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1、第一章 续 光纤与光缆,1.光纤的结构与分类2.光纤传光原理3.光纤传输特性4.光纤材料的物理化学特性5.光纤制造技术与光缆,1.光纤的结构和分类,光纤的分层结构:纤芯、包层、涂敷层、护套,各层的材料构成纤芯:SiO2以及少量GeO2、P2O5掺杂包层：高纯度SiO2涂敷层：环氧树脂等高分子材料护套：尼龙或其他有机材料,提高纤芯的折射率,传光基本条件：n1n2,折射率剖面(Refraction index profile),阶跃型(step),渐变型(grading),n=n(r),光纤折射率分布表达式,阶跃型,渐变型,光射线,阶跃光纤,渐变光纤,光纤分类,阶跃光纤与渐变光纤按照折射率剖面分单
2、模光纤与多模光纤按照模式分,图 2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤,2 光纤传光原理,分析光纤传输原理的常用方法：（1）几何光学法可以给出有关波导特性清晰的物理图像和解释。不足之处是所给出的结论较为粗糙，不能获得有关电磁场模式在波导内的具体场分布和传输特性等方面的完整细节。（2）麦克斯韦波动方程法针对具体的波导结构，结合电磁场的边界条件求解Maxwell方程组，得到波导内各模式的场分布和特征方程。,2.1 光纤数值孔径的概念,研究对象：阶跃型光线中的光射线（子午光线）研究目标：数值孔径思路：光纤中的光射线应满足全反射条件,阶跃型多模光纤的中的光射
3、线(子午光线),2.1 光纤数值孔径的概念,已知条件：设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致。第一束光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯，折射角为1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度1入射到包层。,阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线),2.1 光纤数值孔径的概念,阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线),分析 改变角度，不同相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角c。(1)当c时，相应的光线有一部分将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光
4、纤中传播。,因此，定义临界角c的正弦为数值孔径(Numerical Aperture)：NA=n0sinc=n1cosc，n1sinc=n2sin90 n0=1，经简单计算得到,【NA的物理意义】NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在c内的入射光能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好,其中为纤芯与包层相对折射率差。,2.1 光纤数值孔径的概念,2.2 光纤模式的理解,【疑问】是不是满足c的光射线都可以在光纤中稳定传输？,答案是否定的。,能够在光纤中传导的电磁波模式不仅满足芯/包界面上的全反射条
5、件，而且满足传输过程中的相干加强条件只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！,从电磁波动理论来看，模式是光纤中电磁场传播的一种稳定的分布形态。,2.2 光纤模式的理解,【分析】近似地，认为光纤中传播的光波是均匀平面电磁波，光射线方向就是波矢量k方向。通常将光纤中所传输的波矢量k在其波导传输方向(z方向)上的分量称为光波的传播常数：=kz=k0*n1*sin;其中为光射线方向与光纤横截面的夹角。k0=2/为真空中的波数。根据全内反射条件，sin=n2/n1。只有传播常数满足k0*n2 k0*n1的光波才能在光纤中传播。垂直于波传播方向的由相同相位的点构成的平面称为波阵面。,2.2 光纤模式的理
6、解,考虑在光纤中传播的一列光波，上图给出了两条光线(红线和蓝线)，I-I和II-II是两个波阵面。点A和点B属于波阵面I-I，点C和点D属于波阵面II-II。属于同一波阵面的各点的振动情况应当完全同步，及其振动相位必须相同或相差2的整数倍,因此有,2.2 光纤模式的理解,【结论】相干加强条件说明，在满足全反射条件情况下，只有某些以特定角度入射的光线才能在光纤中稳定传播。每一种可以传到的电磁波称为光纤的一个模式。即一个模式对应一种平面波的入射角度。在光纤中的光波应该同时满足全反射条件（k0*n2 k0*n1）和相干加强条件。,相干加强条件，模式特征方程,2.2 光纤模式的理解,【讨论】引入概念：
