光纖結(jié)構(gòu)波導(dǎo)原理及制造

關(guān)于光纖結(jié)構(gòu)波導(dǎo)原理及制造第一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.1光纖的結(jié)構(gòu)及分類第二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖組成及分類光纖由三部分組成：纖芯、包層、涂覆層，且纖芯折射率大于包層折射率。光纖的分類：

按傳輸模式數(shù)分：?jiǎn)文９饫w、多模光纖

按纖芯折射率徑向分布分:階躍光纖、漸變光纖、三角型光纖、W型光纖等。

第三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日按光纖材料組成分：石英光纖、多組分玻璃光纖、液芯光纖、塑料光纖、氟化物光纖、硫硒碲化合物光纖等。

按傳輸光的工作波長(zhǎng)分：短波長(zhǎng)光纖、長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖、超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖。

按用途分：通信光纖、軍事上的高強(qiáng)度導(dǎo)彈用光纖、激光手術(shù)刀用的傳能光纖，內(nèi)窺鏡傳像光纖等。第四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D2.1三種基本類型的光纖(a)階躍型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖下圖是三種基本的光纖結(jié)構(gòu)示意圖第五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日

實(shí)用的光纖有單模光纖和多模光纖。由上圖可以看到，多模光纖具有較大的纖芯直徑和數(shù)值孔徑，這樣有利于提高光纖收集光功率的效率，廣泛應(yīng)用于圖像傳輸和照明中。但芯徑和數(shù)值孔徑的增大也使得光纖模式色散增加，不利于通信。因此單模光纖成為一種理想長(zhǎng)距離通信介質(zhì)，它具有低損耗、頻帶寬、容量大、成本低、易于擴(kuò)充等優(yōu)點(diǎn)。第六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.2光纖傳輸原理第七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日分析光波在光纖中傳輸可應(yīng)用兩種理論：波動(dòng)理論和射線理論。用波動(dòng)理論分析了光波在階躍折射率光纖中傳播的模式特性，分析的方法比較復(fù)雜。射線理論是一種近似的分析方法，但簡(jiǎn)單直觀，對(duì)定性理解光的傳播現(xiàn)象很有效，而且對(duì)光纖半徑遠(yuǎn)大于光波長(zhǎng)的多模光纖能提供很好的近似。

第八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日射線理論分析法—將光線看成一條幾何射線，用幾何光學(xué)方法(折射和反射)分析其傳播特性，其傳光原理比較直觀,易理解。適用于均勻多模光纖。對(duì)非均勻光纖，誤差大；對(duì)單模光纖完全不適用。波動(dòng)理論分析法—將光波按電磁場(chǎng)理論，用麥克斯韋方程組(波動(dòng)方程)解析其傳播特性。適用于均勻、非均勻、單模、多模光纖任何一種光纖。所采用分析方法的根據(jù)——由2a/比值大小決定。2a/>>1時(shí)——采用射線理論(近似分析法)2a與的大小可比擬時(shí)——必須采用波動(dòng)理論進(jìn)行分析。第九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日均勻折射率光纖的射線理論分析子午光線和斜光線可以把光纖中的光線分成兩類。子午光線：始終處在一個(gè)平面里，經(jīng)過(guò)波導(dǎo)的中心軸線，在光纖纖芯與包層界面上作全反射，呈鋸齒形，是平面折線。第十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日斜光線:

不在同一平面里，不經(jīng)過(guò)光纖的中心軸線，但仍在光纖芯與包層的界面上作全反射，這種光線的范圍是在邊界面和焦散面之間，是空間折線。斜光線的極限是焦散面與芯包層界面重合，這時(shí)斜光線變成螺旋線。第十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.階躍光纖中的子午光線分析第十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日a.數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑N.A.(NumericalAperture)，是光纖的重要參數(shù)，用來(lái)計(jì)量光纖接受光的特性。僅由光纖的折射率決定，而與光纖的幾何尺寸無(wú)關(guān)。數(shù)值孔徑越大，則入射光線越容易進(jìn)入光纖，形成導(dǎo)波。第十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日b.子午光線的幾何程長(zhǎng)幾何程長(zhǎng)：某光線在光纖中所傳播路程的長(zhǎng)度。總幾何程長(zhǎng)ρ(θ)取決于光線的入射角、纖芯折射率和光纖長(zhǎng)度，而與光纖直徑無(wú)關(guān)。第十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日c.子午光線的反射次數(shù)

η(θ,d)是入射角和光纖直徑的函數(shù)。第十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日d.彎曲光纖的光線傳輸分析第十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日e.光纖入射端面傾斜時(shí)光線傳輸分析第十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日f(shuō).光纖出射端面傾斜時(shí)光線傳輸分析第十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日g.圓錐形光纖的光線傳輸分析第十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日3.階躍光纖中斜光線的分析第二十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.3光纖傳輸特性

