2光纤结构导波原理及制造资料PPT课件
导波原理与光纤结构
光纤的导光原理
涂
包
纤芯
层
层
光纤的导光原理
光通信利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条
件时，光便能在光纤(光波导)内形成全反射，从而达 到长距离传输的目的。
90- 0
空气 n0 1
包层 n2
0
纤芯 n1 包层 n2
光纤中 心轴线
条件: n1>n2>n0
n0: 空气中的折射率 n1: 纤芯的折射率 n2: 包层的折射率
导波原理与光纤结构
石家庄站
导波原理与光纤结构
• 光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。 纤芯的折光率比包层的稍高，损耗比包层更低，光能量主 要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离， 并起到一定的机械保护作用。 • 光通信利用了全反射原理，当光的注入角满足一定条件时， 光便能在光纤(光波导)内形成全反射，从而达到长距离传 输的目的。
1 1 2
2
sin
c
n n
1
2
1
o
c
arcsin n2 arcsin 0.676 42.5
n
光纤结构
• 光纤是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。 纤芯的折光率比包层的稍高，损耗比包层更低，光能量主 要在纤芯内传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离， 并起到一定的机械保护作用。
入射角 n1光疏介质折射率 反射角 n2光密介质折射率 折射角 临界入射角
1
2
3
C
n2 ＜ n1
n1 入射光线
折射光线
3
2
1
＜
C
最新第2章光纤传输原理及特性PPT课件
（4）Ey的标量解
整理变为：
R (r)Jm [n21k20 2]1/2r
R (r)K m [2 n 22k20]1 /2r
ra
ra
E y 1 e jzcm oA s 1 Jm (U /a )r
E y2ejzcm oA s2K m (W /a)r
r≤ a
r≥ a
(2.16)
利用光纤的边界条件可确定式中的常数。首先根据边界条件找
出 A1, A2 之 间 的 关 系 。 在 r=a 处 ， 因 ， 可 得
A1Jm(U)=A2Km(W)=A，将此式代人（2.16）式中，得：得
E y 1 A jze cm oJ m s(U /a )/r J m (U ) r≤ a E y 2 A jze cm oK s m (U /a )/r K m (U ) r≥ a
以m=0的LP0n模为例，其场沿r 方向变化为： R (r)J0(U r/ a )
•LP01模，U=μ01=2.405, R (r)J0(2.40 r/a 5 ) ,在r=0处,R(r)=1而在r=a 处, R (r)J0(2.4)00 5
沿变化如图4-12
•LP02模，U=μ02=5.5201, R (r)J0(5.5r2/a)1 在r=0处,R(r)=1,而在r=a 处, R (r)J0(5.5)20 1 在r=0.4357a处, R (r)J0(2.4)00 5沿r的变化
φα为什么是最大接收角? (2)数值孔径NA(Numerical Aperture) NA的定义? NA=sinφα 物理意义: NA大小反映了光纤捕捉 线的能力.
NA=sinφα=?
NA的表达示
图2.12 光线在阶跃光纤中传播
因为n0n s:1 inc φαo =c n1n s1 s in1 ( 90s 0-2 θicc )=n nn 11 co1 s θn n c,2 2 1 2n s2 1 in cn 2 2 nn12
第二章光纤的结构和种类
r≤a r＞a ＞
a为纤芯半径 ；g为纤芯折射率 为纤芯半径 为纤芯折射率 分布指数； 为相对折射率差。 分布指数；△为相对折射率差。
△是表征纤芯折射率与包层折射率 差的大小的一个物理量， 差的大小的一个物理量，这个物理量直 接影响着光纤的性能。 接影响着光纤的性能。当n1与n2差别极 趋近于n 小(n1趋近于n2)，这种光纤称弱导波光 纤。目前应用的通信光纤常为弱导波光 纤。 2 ∆ = (n12 − n 2 )/ 2 n12 弱导波光纤相对折射率差△ 弱导波光纤相对折射率差△可近似为 相对折射率差
∆ ≈ (n1 − n2 )/ n1
不同g值的折射率分布 不同 值的折射率分布 n n1 2 g=1 n2 ∞
n(r)= n 1− 2∆ (r / a ) 1
[
1/2 g 1
]
g＝∞时为阶跃光纤 ＝ 时为阶跃光纤 g＝2时为平方律折射率 ＝ 时为平方律折射率 分布光纤 g=1时为三角形折射率分布 时为三角形折射率分布
二次涂覆层 一次涂覆层
··
紧套管 松套管
两种多心型芯线结构
1、带状光纤芯线 、 聚酸酯带 光纤涂覆层
裸纤
粘合剂
一个光纤带由几十至数百根光纤组成， 一个光纤带由几十至数百根光纤组成，并且 一个光纤带的接续可以一次完成，以适应大量光 一个光纤带的接续可以一次完成， 纤接续、安装的需要。特别适合用作用户光缆。 纤接续、安装的需要。特别适合用作用户光缆。
4、按光纤的材料分类 根据光纤的组成材料不同，可分为四种。 根据光纤的组成材料不同，可分为四种。 (1)石英玻璃光纤。（最常用） 石英玻璃光纤。 最常用） (2)多组分玻璃光纤(氧化物光纤)。 多组分玻璃光纤(氧化物光纤) (3)石英芯、塑料包层光纤。 石英芯、塑料包层光纤。 (4)塑料光纤。 塑料光纤。
2-光纤结构、导波原理及制造
15:22
20
光纤：结构、导波原理和制造
(b)标量解的特征方程
特征方程由边界条件给出 r=a时 Ey与 E y 在边界上连续，由E(r,, z)可得
r
AJ m (U ) CK m (W ) AUJ m '(U ) CWK m '(W ) 其中，U ua,W wa.
