光纖結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)原理和制造

1、第二講第二講 光纖結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)原理和制造光纖結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)原理和制造 回顧光的特性、基本的光學(xué)定律和定義介紹光纖結(jié)構(gòu)、分類、特性和射線光學(xué)解釋圓波導(dǎo)模式及其理論簡(jiǎn)介*單模光纖的特性、材料以及制造工藝光纖的幾種成纜方式主要內(nèi)容主要內(nèi)容2.1 光的基本特性光的基本特性- 17世紀(jì)意大利格里馬蒂格里馬蒂和英國(guó)胡克胡克 觀測(cè)到光的衍射現(xiàn)象- 1690年海牙物理學(xué)家惠更斯惠更斯提出光 的波動(dòng)性學(xué)說(shuō)- 1801年托馬斯托馬斯楊楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)- 1817年菲涅爾菲涅爾解釋并重新演示了光 的衍射- 1865年麥克斯韋麥克斯韋發(fā)表電磁場(chǎng)理論并 預(yù)言光是一種電磁波- 1888年赫茲赫茲實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的 預(yù)言光的波動(dòng)

2、性光的波動(dòng)性光兩種典型的傳播方式定義：具有相同相位的點(diǎn)的集合稱為光的等相面或者波前性質(zhì)：光的傳播方向垂直于波前點(diǎn)光源球面波前平面波前光線假設(shè)光在各向同性的均勻介質(zhì)中傳播平面波光波是一個(gè)橫波，其傳播方向垂直于電場(chǎng)(E)和磁場(chǎng)(H)的振動(dòng)方向 (1821年，菲涅爾)給定一個(gè)空間直角坐標(biāo)系O-xyz，假設(shè)一列平面波始終沿 z 方向傳播，那么這列波可測(cè)量的電場(chǎng)可以表示為：其中：e為電場(chǎng)振動(dòng)方向 w為光的角頻率 k = 2p/l為傳播常數(shù)，表征相位變化的快慢E(z, t) = eEcos(wt - kz)Oyxzee偏振態(tài)根據(jù)光的電場(chǎng)矢量在xy平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以將光分為：線偏振光橢圓偏振光圓偏振光O

3、yxzee電場(chǎng)矢量在xy平面上的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線的光稱為線偏振光，它可以表示為兩個(gè)相互正交的線偏振光：E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t) Ex(z, t) = exE0 xcos(wt - kz)Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +)這兩個(gè)垂直分量之間的相位差滿足 = 2mp, 其中m = 0, 1, 2,xyEE00arctan2/12020yxEEE線偏振光E0yE0 x橢圓偏振光 ( 2mp, m = 0, 1, 2,)2002020sincos2yyxxyyxxEEEEEEEE202000cos22tanyxyxEEEE橢圓偏振光2022

4、EEEyx圓偏振光特別地，當(dāng)兩個(gè)相互正交的分量E0 x = E0y = E0，且二者之間的相位差 p/2 2mp 時(shí)，橢圓偏振光變成圓偏振光：迎著光傳播的方向觀察，根據(jù) 取p/2和p/2，圓偏振光分為右旋圓偏振光和左旋圓偏振光kztEekztEetzEyxwwpsincos,:200kzt wsinkzt wcos2p光的粒子性：光電效應(yīng) (1887年赫茲發(fā)現(xiàn)，1905年愛(ài)因斯坦成功解釋)1. 光能量的發(fā)射與吸收總是以光量子的離散形式進(jìn)行的2. 光子的能量?jī)H與光子的頻率有關(guān)一個(gè)頻率為n的光子能量為E = hn 其中h = 6.63 10-34 Js為普朗克常數(shù)光的量子特性在光的照射下，金屬是否

5、發(fā)射電子，僅與光的頻率相關(guān)，而與光的亮度和照射時(shí)間無(wú)關(guān)。不同的金屬材料要求不同的光照頻率。光速 c = 3 108 m/s波長(zhǎng)：l = c/v當(dāng)光在媒介中傳播時(shí)，速度cm = c/n常見(jiàn)物質(zhì)的折射率：空氣 1.00027；水 1.33；玻璃 (SiO2) 1.47；鉆石 2.42；硅 3.5折射率大的媒介稱為光密媒介，反之稱為光疏媒介光在不同的介質(zhì)中傳輸速度不同2.2 基本的光學(xué)定律和定義基本的光學(xué)定律和定義光的反射定律兩種不同媒介的界面反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè)，且反射角等于入射角：in = r折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi)，折射光線

