性、光学特性影响光纤的连接质量，施工对它们不产生变化，而传输特性则相反，它不影响施工，但施工对传输特性将产生直接的影响。5.截止波长2.4光纤光缆制造技术选材的准则：1.能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕2.在特定波长损耗低3.能使纤芯的折射率略高于包层，满足波导条件按材料分类：1.无源玻璃纤维；2.有源玻璃纤维；3.塑料纤维2.4.1光纤材料无源玻璃纤维玻璃纤维的主材：SiO2-物理和化学稳定性好-对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫属元素GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层在0.2~8mm具有极低损耗SiO2中掺GeO2或P2O5，折射率增加SiO2中掺氟或B2O3，折射率减小典型组合：1、GeO2-SiO2纤芯，SiO2包层2、P2O5-SiO2纤芯，SiO2包层3、SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层4、GeO2-B2O3-SiO2纤芯，B2O3-SiO2包层卤化物玻璃纤维红外光纤（氟化物光纤）：低损耗范围：0.2~8mm，最低损耗窗口：2.55mm，理论最小损耗：0.01~0.001dB/km。缺点：不成熟，性能不稳定有源玻璃纤维掺稀土光纤：在SiO2中掺入稀土元素实现光放大（或吸收），如：掺铒光纤（EDF）、掺钕光纤。硫属化合物玻璃纤维非线性光纤：用作非线性光学器件。如：As40S58Se2纤芯－As2S3包层塑料光纤（POF）参数