由贝塞尔函数的递推公式
其中u k n a, w k n a
2 2 0 1 2 2 2 2 0 2
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光纤：结构、导波原理和制造
传播常数β的本征方程为:
J u K w J u n2 K w m 2 1 1 m m m 2 m 2 2 2 uJ m u wK m w uJ m u n1 wK m w k0 n1 u w
第二章 光纤：结构、导波原 理及制造
光纤：结构、导波原理和制造
主要内容
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 光纤模式和结构 圆波导的模式理论 单模光纤 梯度折射率光纤 光纤材料 光纤制造 光缆 光缆铺设方法
《现代光纤通信技术》
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光纤：结构、导波原理和制造
2.1 光纤模式和结构
E ＝CK m r e
Ⅱ y
jm
e－j t－ z 来自2 2 2 式中w2＝ 2－k2 ＝ 2－k0 n2
采用同样的方法可以求得磁场的解为：
纤芯
包层
H ＝BJ m ur e
Ⅰ y Ⅱ y
jm
e
－j t－ z
H ＝DK m wr e
jm
第2章光纤结构、导波原理和制造
第2章 光纤:结构㊁导波原理和制造光纤的工作特性决定着光传输系统的综合性能㊂与光纤有关的问题是: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.多根光纤是如何置入光缆结构的;6.光纤中信号的损耗或衰减机理是什么;7.信号在光纤中传输时为什么会有畸变,以及信号畸变的度量㊂本章中将回答前5个问题,以使读者对光纤的实际结构及导波特性有一个很好的了解㊂后两个问题将在第3章中回答㊂本章论述的是传统的石英玻璃光纤和光子晶体光纤㊂纤维光学技术涵盖了光的发射㊁光的传输和光的检测等原理,所以我们首先讨论光的性质,回顾光学中的几个定律和定义1,紧接着描述光纤的结构,并用两种方法讲解光纤导光机理㊂第一种方法是应用几何光学或射线光学(即光的反射和折射概念)建立传播机理的直观图像;第二种方法是将光作为电磁波来处理,而电磁波在光纤中以导波形式传播,这种方法就是在圆柱坐标系中求解麦克斯韦方程组,并使场解满足光纤圆柱界面上的边界条件㊂2.1 光的性质有关光的性质的一些概念,在物理学发展历史中几经变化㊂直到17世纪初,一般认为光是由光源发出的微粒流构成的㊂这些微粒可以解释光的直线传播,并假定光可贯穿透明材料而在非透明材料表面反射㊂这种理论在解释大尺寸光学现象(如反射和折射)时是成功的,但无法解释小尺寸光学现象(如干涉和衍射)㊂有关光的衍射的正确解释是1815年由菲涅尔做出的㊂菲涅尔认为光的近似直线传播特性可以通过假设光是一种波动来解释,而衍射阴影也可详细考虑㊂此后,1864年麦克斯韦的论文从理论上认定了光波在本质上是电磁波㊂观察偏振效应指出光波是横波(也就是构成波的场量振动方向与波的传播方向相垂直)㊂按照波动光学或物理光学观点,由一个小的光源辐射出的电磁波可以用图2.1所示的中心光源发出的一系列球面波前表示㊂波前定义为波列中具有相同相位的点的集合㊂通常要画出波前所经历的波的最大和最小取值,例如正弦波的峰值和波谷㊂因此波前(也称为相前)是以一个波长为间隔的㊂如果光在传播过程中遇到其尺寸比光波波长大得多的物体(或开口),则光波的波前对此物体(或开口)以直线形式出现㊂此种情形下光波可以看成是平面波,其传播方向可以用光射线代表,此射线与波前或相前垂直㊂所以大尺寸的光效应(例如反射和折射)可以用简单射线轨迹的几何方法分析,这种光学观点即是所谓的射线光学或几何光学㊂光射线指明了光束能量流动的方向,是一个十分有用的概念㊂图2.1 球面波和平面波的波前及其相关的射线表示2.1.1 线偏振一列沿k 方向传播的平面线偏振电磁波的电场或磁场,一般可以表示为(2.1)式中r =x e x +y e y +z e z 表示空间任意一点的位置矢量,k =k x e