6、和入射光線位于法線的兩側(cè)，且滿足：n1 sin1 = n2 sin2光的折射定律 (Snell定律 )空氣玻璃光從光密媒質(zhì)折射到光疏媒質(zhì)折射角大于大于入射角n1 sinc = n2 sin 90 c = sin-1(n2/n1), n1 n2光的全反射玻璃的折射率為1.50，空氣的折射率為1.00，如果一束光從玻璃入射到玻璃 - 空氣界面，那么，當(dāng)入射角大于42度時(shí)，入射光將發(fā)生全反射。c光密媒質(zhì)光疏媒質(zhì)1 p/2 - c全反射中，光電場(chǎng)的垂直分量的相移(N)和平行分量的相移(p)全反射光的相移空氣與玻璃界面n = n1/n2 c1 50 mm。注意：芯徑尺寸不是判斷單模和多模光纖的標(biāo)準(zhǔn)注意：

7、芯徑尺寸不是判斷單模和多模光纖的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖優(yōu)點(diǎn)：不存在模間色散，帶寬大，用于長(zhǎng)途傳輸缺點(diǎn)：芯徑小，較多模光纖而言不容易進(jìn)行光耦合，需要使用半導(dǎo)體激光器(LD)激勵(lì)多模光纖優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，容易注入光功率，可以使用發(fā)光二極管 (LED)作為光源缺點(diǎn)：存在模間色散，只能用于短距離傳輸單模光纖和多模光纖 (續(xù))模間色散：每個(gè)模式在光纖中光程不同，導(dǎo)致光脈沖在不同模式下的能量到達(dá)目的地的時(shí)間不同，造成脈沖展寬階躍光纖梯度光纖階躍光纖和梯度光纖梯度光纖可以減小模間色散：沿著軸心傳播的光經(jīng)歷的路程短但折射率高，沿纖芯外層傳播的光路程長(zhǎng)但折射率低。ITU-T建議分類G.652光纖(常規(guī)單模光纖) 在1310

8、nm工作時(shí)，理論色散值為零 在1550 nm工作時(shí)，傳輸損耗最低G.653光纖(色散位移光纖) 零色散點(diǎn)從1310 nm移至1550 nm，同時(shí)1550 nm處 損耗最低G.654光纖(衰減最小光纖) 纖芯純石英制造，在1550 nm處衰減最小(僅0.185 dB/km)，用于長(zhǎng)距離海底傳輸G.655光纖(非零色散位移光纖) 引入微量色散抑制光纖非線性，適于長(zhǎng)途傳輸光纖中光傳播的分析方法l射線追蹤法 (幾何光學(xué)分析法)l可應(yīng)用于分析多模光纖 (芯徑尺寸 波長(zhǎng))l易于直觀理解l電磁場(chǎng)導(dǎo)波模式分析l應(yīng)用于分析單模光纖 (芯徑尺寸 波長(zhǎng))n1光纖中光的傳播方式有兩種：a) 子午光線：光線始終在一個(gè)包

9、含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播 a-1) 約束光線：約束在纖芯內(nèi)部傳播的光線 a-2) 非約束光線：將折射到纖芯外面b) 斜光線：光線的傳播軌跡不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，并且不 與光纖的軸線相交光纖中光的傳播O0OPrn2n1QQn2P光纖的數(shù)值孔徑 階躍光纖 約束光線產(chǎn)生內(nèi)全反射的最大入射角應(yīng)滿足：sinc = n2/n1空氣的最大入射角應(yīng)滿足：nsin0 = n1sin(p/2-c) = (n12 n22)1/2小于最大入射角投射到光纖端面的光線將進(jìn)入纖芯，并在芯包界面上被全反射，向前傳播。定義：數(shù)值孔徑為NA = nsin0=(n12 n22)1/2 = n1(2D)1/2其中D = (n1 n