7、阶跃光纤归一化频率模式数量：由光纤结构、折射率分布以及光波长共同决定。模式数 V2/2,什么情况下光纤中只有一种模式传输？阶跃型光纤单模条件：0V2.4048单模光纤中光射线形状？平行于光纤轴线的直线,单模光纤,2.2 光纤模式的理解,如何直观地理解模式,损耗、色散和非线性对光信号传输的影响,3.光纤中光传输特性,3.1 光纤传输损耗,功率传输损耗是光纤最基本和最重要的参数之一。光纤中传输的光功率随着传输距离的增加按指数形式衰减。工程应用中，光纤损耗的表述形式：,P0和PL分别为光纤的输入输出功率L为光纤长度为光纤损耗系数,3.1 光纤传输损耗固有损耗,(1)【材料损耗】本征吸收：红外吸收、紫
8、外吸收杂质吸收：有用掺杂吸收、有害杂质吸收瑞利散射(微观不均匀性)(2)【波导损耗】模式损耗：场分布不集中与芯子耦合损耗：模式耦合成辐射模或高次模（应力、微弯、芯子包层界面不规则、折射率纵向不均匀）(3)【工艺缺陷】微裂纹气泡,3.1 光纤传输损耗使用损耗,(4)【光缆附加损耗】微裂纹微弯应力(5)【使用阶段附加损耗】外力(拉力、压力)弯曲温度变化水侵蚀,光纤损耗谱,光纤损耗的克服,提纯材料优化制造工艺控制光功率减小光纤弯曲和接续损耗,3.2 光纤色散,什么是色散？在同一介质中不同频率(波长)的光波传播速度不等的现象。,3.2 光纤色散,色散是限制光纤容量和传输距离的主要因素光纤色散 构成光信
9、号的电磁波各分量在光纤中具有不同传输速度的现象,光纤色散,Dispersive fiber,Dispersed pulse,R,B,IN,色散对光通信系统的影响,信号畸变 光脉冲形状畸变 引起误码,光纤色散产生的原因,模间色散：不同模式不同传输速度材料色散：不同频率不同折射率波导色散：不同频率不同模场分布偏振模色散：不同偏振态不同传输速度,长途系统使用单模光纤,单模光纤色散的定义,单位长度光纤传输时延随波长的变化率,色散调节手段：改变光纤结构，改变波导色散,1.概念光脉冲能量的载体：所有模式不同模式具有不同的传输速度，在光纤中沿传输方向行进的过程中，各模式逐渐分离，使得光信号展宽。,2.模式色
10、散的表示单位光纤长度上，模式的最大时延差,传输速度最快的模式与传输速度最慢的模式通过单位长度光纤所需的时间之差。,3.2.1 多模光纤中的模式色散,几何光学,包层n2,芯区n1,传输最快的子午线,传输最慢的子午线,对于，单位长度光纤传输的时延：,对于，单位长度光纤传输的时延：,2.模式色散的计算,1.概念不同频率的电磁波在介质中具有不同的群速度或群时延的材料属性，从而在传输过程中信号展宽。,3.2.2 材料色散,为什么存在材料色散:Sellmeyer定律,不论任何介质，由于在某些波长上，材料对电磁波存在谐振吸收现象，因此，材料对外场的响应与电磁波的波长相关。即材料的折射率应当是电磁波频率或波长
11、的函数。,1.概念由于波导效应的存在,使模式的不同频率成分在波导中的传输速度不同,由此引起的色散,2.波导色散的表示,用单位频率或波长间隔上的群时延差来表示,3.2.3 波导色散,材料色散与波导色散,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,衰减(dB/km),1600,1700,1400,1300,1200,1500,1100,波长(nm),损耗与色散谱,Advance in transmission fiber:main characteristics,(Data are given at 1.55m),G.655光纤的零色散点都移到了1350nm以下，目前多数G.655光纤的色散量
12、多在68ps/km/nm，色散斜率低于0.07ps/km/nm，光纤在1550nm附近的有效面积大于50m；G.652光纤在1550nm附近典型参数为色散量多在16ps/km/nm左右，色散斜率0.058ps/km/nm，有效面积75m。,色散补偿是G.652光纤应用的关键,无论是在G.652光纤还是在G.655光纤上开通10Gbit/s以上的系统都需要色散补偿，只是使用DCF的长度和补偿方式上有所不同。,当光场较强时，所有介质均对外场表现出一定的非线性。,微观电子在强场作用下对简谐运动的偏离宏观介质在外场作用下的非线性极化,电极化强度矢量,石英光纤,极化强度,真空介电常数,极化率张量,外电场
13、,线性响应,非线性响应,3.3 光纤非线性,石英光纤中的非线性现象,光子与光子之间自相位调制 SPM交叉相位调制 XPM四波混频 FWM光脉冲畸变，啁啾，串音；复用/解复用，波长变换！,光子与声子之间声学声子受激Brillouin散射 SBS光学声子受激RAMAN散射 SRS信号光能量损失，串音；分布放大！,4.光纤的物理化学特性,1.SiO2密度：2.2g/cm32.单模光纤外径：125 microns 裸纤重量：27g/km3.不溶于水4.受OH-影响，必须防水5.抗酸碱性能较差6.绝缘性好7.承受轴向应力能力强,承受径向作用力弱,寿命：25年,光纤的物理化学特性,SiO2的软化温度在17
14、00度左右，掺杂后的软化温度降低。石英光纤热膨胀系数：3.410-7/oC；涂覆层：5 10-7/oC,因此，限制一定的工作温度范围。,温度特性表,(2)光缆,(1)光纤制造技术,5.光纤制造技术和光缆,沉积,拉丝,原料,预制棒,光纤,光纤制造的关键,原料：SiCl4,GeCl4,POCl3,BBr3,O2,He,提纯：过渡金属离子，OH-，.要求达到ppb量级,原料提纯,光纤丝径控制，温度控制,拉制光纤,制作中对各种参数的精确控制,预制棒制备,光纤制造技术,制备光纤预制棒 与光纤有相同物理结构和材料结构，尺寸大的实心石英棒拉丝光纤预制棒高温下，拉制成光纤,原料：SiCl4,GeCl4,CF2