x +k y e y +k z e z 表示波的传播矢量㊂A 0是波的最大振幅,ω=2p ν,而ν是光的频率,波矢量k 的模值为k =2p /l ,即我们熟知的传播常数,l 为光的波长,e i 是平行于i 轴方向的单位矢量㊂需要注意的是,物理上可测量的电磁场分量必是实数量,因而实际的电磁场量是由式(2.1)取实部得到的㊂如果令k =k e z ,而A 代表电场强度E ,其方向沿x 轴方向,即e i =e x ,则可实际测量的电场为(2.2)式(2.2)代表一个沿z 轴方向传播的可变简谐平面波㊂这里E 0x 是沿x 轴的波的最大幅度,E x是给定z 值时的幅度㊂之所以用指数形式的表达式,理由是其比正弦函数和余弦函数在数学处理上更简单㊂顺便指出,根据简谐函数的基本理论,任何一个波形都可利用傅里叶方法表示为正弦波的叠加㊂一系列平面电磁波在某一给定时刻的电场和磁场分布如图2.2所示,这些波沿矢量k 指出的方向传播㊂根据麦克斯韦方程组,很容易证明E 和H 都垂直于波的传播方向2,这种波称为横波㊂这个条件定义了一个平面波,即电场的波动在所有点上都是相互平行的㊂因此,电场形成了一个平面,称为振动面㊂同样地,波的磁场分量在另一个振动平面上㊂E 和H 也相互垂直,所以E ㊁H 和k 构成一个正交的坐标系㊂式(2.2)给出的平面波例子,其电场矢量始终指向e x 方向,这样的波就是线偏振波,其偏振矢量为e x ㊂波的偏振的普遍表示方法,可以通过引进另一个与第一种完全独立但与之正交的线偏振波来描述,这个正交的线偏振波为(2.3)式中δ是这两个线偏振波之间的相对相位差㊂与式(2.2)类似,E 0y 是沿y 轴的波的最大幅度,E y 是给定z 值时的幅度㊂合成波可以表示为(2.4)如果δ为零或2p 的整数倍,则两个波同相位,式(2.4)表示一个线偏振波㊂偏振矢量与e x的夹角为(2.5)42光纤通信(第五版)其振幅为(2.6)这种情形如图2.3所示㊂任意两个正交的平面波可以合成一个线偏振波㊂反之,任意的一个线偏振波也可以分解为两个独立的相互正交㊁同相位的平面波㊂图2.2 在给定时刻平面电磁波的电场和磁场分布图2.3 相对相位差为零的两个线偏振波的叠加例2.1 电磁波的通用表达式为对于特定的平面电磁波y =12cos [2p (3t -1.2z )],请给出:(a )幅度;(b )波长;(c )角频率;(d )在t =0和z =4μm 时的位移㊂52第2章 光纤:结构㊁导波原理和制造解:从以上的表达式可以得到:(a )幅度=12μm ;(b )波长:1/l =1.2μm -1,则l =833nm ;(c )角频率ω=2p v =2p (3)=6p ;(d )在t =0和z =4μm 时,位移2.1.2 椭圆偏振和圆偏振δ有任意取值时,式(2.4)给出的是椭圆偏振波㊂合成场矢量E 将会旋转,同时其大小也将作为角频率ω的函数而发生变化㊂由式(2.2)和式(2.3)消去(ωt -kz ),可以证明对任意的δ值有(2.7)这是一个一般形式的椭圆方程㊂正如图2.4所示,E 的端点在指定点上的轨迹将在空间描出一个椭圆㊂椭圆的轴与x 轴之间形成的夹角α由下式给出:(2.8)图2.4 两个振幅不相等㊁相位差不为零的线偏振波叠加形成椭圆偏振光为了得到由式(2.7)给出的更好的图形,可以将椭圆主轴与x 轴对准,使α=0,这等价于δ=±p /2,±3p /2, ,此时式(2.7)成为(2.9)这是一个中心位于坐标原点,半轴分别为E 0x 和E 0y 的一个椭圆的标准方程㊂当E 0x =E 0y =E 0,相对相位差δ=±p /2+2m p ,而m =0,±1,±2, 时,即可得到圆偏振光,此时式(2.9)可以简化成(2.10)62光纤通信(第五版)式(2.10)定义了一个圆㊂如果δ取正号,则式(2.2)和式(2.3)成为(2.11)(2.12)在这种情形下,在指定位置上,E的端点在空间中的轨迹是一个圆,如图2.5所示㊂为了说明这一特点,假设有一观察者位于任意一点z ref朝着波运动的方向,为了方便,在t=0时刻取定的z