10、2)/n1為芯包相對(duì)折射率差NA是一個(gè)小于1的無(wú)量綱的數(shù)，其值通常在0.14到0.50之間。NA大有利于光耦合。但是NA太大的光纖模畸變加大，使得通信帶寬較窄。n2n1n2纖芯包層0n光纖的數(shù)值孔徑 梯度光纖DDDarnnnararnrn212/112/11)1 ()21 (0)/(21)(折射率分布其中n1為軸心上的折射率，n2為包層折射率。arararNAnrnrNA0)/(1)0()()(2/1222D2)0(1nNA在離纖芯距離r處的數(shù)值孔徑為：其中NA(0)為軸心上的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑 梯度光纖回顧光的特性、基本的光學(xué)定律和定義介紹光纖結(jié)構(gòu)、分類、特性和射線光學(xué)解釋圓波導(dǎo)模式及其

11、理論簡(jiǎn)介*單模光纖的特性、材料以及制造工藝光纖的幾種成纜方式主要內(nèi)容主要內(nèi)容麥克斯韋方程*0BDDJHBEtt00BDDHBEtt一般形式在線性的、各向同性的電介質(zhì)中，沒(méi)有電流和自由電荷E 電場(chǎng)強(qiáng)度；D 電位移矢量；H 磁場(chǎng)強(qiáng)度；B 磁感應(yīng)強(qiáng)度J 電流密度； 自由電荷密度其中，D = eE B = mHStep 1：柱坐標(biāo)下的波導(dǎo)方程*)(0),(ztjerw EE)(0),(ztjerw HH011222222zzzzEqErrErrE011222222zzzzHqHrrHrrH注：其余E、Er、H和Hr分量均可由Ez和Hz求出采用分離變量法求解 tTzZrAFtzrEz,Step 2. 分

12、離變量法 (階躍光纖的波動(dòng)方程)*1) 場(chǎng)量隨時(shí)間t和坐標(biāo)軸z的變化規(guī)律是簡(jiǎn)諧的 )(ztjetTzZw2) 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圓對(duì)稱場(chǎng)分量以2p為周期 (因此v = 0,1,2,) jve0122222FrvqrFrrF代入波動(dòng)方程，得到貝塞爾方程： ztjjvvzeeurAJarEwztjjvvzeeurBJarHwztjjvvzeewrCKarEwztjjvvzeewrDKarHwn1n2n2r = ar 0 場(chǎng)解為有限值r 場(chǎng)解衰減為0其中u2 = (2pn1)/l2 2其中w2 = 2 (2pn2)/l2 Step 3. 階躍光纖中的波動(dòng)方程*纖芯區(qū)域的解為貝塞爾函數(shù)纖芯外部的解為修正的貝塞爾

13、函數(shù)2.4 圓波導(dǎo)的模式圓波導(dǎo)的模式 麥克斯韋方程的一個(gè)解即對(duì)應(yīng)一個(gè)模式，對(duì)應(yīng)著電磁場(chǎng)在光纖中的一種分布形式。按分布形式，模式可以分為以下幾種類型：1. 橫電模 (TE)：z方向上的電場(chǎng)分量為0，或電場(chǎng)分量垂直于z2. 橫磁模 (TM)： z方向上的磁場(chǎng)分量為0，或磁場(chǎng)分量垂直于z3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)都不為0 HE (Ez Hz) 相反 EH (Ez Hz)模式概述 下面為光軸剖面的幾個(gè)低階橫電模式的場(chǎng)分布。它們表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：(1) 它們的強(qiáng)度在纖芯區(qū)域簡(jiǎn)諧變化，在包層按指數(shù)衰減。(2) 模式的階數(shù)等于波導(dǎo)橫向場(chǎng)量零點(diǎn)的個(gè)數(shù)。光的入射角越小，激發(fā)的模式階數(shù)

14、越低。(3) 模場(chǎng)并不完全局限在纖芯，而是部分進(jìn)入包層。強(qiáng)度簡(jiǎn)諧變化指數(shù)衰減指數(shù)衰減纖芯 n1包層 n2包層 n2輻射模和泄漏模 分析表明，只有那些滿足特定條件的入射光才能激勵(lì)起導(dǎo)波模。此外還有其它模式：輻射模：光的入射角過(guò)大，導(dǎo)致光在波導(dǎo)表面產(chǎn)生折射進(jìn)入包 層形成包層模。包層模會(huì)與導(dǎo)波模分布在包層的能量 耦合，導(dǎo)致導(dǎo)波模的功率損耗，因此需要抑制。泄漏模：一些高階模的能量在沿光纖傳播的過(guò)程中連續(xù)輻射出 纖芯，很快衰減并消失。如何判斷某個(gè)模式是否是導(dǎo)波模呢？NAannaVlplp222/12221歸一化頻率 (重要參數(shù)) 某個(gè)模式成為導(dǎo)波模的條件是，它的傳播常數(shù)滿足下列條件：n2k 2.405時(shí)