第二十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日1.光纖的衰減光纖衰減是輸出光相對(duì)于輸入光的損耗量，總衰減是所有衰減之和。包括光纖耦合損耗、光纖內(nèi)的吸收和散射損耗、彎曲損耗等?？倱p耗（dB）=損耗（dB）1+損耗（dB）2+損耗（dB）3+……通信光纖中最重要的特性包括：衰減、光纖色散、非線性等。第二十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖的損耗在很大程度上決定了系統(tǒng)的傳輸距離。在最一般的條件下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β蔖隨距離z的變化，可以用下式表示

習(xí)慣上光纖的損耗用下式計(jì)算，用dB／km來(lái)表示，式中，是損耗系數(shù)。設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)(km)的光纖，輸入光功率為α，根輸出光功率應(yīng)為第二十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日損耗機(jī)理1)吸收損耗.(原子缺陷、雜質(zhì)非本征吸收、原子本征吸收)臨界曲率半徑4)輻射損耗(彎曲)2)散射損耗.（瑞利散射、波導(dǎo)散射、非線性散射）3）耦合損耗第二十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖損耗譜下圖是單模光纖的損耗譜，圖中示出各種機(jī)理產(chǎn)生的損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系，這些機(jī)理包括吸收損耗和散射損耗兩部分。

0.010.050.50.11510501000.81.01.21.41.61.8瑞利散射紫外吸收波導(dǎo)缺陷實(shí)驗(yàn)紅外吸收損耗/（dB·km–1）第二十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日吸收損耗—本征吸收、原子缺陷損耗和雜質(zhì)離子吸收

材料對(duì)光的本征吸收——這是光纖固有的a.分子振動(dòng)態(tài)的改變對(duì)光子的吸收(紅外吸收)b.電子躍遷對(duì)光子的吸收(紫外吸收)雜質(zhì)離子的吸收a.過(guò)渡金屬離子b.氫氧根離子原子缺陷損耗——由于加熱或強(qiáng)烈的輻射，使某些離子態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致原子缺陷。吸收損耗第二十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日散射損耗由于介質(zhì)中有折射率不同的懸浮微粒存在，即使不正對(duì)著入射光的方向也能清楚地看到光線，這種現(xiàn)象稱為光的散射，由于散射引起的光損耗稱為散射損耗。

密度不均勻內(nèi)部應(yīng)力不均勻折射率不均勻懸浮顆粒瑞利散射本征散射非線性散射損耗在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，出現(xiàn)新的頻率或輸入光波頻率發(fā)生變化，稱為非線性散射。由非線性散射引起的損耗稱為非線性散射損耗。第二十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日彎曲損耗模式損耗微彎損耗第二十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖耦合損耗

光源與光纖連接時(shí)，為獲得最佳耦合效率，主要考慮兩者的特性參量相互匹配問(wèn)題。

光纖：纖芯直徑、數(shù)值孔徑、截止波長(zhǎng)和偏振特性

光源：發(fā)光面積、發(fā)光角分布、光譜特性、輸出功率及偏振特性通用光源為半導(dǎo)體激光器和半導(dǎo)體發(fā)光二極管，耦合方式分為直接耦合和透鏡耦合。顯然采用透鏡耦合效率更高。采用直接耦合時(shí)，半導(dǎo)體激光器優(yōu)于半導(dǎo)體發(fā)光二極管，因?yàn)樽园l(fā)輻射光發(fā)射的方向性差。半導(dǎo)體發(fā)光二極管與多模光纖直接耦合的最大效率為第二十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日多模光纖之間連接時(shí)，為獲得最佳耦合效率，在同種類光纖中，主要考慮以下幾方面問(wèn)題：1、軸偏離對(duì)耦合損失影響2、兩光纖端面之間的間隙對(duì)耦合損失影響3、兩光纖軸之間的傾斜對(duì)耦合損失影響4、光纖端面不完整對(duì)耦合損失影響在不同種類光纖中，主要考慮：1、光纖芯徑2、折射率不同單模光纖之間連接時(shí)，也是考慮：軸偏離、軸傾斜、端面間隙和不同種類光纖引起的損耗。光纖和透鏡耦合主要考慮數(shù)值孔徑的匹配和透鏡的像差。第三十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.光纖的色散色散(Dispersion)是在光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)，由于不同成分的光的時(shí)間延遲不同而產(chǎn)生的一種物理效應(yīng)。材料色散和波導(dǎo)色散總稱為色度色散色散一般包括

模式色散、材料色散、波導(dǎo)色散和偏振色散。與損耗一樣，色散限制了信號(hào)在光纖中的傳輸距離，單色散并不使信號(hào)減弱，而是使光脈沖在時(shí)域上重疊。第三十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日模式色散（模間色散）：在多模光纖中，由于不同模式的時(shí)間延遲（群速度）不同而產(chǎn)生的，它取決于光纖的折射率分布，并和光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性有關(guān)。材料色散（色度色散）：由于光纖的折射率隨波長(zhǎng)而改變，以及模式內(nèi)部不同波長(zhǎng)成分的光(實(shí)際光源不是純單色光)，其時(shí)間延遲不同（群速度）而產(chǎn)生的。這種色散取決于光纖材料折射率的波長(zhǎng)特性和光源的譜線寬度。第三十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日波導(dǎo)色散（色度色散