ref点为z=p/k,则由式(2.11)和式(2.12)可得也就是说,E在负x轴方向,如图2.5所示㊂在一个稍后的时间,例如t=p/2ω,则电场矢量将旋转90°在z ref处到达正y轴方向㊂当时间进一步增加,波朝观察者运动,则观察者看到合成电场矢量E以角速度ω沿顺时针方向旋转,当波前进一个波长时,场矢量旋转一周㊂这种光波称为右旋圆偏振波㊂如果δ取负号,则电场矢量为(2.13)此时E呈反时针方向旋转,这个波就是左旋圆偏振波①㊂图2.5 两个振幅相等㊁相对相位差为δ=p/2+2m p的线偏振波叠加形成右旋圆偏振波2.1.3 光的量子特性光的波动理论可以很好地解释与光传播相联系的所有现象㊂但在处理光与物质的相互作用,例如光的色散㊁光的发射和光的吸收等问题时,无论是波的粒子学说还是波动学说都是近似的㊂为此,必须求助于量子理论,量子理论指出光辐射具有波粒二象性㊂光的粒子性来源于对以下现象的解释:光能量的发射与吸收总是以称为光量子或光子的离散单位实现的㊂在所72第2章 光纤:结构㊁导波原理和制造①注意:这里关于左旋㊁右旋的定义与光学教科书一致,而国内电磁场教科书中的定义刚好与此相反! 译者注有验证光子存在的实验中,发现光子能量仅与频率ν有关,而频率只有在观察光的波动特性时才能测量㊂正如1.2.1节中描述的那样,如图1.2所示,光子的物理特性可以由波长㊁能量或频率进行测量㊂光子的能量E 与频率ν之间的关系为(2.14)式中,h =6.625×10-34J ㊃s 是普朗克常量㊂当有光入射到原子上时,一个光子可以将其能量交给原子中的电子并将电子激发到较高的能级㊂在这个过程中没有任何一个光子只是部分地将能量交给电子,电子吸收的能量必然严格地与它跃迁到较高能级所需要的能量相等㊂通常,激发态的电子也可能跃迁至较低的能级并辐射一个光子,此光子的能量hν必然严格等于这两个能级的能量差㊂训练题2.1 利用式(2.14)可知,功率为0.95eV 和0.80eV 的光子,其波长分别为1310nm 和1550nm ㊂2.2 基本的光学定律和定义本节将回顾一些与光纤传输技术相关的基本光学定律和定义㊂这些定律和定义包括斯涅尔定律,材料折射率的定义以及反射㊁折射和偏振的概念㊂2.2.1 折射率材料的最基本的光学参数是它的折射率㊂在自由空间光以速度c =3×108m /s 传播,光的速度c ㊁频率ν和波长l 之间的关系为c =l ν㊂当光进入电介质或非导电媒质时,将以速度s 传播,s 与材料的特性有关而且总是小于c ㊂真空中的光速度与材料中光传播速度之比即为材料的折射率n ,其定义式为(2.15)表2.1列出了不同材料的折射率㊂表2.1 不同材料的折射率材料折射率丙酮1.356空气1.000钻石2.419普通酒精1.361熔融石英(SiO 2):随波长变化 1.453@850nm 砷化镓(GaAs)3.299(红外区域)玻璃,冕牌1.52~1.62甘油1.473有机玻璃(PMMA)1.489硅(随波长变化)3.650@850nm 水 1.3332.2.2 反射和折射关于光的反射和折射概念,利用与平面波在介质材料中传播相联系的光射线概念是最易82光纤通信(第五版)于解释的㊂当光射线碰到两种不同媒质的边界面时,光射线的一部分反射回第一种材料,其余部分则进入第二种材料并发生弯折(或折射)㊂如果n 2<n 1则反射和折射情形如图2.6所示㊂在界面上光射线发生弯折或折射是由于两种材料中光的速度不同,也就是说它们有不同的折射率㊂在界面处光射线之间的方向关系就是众所周知的斯涅尔定律,其表达式为(2.16)与之等效,公式为(2.17)式中的角度如图2.6的定义,图中的角ϕ1是入射光线与界面法线间的夹角,称为入射角㊂图2.6 不同材料边界面上光线的折射和反射根据反射定律,入射光线与界面间的夹角θ1与反射光线与界面间的夹角是完全相等的㊂另外,入射光线㊁界面的法线㊁反射光线位于同一平面内,这个平面是与两种材料的界面相垂直的,这个平面被称为入射面㊂通常而言,光被光密材料(也就是折射率较大的媒质)反射的过程称为外反射,而被光疏材料反射(例如光在玻璃中传播时被玻璃与空气的界面反射)的过程称为内反射㊂当光密材料中光线的入射角ϕ1增大时,折射角ϕ2也增大㊂当ϕ1大到某一特定值时,ϕ2达到p /2㊂当入射角进一步增大时将不可能有折射光线,这时光线被 全内反射”㊂全内反射的所需条件可以由式(2.16)所示的斯涅尔定律决定㊂图2.7所示为玻璃与空气的界面,根据斯涅尔定律,进入空气的光射线向玻璃表面弯折,当入射角ϕ1增大到某一值时,空气中的光射线将趋于与玻璃表面平行,这个特殊的入射角就是众所周知的临界入射角ϕc ㊂如果光射线的入射角ϕ1大于临界角,全内反射条件得到满足,则光射线全部反射回玻璃,因而没有光射线从玻璃表面逃逸(这是一种理想情形,实际上总有一些光能从表面泄漏出去,这可用光的电磁波理论加以解释㊂有关光的电磁理论将在2.4节讲述)㊂图2.7 临界角和玻璃空气界面上全内反射的示意图(n 1为玻璃折射率)92第2章 光纤:结构㊁导波原理和制造作为一个例子,考虑图2.7所示的玻璃空气界面,当空气中的光射线与玻璃表面平行时,ϕ2=90°,所以sin ϕ2=1,玻璃中的临界角为(2.18)例2.2 考虑在玻璃折射率n 1=1.48,空气折射率n 2=1.00界面处,请问当光在玻璃中传输时的临界角是多少?解:从式(2.18)可以得到光在玻璃中传输的临界角为因此玻璃中所有以大于42.5°的入射角ϕ1入射到界面的任何光射线(参见图2.7),都将全部反射回玻璃中㊂例2.3 在空气(n 1=1.00)中传输的光入射到一个光滑平板的冕牌玻璃(n 2=1.52)上㊂如果入射光与法线的角度φ1=30.0°,那么在该玻璃中的折射角φ2是多少?解:从式(2.16)的斯涅尔定律可以得到从而得到φ2=arcsin (0.329)=19.2°㊂训练题2.2 假设反射介面为折射率n 1=3.299的GaAs 材料,空气折射率n 2=1.000,可计算得出在GaAs 中传输的临界角φc =17.6°㊂此外,当光发生全内反射时,反射光将会产生一个相位变化δ,这个相位变化与角度θ1<p /2-ϕc 之间的关系为1(2.19a)(2.19b)图2.8 波的反射分量与入射面垂直的相移δN 以及与入射面平行的相移δp式中δN 和δp 分别是电场波与入射面垂直和与入射面平行分量的相位移,而n =n 1/n 2㊂对玻璃空气界面(n 1=1.5,ϕc =42.5°),这两个相移如图2.8所示,其取值范围在从临界角(此时θ1=p /2-ϕc )时的0°到掠入射(θ1=0°)时的180°之间㊂2.2.3 光的偏振分量普通的光波是由很多沿不同的方向振动的横电磁波组成的(多个平面),这称为非偏振光㊂然而,我们可以将任何一个随意的振动方向表示成为一个平行振动和垂直振动的组合,如图2.9所示㊂因此,可以将非偏振光看成是两个正交的平面偏振分量的组合,一个位于入射平面(这个平面包含入射光和反射光),另一个位于与入射平面垂直的面上,它们分别是03光纤通信(第五版)平行偏振分量和垂直偏振分量㊂当不同横波的所有电场平面被调整到互相平行时,此时的光波是线偏振㊂这是偏振最简单的形式,如2.1.1节所述㊂图2.9 偏振态可以表示为一个平行振动和一个垂直振动的组合当光通过非金属表面发生反射,或光从一种材料到另一种材料发生折射时,都可以将非偏振光分成单独的偏振分量㊂如图2.10所示,当一束在空气中传输的非偏振光入射到非金属表面(如玻璃上)时,部分光被反射,部分光折射进入玻璃中㊂在图2.10中,圆内加点和双箭头分别表示垂直偏振和平行偏振分量㊂反射光为部分偏振光,当入射角为特定角度(即布儒斯特角)时,反射光完全垂直偏振㊂折射光束的平行分量全部进入玻璃,而垂直分量部分地折射㊂折射光的偏振量取决于光与界面所成的角度以及材料的成分㊂图2.10 非偏振光入射到空气和非金属表面时的情况2.2.4 