15、，光纖可以支持多個(gè)傳輸模式，即多模光纖。這里用M表示多模光纖的模式總數(shù)，當(dāng)M比較大的時(shí)候，M與V之間存在近似關(guān)系：MPPclad34功率分布如前所示，導(dǎo)波模的部分能量會(huì)進(jìn)入包層：(1) 當(dāng)光纖的 V值接近某個(gè)模式的截止值時(shí)，這個(gè)模式將有較 多的功率進(jìn)入包層。在截止點(diǎn)上，模式功率幾乎全部進(jìn)入 包層并輻射出去； (2) 如果光纖中有大量 的模式存在，包層 中總的平均光功率 所占的比例可以近 似等于：2.405最低階模：包層20%；纖芯80%回顧光的特性、基本的光學(xué)定律和定義介紹光纖結(jié)構(gòu)、分類、特性和射線光學(xué)解釋圓波導(dǎo)模式及其理論簡(jiǎn)介*單模光纖的特性以及光纖的材料和制造工藝光纖的幾種成纜方式主要內(nèi)容

16、主要內(nèi)容單模光纖中只有最低階模式HE11存在，它的光纖橫向光斑圖類似于左上角的截面圖：2.5 單模光纖單模光纖圓柱空心波導(dǎo)中的模式結(jié)論：低階模能量集中在波導(dǎo)中心，而模式階數(shù)越高橫截面直徑越大且能量分布越分散模場(chǎng)直徑 (MFD)：光功率為e-2E0時(shí)的光場(chǎng)半徑寬度(E0為軸心的光功率)，即光纖截面的光斑尺寸。模場(chǎng)直徑 62/321020230879. 2619. 165. 02222VVadrrrEdrrErW 2020/expWrErE電場(chǎng)分布一般為高斯分布：HE11偏振態(tài)相互正交的兩個(gè)簡(jiǎn)并模雙折射 任何單模光纖中都存在兩個(gè)相互獨(dú)立且偏振面相互正交的簡(jiǎn)并模式。由于光纖結(jié)構(gòu)的不完善，使得兩個(gè)相互

17、簡(jiǎn)并的模式在光纖中以不同的相速度傳播，光纖對(duì)它們具有不同的有效折射率，即雙折射效應(yīng)： = k(ny - nx) 或者 Bf = ny - nx (低雙折射光纖) 10-8 Bf 10-3 (高雙折射光纖)光纖拍長(zhǎng) 兩個(gè)簡(jiǎn)并模在傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生相位差。當(dāng)二者相位差為2p整數(shù)倍時(shí)，則光的偏振態(tài)與入射點(diǎn)相同，此時(shí)稱該點(diǎn)處出現(xiàn)“拍”，兩個(gè)拍之間的間隔稱為拍長(zhǎng)：LB = 2p/。2pp/2單模光纖中的特有現(xiàn)象：光偏振態(tài)呈周期變化實(shí)際中，由于受到應(yīng)力影響，雙折射系數(shù)沿軸并非常量，因此線偏振光很快變成任意偏振光。 = 0 p p/2 = 2p pLB2.6 光纖材料光纖材料選材的準(zhǔn)則：1. 能拉長(zhǎng)、拉細(xì)、具有一

18、定的柔韌性、可卷繞2. 在特定波長(zhǎng)損耗低3. 能使纖芯的折射率略高于包層，滿足波導(dǎo)條件按材料分類：1. 無(wú)源玻璃纖維；2. 有源玻璃纖維；3. 塑料纖維無(wú)源玻璃纖維玻璃纖維的主材：SiO2 - 物理和化學(xué)穩(wěn)定性好- 對(duì)通信光波段的透明性好折射率差的引入：通過(guò)在SiO2中摻入不同雜質(zhì)增加非線性效應(yīng)：通過(guò)摻入硫?qū)僭谿eO2-SiO2纖芯，SiO2包層P2O5-SiO2纖芯，SiO2包層SiO2纖芯，B2O3-SiO2包層在0.28mm具有極低損耗有源玻璃纖維和塑料光纖有源光纖：在SiO2中摻入稀土元素 (如：鉺)- 光纖放大器 (如：摻鉺光纖放大器)塑料光纖- 更好的韌性、更耐用，可用于環(huán)境惡劣