）：由于導(dǎo)波模具有不同的波長(zhǎng)而導(dǎo)致的群速度不同引起的色散（不是常數(shù)），與波導(dǎo)效應(yīng)有關(guān)，即波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)與波長(zhǎng)有關(guān)而產(chǎn)生的，它取決于波導(dǎo)尺寸和纖芯與包層的相對(duì)折射率差。偏振色散：實(shí)際應(yīng)用的單模光纖由于存在少量的不對(duì)稱性，使得兩個(gè)偏振模的群時(shí)延不同而形成的色散。模內(nèi)色散：發(fā)生在單個(gè)模式中的色散，與波長(zhǎng)有關(guān)的色度色散是材料色散和波導(dǎo)色散之和。第三十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日色散是度量每千米長(zhǎng)度上脈沖展寬的的物理量，總脈沖寬度為：以上簡(jiǎn)單方程適合于模式色散，另外光纖中還存在色度色散和偏振模色散，用這三種色散值平方和的平方根來(lái)計(jì)算總的脈沖展寬。第三十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日群時(shí)延——光纖單位長(zhǎng)度傳播的延遲時(shí)間

色散系數(shù)——描述光纖色散程度定義為：

單位是:ps/nm·km第三十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日3.光纖的非線性效應(yīng)在光纖通信系統(tǒng)中，光纖中的非線性效應(yīng)，一方面引起傳輸信號(hào)的附加損耗，通信之間的串話，信號(hào)頻率的移動(dòng)；另一方面又可以被用來(lái)開發(fā)新型器件，如激光器、放大器、調(diào)制器等。光孤子通信就是利用光纖中的非線性效應(yīng)克服色散的影響，壓縮后的脈沖已達(dá)到6fs(飛秒)的窄脈沖，使通信速率極大提高，傳輸距離極大延長(zhǎng)。因此要了解和掌握光纖非線性效應(yīng)的基本原理及應(yīng)用。第三十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.4光纖材料及制造

第三十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖材料高純度熔石英光纖傳輸損耗低多組分玻璃纖維纖芯－包層折射率可在較大范圍內(nèi)變化，易于制造大數(shù)值孔徑的光纖。(2)、塑料光纖成本低、材料損耗大、溫度性能差。(3)、晶體光纖纖芯為單晶，可用于制作有源和無(wú)源光纖器件。(1)、石英光纖第三十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纖制造光纖的制造要經(jīng)歷光纖預(yù)制棒制備、光纖拉絲、涂覆等具體的工藝步驟。制備光纖預(yù)制棒兩步法工藝：第一步采用氣相沉積工藝生產(chǎn)光纖預(yù)制棒的芯棒；第二步是在氣相沉積獲得的芯棒上施加外包層制成大光纖預(yù)制棒。

第三十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日氣相沉積技術(shù)氣相沉積技術(shù)芯棒外包層外部化學(xué)氣相沉積法（OVD）軸向氣相沉積法（VAD）改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法（MCVD）等離子化學(xué)氣相沉積法（PCVD）套管法粉末法等離子噴涂法溶膠－凝膠第四十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院光通信研究所氣相沉積工藝——MCVD法改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法ModifiedChemicalVapourDeposition(MCVD)第四十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日氣相沉積工藝——MCVD法第四十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日氣相沉積工藝——OVD法外部化學(xué)氣相沉積法OutsideVapourDeposition(OVD)第四十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日第四十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日制作預(yù)制棒第四十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日等離子化學(xué)氣相沉積法第四十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日VAD工藝第四十七頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日預(yù)制棒第四十八頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日拉絲工藝預(yù)制棒加熱爐加涂覆層參數(shù)測(cè)量第四十九頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日拉絲工藝?yán)z塔第五十頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日加涂覆層第五十一頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日成纜第五十二頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日2.5光纜

第五十三頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纜及其結(jié)構(gòu)光纜是以光纖為主要通信元件，通過(guò)加強(qiáng)件和外護(hù)層組合成的整體。光纜是依靠其中的光纖來(lái)完成傳送信息的任務(wù)，因此光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要保證其中的光纖具有穩(wěn)定的傳輸特性。第五十四頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纜的分類方法按成纜光纖類型多模光纖光纜和單模光纖光纜按纜芯結(jié)構(gòu)中心束管、層絞、骨架和帶狀按加強(qiáng)件和護(hù)層金屬加強(qiáng)件、非金屬加強(qiáng)、鎧裝按使用場(chǎng)合長(zhǎng)途/室外、室內(nèi)、水下/海底等按敷設(shè)方式架空、管道、直埋和水下第五十五頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纜的結(jié)構(gòu)（成纜方式）層絞式骨架式中心束管式帶狀式第五十六頁(yè)，共六十四頁(yè)，2022年，8月28日光纜結(jié)構(gòu)示意圖層絞式中心束管式帶狀式第五十七頁(yè)，共六十