偏振敏感材料当检验光隔离器和光滤波器这些器件的特性时,光的偏振特性就显得非常重要㊂这里介绍三种偏振敏感材料或器件,分别是起偏器㊁法拉第旋转器和双折射晶体㊂起偏器是只允许一种偏振分量通过,而阻止另一种分量的器件㊂比如,当非偏振光进入具有垂直偏振轴的起偏器时,如图2.11所示,那么只有垂直偏振分量能够通过器件㊂这个概念的一个类似的例子就是利用偏振太阳镜降低来自于路面或水面的部分偏振太阳反射光产生的目眩㊂但当用户的头偏向一边时就会出现很多的刺目点㊂当头部保持正常位置时,太阳镜中的偏振滤波功能就会阻止这些刺目点的偏振光㊂法拉第旋转器是一种旋转偏振态的器件,当光通过它时,光的偏振态(SOP)会旋转一定的角度㊂例如,通常的器件将偏振态顺时针旋转45°或四分之一波长,如图2.12所示㊂这个旋转与输入光的偏振态无关,但旋转角度根据光通过器件的方向而不同,即旋转过程是非互易性的㊂在这个过程中,输入光的偏振态在旋转后保持不变㊂例如,如果输入到45°法拉第旋转器的光是一个沿垂直方向的线偏振光,那么从晶体中出来的旋转光仍是线偏振光,角13第2章 光纤:结构㊁导波原理和制造度为45°㊂法拉第旋转器的材料通常是不对称的晶体,比如钇铁石榴石(YIG),旋转的角度与器件的厚度成正比㊂图2.11 只有垂直偏振分量能够通过垂直定向的起偏器图2.12 法拉第旋转器是一种旋转光偏振态的器件,例如顺时针旋转45°或四分之一波长图2.13 双折射晶体将进来的光信号分成两个正交的偏振光束双折射晶体有一个称为双重折射的特性㊂这意味着沿晶体的两个正交的轴的折射率有细微的不同,如图2.13所示㊂用这种材料做成的器件称为空间分离偏振器(SWP)㊂SWP 将入射进其中的光信号分成两个正交偏振的光束:一束称为寻常光或o 光,因为它遵循晶体表面的斯涅尔折射定律;另一束光称为非寻常光或e 光,因为它的折射角偏离斯涅尔定律标准形式的预期值㊂这样,这两个正交的偏振分量之一以不同的角度折射,如图2.13所示㊂举例而言,如果非偏振光以与器件表面垂直的角度入射,则o 光能够直接穿过器件而e 光分量将偏离一个很小的角度,这样它将从不同路径通过材料㊂表2.2列出了一些光通信器件中常用的双折射晶体的寻常折射率n o 和非寻常折射率n e ,并给出了这些双折射晶体的一些应用㊂表2.2 常见双折射晶体及其应用晶体名称符号n o n e 应用方解石CaCO 3 1.658 1.486偏振控制器和分束器铌酸锂LiNbO 3 2.286 2.200光信号调制器金红石TiO 2 2.616 2.903光隔离器和光环形器钒酸钇YVO 4 1.945 2.149光隔离器㊁光环形器以及光束移位器2.3 光纤模式和结构在详细了解光纤的特性之前,本节首先对理解光纤模式和光纤结构的概念做一个简要的回顾㊂2.3节到2.7节讨论传统的光纤,包括固体电介质结构㊂2.8节叙述光子晶体光纤,它可以制作成各种各样的内部微结构㊂第3章讲述这两种光纤的工作性能㊂2.3.1 光纤分类所谓光纤,就是以光频工作的介质波导㊂光纤波导通常是圆柱形的㊂光纤可以将光波形态的电磁能量约束于波导表面以内,并导引电磁能量沿光纤轴方向传播㊂光波导的传输特性取23光纤通信(第五版)决于它的结构特性,这些结构特性将决定光信号在光纤中传播时所受到的影响㊂光纤的结构基本确定了它的信息承载容量并影响光纤对周围环境微扰的响应㊂沿波导传播的光可以用导引电磁波来描述,通常称被导引的电磁波为导波模㊂这种导波模就是所谓波导中的 有界”模式或 收集”模式㊂每一个传导模都有一个电场和磁场分布的场图,场的分布沿光纤长度方向周期性地重复㊂在波导中仅有有限个离散的模式可以传播㊂2.4节中将看到这些电磁波导模式都满足光纤中的齐次波动方程和波导表面的边界条件㊂尽管在文献3中已讨论过大量不同结构的光波导,但最常用的结构是单一固体电介质圆柱,其半径为a,折射率为n1,如图2.14所示㊂这个介质圆柱被称为纤芯,纤芯周围是折射率为n2的电介质包层,而且n2<n1㊂从原理上讲,光在纤芯中传播时包层并不是必需的,之所以采用包层结构是基于以下几种考虑:首先,包层可以减小散射损耗,而散射损耗是由纤芯表面介质的不连续造成的;其次,包层可增加光纤的机械强度,包层还可防止光纤在与外界接触时纤芯可能受到的污染㊂图2.14 