第二章：光纤结构、波导原理和制造

第二章：光纤结构、波导原理和制造回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式主要内容2.1光的基本特性-17世纪意大利格里马蒂和英国胡克观测到光的衍射现象-1690年海牙物理学家惠更斯提出光的波动性学说-1801年托马斯·杨双缝干涉实验-1817年菲涅尔解释并重新演示了光的衍射-1865年麦克斯韦发表电磁场理论并预言光是一种电磁波-1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的预言光的波动性光两种典型的传播方式定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前性质：光的传播方向垂直于波前点光源球面波前平面波前光线假设光在各向同性的均匀介质中传播平面波光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振动方向(1821年，菲涅尔)给定一个空间直角坐标系O-xyz，假设一列平面波始终沿z方向传播，那么这列波可测量的电场可以表示为：其中：e为电场振动方向w为光的角频率k=2p/l为传播常数，表征相位变化的快慢E(z,t)=eEcos(wt-kz)Oyxzee偏振态根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光Oyxzee电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：E(z,t)=Ex(z,t)+Ey(z,t)Ex(z,t)=exE0xcos(wt-kz)Ey(z,t)=eyE0ycos(wt-kz+)这两个垂直分量之间的相位差满足=2mp,其中m=0,±1,±2,…xyEE00arctan2/12020yxEEE线偏振光E0yE0x椭圆偏振光(≠2mp,m=0,±1,±2,…)2002020sincos2yyxxyyxxEEEEEEEE202000cos22tanyxyxEEEE椭圆偏振光2022EEEyx圆偏振光特别地，当两个相互正交的分量E0x=E0y=E0，且二者之间的相位差±p/22mp时，椭圆偏振光变成圆偏振光：迎着光传播的方向观察，根据取p/2和p/2，圆偏振光分为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光kztEekztEetzEyxwwpsincos,:200kztwsinkztwcos2p光的粒子性：光电效应(1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦成功解释)1.光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的2.光子的能量仅与光子的频率有关一个频率为n的光子能量为E=hn其中h=6.6310-34J·s为普朗克常数光的量子特性在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光照频率。光速c=3108m/s波长：l=c/v当光在媒介中传播时，速度cm=c/n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2.2基本的光学定律和定义光的反射定律[两种不同媒介的界面]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：in=r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c=n2sin90°[c=sin-1(n2/n1),n1n2]光的全反射玻璃的折射率为1.50，空气的折射率为1.00，如果一束光从玻璃入射到玻璃-空气界面，那么，当入射角大于42度时，入射光将发生全反射。c光密媒质光疏媒质1p/2-c全反射中，光电场的垂直分量的相移(N)和平行分量的相移(p)全反射光的相移空气与玻璃界面n=n1/n2c1p/2-cc48偏振态按光平面分解垂直分量水平分量c=42度回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式主要内容包层纤芯涂覆层2.3光纤的结构和模式纤芯1)位置：光纤的中心部位2)尺寸：直径d1=4mm~50mm3)材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号纤芯包层包层1)位置：位于纤芯的周围2)尺寸：直径d2=125mm3)材料：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，它使得光信号能约束在纤芯中传输涂覆层1)位置：位于光纤的最外层2)尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5mm3)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，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用按传输的模式数目分•单模光纤•多模光纤按折射率的变化分•阶跃光纤•梯度光纤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)光纤的分类单模光纤和多模光纤单模光纤(SignalModeFiber)：仅允许一个模式传播的光纤多模光纤(MultipleModeFiber)：同时允许多个模式进行传播在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射光的一个传播模式单模光纤和多模光纤(续)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。当光纤芯径的几何尺寸远大于光波波长时，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。反之，当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级时，光纤只允许一种模式在其中传播，即单模传输。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。注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准单模光纤优点：不存在模间色散，带宽大，用于长途传输缺点：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多模光纤优点：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单模光纤和多模光纤(续)模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽阶跃光纤梯度光纤阶跃光纤和梯度光纤梯度光纤可以减小模间色散：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。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，适于长途传输光纤中光传播的分析方法射线追踪法(几何光学分析法)可应用于分析多模光纤(芯径尺寸波长)易于直观理解电磁场导波模式分析应用于分析单模光纤(芯径尺寸波长)n1光纤中光的传播方式有两种：a)子午光线：光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播a-1)约束光线：约束在纤芯内部传播的光线a-2)非约束光线：将折射到纤芯外面b)斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交光纤中光的传播O0OPrn2n1QQn2P光纤的数值孔径–阶跃光纤约束光线产生内全反射的最小入射角应满足：sinc=n2/n1空气的最小入射角应满足：nsin0=n1sin(p/2-c)=(n12–n22)1/2小于最小入射角投射到光纤端面的光线将进入纤芯，并在芯包界面上被全反射，向前传播。定义：数值孔径为NA=nsin0=(n12–n22)1/2=n1(2D)1/2其中D=(n2–n1)/n1为芯包相对折射率差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。NA大有利于光耦合。但是NA太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。n2n1n2纤芯包层0n光纤的数值孔径–梯度光纤DDD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D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–梯度光纤平板波导中的解释dn1n2n2假设：一个平面波的两条光线1和2，以角度p/2-c入射到界面上。根据平面波的性质，光线1和2在传播过程中等相面上的所有点相位必须相同。实际上在受光角内，只有一些以特定离散入射角入射的光线才能沿光纤传播。我们用下面的介质平板波导模型来模拟光纤光轴剖面上的光线传播。A光线向上传播时的相前C光线向下传播时的相前等相面dn1n2n2光线1从A点到B点传播距离为s1，并在上下两个反射面发生两次相位突变，此时它的波前所经历的相位差应等于光线2从C传播到D点且未经反射时波前所经历的相位差加上2kp。即有n1ks1+2=2mpn1ks1。由几何关系,容易得出AB的长度s1=d/sin和CD的长度s2=(cos2–sin2)d/sin。波的相位变化包括因传播而引起的相移，也包括界面上产生反射时所引起的相位变化。A光线向上传播时的相前C光线向下传播时的相前DB光线1在B点反射并向上传播时的相前光线2在D点未经反射时的相前E光传播的入射角条件plpmdnsin21将s1和s2的值代入相位关系式并简化可以得到：假如只考虑波的电场分量垂直于入射面的情况，那么因发射带来的相移为：代入简化式中可以得到：只有入射角满足该式的入射光才能在光纤中传播。sin/cosarctan221222nnplpsincos2sintan1222211nnnkdn回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式主要内容麦克斯韦方程*0BDDJHBEtt00BDDHBEtt一般形式在线性的、各向同性的电介质中，没有电流和自由电荷E电场强度；D电位移矢量；H磁场强度；B磁感应强度J电流密度；自由电荷密度其中，D=eEB=mHStep1：柱坐标下的波导方程*)(0),(ztjerwEE)(0),(ztjerwHH011222222zzzzEqErrErrE011222222zzzzHqHrrHrrH注：其余E、Er、H和Hr分量均可由Ez和Hz求出采用分离变量法求解tTzZrAFtzrEz,,,Step2.分离变量法(阶跃光纤的波动方程)*1)场量随时间t和坐标轴z的变化规律是简谐的)(ztjetTzZw2)波导结构圆对称场分量以2p为周期(因此v=0,1,2,…)