19、的場(chǎng)合- 損耗比玻璃纖維高，一般用于短距離傳輸- 使用范圍還十分有限2.7 光纖制造光纖制造兩種基本方法1. 直接熔化法： 按傳統(tǒng)制造玻璃的工藝將處在熔融狀態(tài)的石英玻璃的純凈 組分直接制造成光纖2. 汽相氧化過(guò)程： - 高純度金屬鹵化物(如SiCl4和GeCl4)與氧反應(yīng)生成SiO2微粒 - (通過(guò)四種不同的方法)將微粒收集在玻璃容器的表面 - 燒結(jié) (在尚未熔化的狀態(tài)將SiO2轉(zhuǎn)化成玻璃體) 制成預(yù)制棒 - 拉絲成纖直接熔化法：雙坩堝法纖芯坯料棒 內(nèi)坩堝包層坯料棒纖芯玻璃外坩堝熔爐 拉制光纖 (到拉絲機(jī))包層玻璃直接熔化法：可用于制造石英光纖、鹵化物光纖和硫?qū)俟饫w具有產(chǎn)量大、可連續(xù)制造的優(yōu)點(diǎn)

20、但坯料棒熔化過(guò)程中容易帶來(lái)雜質(zhì)，它的最低損耗值為5 dB/km汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽餌棒粉層狀預(yù)制棒噴嘴玻璃微粒粉層沉積粉狀預(yù)制棒剖面芯包層粉狀預(yù)制棒加熱爐 1400度玻璃預(yù)制棒預(yù)制棒燒結(jié)拉制光纖加熱爐玻璃預(yù)制棒1970年 康寧 第一根損耗小于20 dB/km的光纖汽相軸向沉積法 (VAD)推進(jìn)機(jī) 馬達(dá)馬達(dá)輸送桿透明預(yù)制棒容器環(huán)狀加熱器疏松的預(yù)制棒真空泵紅外熱成像儀玻璃微粒反應(yīng)室 噴燈口優(yōu)點(diǎn)：1. 預(yù)制棒不再具有空洞2. 預(yù)制棒可以任意長(zhǎng)3. 沉積室和熔融室緊密 相連，可以保證制作 環(huán)境清潔4. 沒(méi)有使用氫氧焰，單 模光纖所含的OH- 較 低，

21、因此損耗較低在 0.20.4 dB/km1977年日本開(kāi)發(fā)改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法 (MCVD)貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，可用于制造低損耗梯度折射率光纖 玻璃粉層沉積初步燒結(jié)加強(qiáng)熱成實(shí)心棒燒結(jié)后，纖芯由汽相沉積材料構(gòu)成，包層由原始的石英管構(gòu)成反應(yīng)物質(zhì)金屬鹵化物蒸汽+氧氣粉塵狀生成物排氣口SiO2餌管 燒結(jié)后的玻璃粉層沉積物來(lái)回移動(dòng)的噴燈H-O等離子體活性化學(xué)汽相沉積法 (PCVD)熔融石英管SiCl4 + O2 + 參雜物質(zhì)反應(yīng)物質(zhì)排氣口低壓工作的等離子體玻璃層快速來(lái)回移動(dòng)的微波諧振腔 (2.45 GHz，8米/分鐘)10001200度飛利浦提出1978年應(yīng)用于量產(chǎn)直接玻璃沉積不需高溫?zé)Y(jié)反應(yīng)管不易變形可快速移動(dòng)，沉積厚度減少，有利于控制折射率分布沉積效率高、沉積速度快有利于消除包層沉積過(guò)程中的微觀不均勻光纖預(yù)制棒置備好之后進(jìn)行光纖拉絲光纖拉絲機(jī)d = 1025 mm; L = 60120 cm精密輸送機(jī)構(gòu)夾具預(yù)制棒拉絲爐光纖粗細(xì)監(jiān)測(cè)儀裸光纖涂覆機(jī) 已涂覆光纖光纖卷繞2.8 光纖的機(jī)械和溫度特性光纖的機(jī)械和溫度特性1) 光纖的抗拉強(qiáng)度很高，接近金屬的抗拉強(qiáng)度2) 光纖的延展性(1%)比金屬差(20%)