常用的石英玻璃光纤结构示意图,纤芯折射率为n1,包层折射率为n2(小于n1)㊂弹性的塑料缓冲涂覆层包封着光纤标准光纤一般用高纯度的石英玻璃(SiO2)作为纤芯材料,纤芯被玻璃包层所包围㊂高损耗的塑料芯光纤其包层也为塑料,塑料光纤同样有广泛的用途㊂另外,大多数光纤都包封在一层富有弹性㊁耐磨蚀的塑料材料中㊂这一层材料可进一步增加光纤的强度,保护或减缓因小的几何不规则㊁形变和相邻表面粗糙所造成的机械损伤㊂这些微扰有可能导致光纤随机微小弯曲,从而产生散射损耗,当光纤成缆或置于其他支撑结构中时,这些微小弯曲是难以避免的㊂改变纤芯材料组成,可以得到图2.15所示的两种常用的光纤类型㊂第一种情形下,纤芯折射率是均匀的,在纤芯与包层的界面有折射率突变(或阶跃),这类光纤称为阶跃折射率光纤㊂第二种情形下,纤芯折射率作为从光纤中心向外的径向距离的函数而呈现渐变,这类光纤称为梯度折射率光纤或渐变折射率光纤㊂阶跃型和梯度型折射率光纤,可以进一步分成单模光纤和多模光纤㊂顾名思义,单模光纤只允许一个模式传播,而多模光纤可包容成百上千的模式㊂图2.15给出了单模光纤和多模光纤的几个典型尺寸,以便读者建立关于光纤尺寸的基本概念㊂与单模光纤比较,多模光纤有如下几个优点:在第5章中将看到,多模光纤较大的纤芯半径使得它较容易将光功率注入光纤并且易于将相同的光纤连接在一起;它可以用发光二极管(LED)作为光源,并易于将其光功率注入多模光纤㊂而单模光纤一般说来必须用半导体激光器激励㊂尽管LED的输出光功率比半导体激光器小(第4章中将予以讨论),但它易于制造㊁价格便宜,不需要复杂的电路,而且寿命也长于半导体激光器,使得LED更适合于一些特定的应用领域㊂多模光纤的主要缺点是它存在模间色散,将在第3章中详细讨论这一效应㊂在这里对模间色散可以扼要地做如下说明:当一个光脉冲注入光纤后,脉冲的光功率将分配给所有(或大多数)光传播模,而多模光纤中的每一个模式都以略为不同的速度传播,这就意味着同一光脉冲分配到不同模式中的各部分信号能量将在不同的时刻到达光纤的末端,这就导致光脉冲在光纤中传播时在时域中被展宽,这种效应就是所谓模间色散㊂如果纤芯采用梯度折射率分布,则可减小模间色散,这就使得梯度折射率光纤的传输带宽(数据速率传输容量)要大得多㊂由于不存在模间色散,单模光纤有更大的传输带宽图2.15 单模光纤㊁多模光纤㊁阶跃折射率光纤㊁梯度折射率光纤的比较2.3.2 光纤结构的变化除了图2.14中的标准光纤结构外,还有两种不同的光纤结构被试用于电信系统中㊂第一种是光子晶体光纤(PCF),将在2.8节和3.5节中有详细描述,它的包层和纤芯(某些情况下)中包含有空气孔,这些空气孔在整个光纤长度上都存在㊂根据光纤的设计,空气孔的排列有多种不同的形状㊁大小以及分布模式㊂由于在光纤中纤芯和包层的材料特性决定了光传输的特性,PCF中空气孔的排列可以产生内部微结构,这为控制光的特性(比如色散㊁非线性以及双折射)提供了一个新的维度㊂PCF主要分为两种类型,折射率导引型光纤和光子带隙光纤㊂折射率导引型光纤中光的传输机制类似于传统光纤,高折射率的纤芯被低折射率的包层环绕㊂然而,对于PCF,包层的有效折射率取决于波长㊁空气孔的大小,以及空气孔之间的间距㊂而在光子带隙光纤中,纤芯是中空的或者微结构型,周围环绕着微结构包层,光受其产生的光子带隙效应作用而传播㊂位于带隙中的波长不能进入包层,因此被限制在折射率低于周围材料的纤芯区间中传播㊂光子带隙光纤的基本原理就是类似于半导体中周期晶格的作用,阻止电子占据能带隙区域㊂第二种是多芯光纤,将在3.6节详细描述,它具有两个或多个纤芯,用于在空分复用系统中传输光㊂比如,一根多芯光纤4有7个8μm直径的纤芯,排列成六边形阵列,纤芯和纤芯之间间距为38μm㊂研制多芯光纤的目的是减轻光缆管道中光纤的拥塞,尤其是在使用无源局域网(PON)的接入网中㊂接入网包含了中心办公区和单独住户以及商业区域(见第13章)之间的链接㊂急速增长的通信容量需求则要求接入网中的一些光缆管道具备大量的光纤㊂这种情势就要求在这些网络中采用低成本㊁高光纤数量㊁高密度的光缆㊂多芯光纤为解决光缆拥塞问题提供了一个途径㊂。
光纤通信课件光纤结构及制造原理解读
➢ 几何光学成立的条件是，光传播的空间是无限大 的空间。
➢ 射线理论只能用于分析多模光纤，其结论是近似 的。
➢ 但射线理论简单。
以波动光学为基础
波动理论
❖ 波动理论适合于各种光纤，并可以精确求解。 ❖ 但波动理论很复杂。
一、 几何光学理论