15、Cl2,O2,Ar,H2,He,提纯：过渡金属离子，OH-，.,预制棒制备工艺：非气相工艺，气相工艺,非气相工艺：双坩埚法，溶胶凝胶法，管棒法，粉末机械成形法，.,MCVD法:美国AT&T公司PCVD法:荷兰飞利浦公司OVD法:美国康宁公司VAD法:日本住友、古河、腾仓等公司,重点介绍,气相工艺：MCVD，PCVD，OVD，VAD，.,MCVD:改良的化学气相沉积法-AT&T,USA,化学反应,热泳现象处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用而向低温区运动，附着在石英管壁上。,MCVD工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物（SiCl4、GeCl4）蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）下氯化物和氧
16、气反应生成高纯度氧化物SiO2或GeO2,MCVD方法简图,PCVD（1976年，荷兰Philips）使用微波在石英管内产生高温等离子代替MCVD法中的氢氧焰进行加热，使得原料发生反应。,OVD:Outside Vapor Deposition-Corning,USARadial Flamous Hydrolization,VAD:Vapor Axial Deposition-NTT,Japan,化学反应,水解反应,氧化反应,脱水反应,沉积,拉丝,原料,预制棒,光纤,2、拉丝工艺,拉丝工艺流程,拉丝控制系统,收丝控制设备,预制棒,裸光纤,光纤拉丝塔结构示意图,拉丝工艺简介光纤拉丝工艺包括以下几
17、个方面：一 拉丝将处理好的预制棒送入拉丝炉中，在高温下，将预制棒的一端熔化以形成石英玻璃丝，再以一定的张力及速度对其进行牵引，以保持光纤直径稳定在125m范围内二 涂覆在光纤冷却后，对光纤表面涂UV材料进行UV固化，以保护光纤表面精确控制外径在2455m，形成标准的商用光纤。,涂覆层有机材料,拉丝长度l 预制棒体积 Vpreform=D2L/4,D:mm,L:mm 光纤体积 Vfiber=d2l/4,d=125 umVpreform=Vfiber l=6.4 10-5D2L(km),拉丝原理,保持芯/包层结构不变！,光缆,光纤成缆工艺光缆使用,技术要求保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等
18、）便于施工、维护、接续要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯尺寸小，重量轻防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬,光缆结构,缆芯、加强元件、护层,缆芯,作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下仍能保持优良的传输性能,套塑方法紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性能好，易于缓冲外力，是发展方向*光缆中必须有防潮层，并填充油膏！,加强元件,中心加强、外层加强,要求高杨氏模量，高弹性范围，高比强度（强度/重量），低线膨胀系数，抗腐蚀性，柔软性,材料钢丝，钢绞线，钢管强电磁干扰区域、雷区高强度非
19、金属材料，芳纶纤维,护层是由护套构成的多层组合体,作用保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够机械强度,不同敷设方式不同要求管道：较强的抗拉、抗侧压、抗弯曲能力直埋：铠装抗侧压，同时考虑地面的振动与虫咬架空：环境的影响，防弹层水底：更高的抗拉、抗水压、防水能力,护层结构填充层：PVC填充物，固定各单元位置内护层：缆芯外一层聚脂薄膜，扎紧缆芯，隔热，缓冲防水层：密封的铝管，防水进入，特别是水下光缆缓冲层：尼龙带轴向螺旋式绕包缆芯，保护缆芯免受径向压力铠装层：光缆外的金属护套，免受强大的侧向压力外护套：PVC，聚乙烯等挤铸在光缆外，保护光缆，,光缆分类,缆芯结构,层绞式按一定节距进行绞合，光纤没
20、有活动余地，经受侧向压力能力弱，通常用松套光纤,骨架式优良的机械性能和抗冲击性能，微弯损耗小，工艺复杂,带状空间利用率高，可快速接续，工艺要求高,束管式抗弯，抗压，纵向密封性好，工艺比较简单,(根据缆芯结构不同),四种光缆结构图,【课堂练习】假设某阶跃折射率分布的光纤，其包层折射率为1.445,芯子直径9um，要想使得该光纤对1250nm 波长刚好满足单模条件，该光纤的数值孔径为多少？此时的芯子折射率为多少？,化频归一率,解答：,在1250nm处刚好满足单模条件，即,得到,数值孔径,【课堂练习】已知某长度为13km的单模光纤的功率传输损耗为0.195dB/km，激光器耦合进入光纤输入端的功率为1mW，那么用功率计在光纤输出端检测出的最大光功率是多少？,解答,光纤上的传输损耗：,0.195X13=2.535(dB),根据损耗的定义：,得到输出功率：,谢谢！,