• 光在同一种均匀介质中的规律
1.光的直线传播定律
– 光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为：
棒
非气相沉积技术 溶胶凝胶法
机械成形法
二、制作光纤预制棒的方法
1、光纤主要根据
纤芯和包层折射率 1.46
1.45
不同进行光传输 1.44
GeO2 P2O5
B2O3
1.43
F
1.420 2 4 6 8 10 12 14 16
2、主要方法为化学气相沉积法（CVD） 概念：向石英材料中掺杂，制作成不同折射率的纤 芯和包层，称作化学气相沉积法 主要化学反应：
容易 不严格
34% 美国康宁等
VAD 火焰水解
氢氧焰 靶棒外表面
连续 20～３0g/μm
50～70% 300～400km
复杂 不严格
32% 日本住友、古河
等
32
2.2.3 拉丝工艺
33
2.2 光纤导光原理
光纤虽细，但其导光原理极为复杂。 光的波、粒二象性
波动光学
几何光学
以几何光学为基础
射线理论
Q=Cont
如果是梯度分布型光纤预制棒，载气的流量Q可由下式决定：
g
Qx
Q0
1
xt xt
x 2
16
2.2.2 芯棒工艺 1、管内化学气相沉积工艺（MCVD） （3）工艺过程
第2讲光纤1 54页
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3
表中给出了一些介质的折射率。
材料 空气 水 折射率 1.003 1.33
玻璃
1.52～ 1.89
石英 1.43
钻石 2.42
光的折射
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光的全反射
4
3．光的偏振
光波属于横波，即光的电磁场振动方向与传播方向垂直。 如果光波的振动方向始终不变，只是光波的振幅随相位改变， 这样的光称为线偏振光(完全偏振光），如下图所示， “旋光现象”。
从普通光源发出的光不是偏振光，而是自然光，如下图 所示。
自然光在传播的过程中，由于外界的影响在各个振动方 向的光强不相同，某一个振动方向的光强比其他方向占优势， 这种光称为部分偏振光，如下图所示。
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5
光的偏振
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6
4．光的色散
如图所示，当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝 紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同
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8
导波的形成
A
C
B
波的形成必须与自身发生相长干涉，否则波 就会与自身发生相消干涉而消失；
波的相位不仅在波行进时会变化，而且从介 质界面反射时也要变化；
因此，当波路径A-B-C时所产生的总相位移 必须等于2的整数倍。
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9
名词解释(续)
模 mode:传输媒质中电磁波的一种电磁场分布样 式。由与电磁波传播方向垂直的平面内一种特殊 的场图形所表征。光纤中的传播模是由必须满足 麦克斯韦方程组和一定边界条件所决定的。
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17
横截面
折射率分布 r
光纤制备原理和应用PPT课件
外部气相沉积法（OVD）； 气相轴向沉积法（VAD）；
等离子体化学气相沉积法（PCVD）；
改进化学气相沉积法（MCVD）。
第11页，共24页。
VAD法：日本1977年开发出来的，其工 作原理与OVD相同，不同之处在于它不 是在母棒的外表面沉积，而是在其端部 （轴向）沉积。VAD的重要特点是可以 连续生产，适合制造大型预制棒，从而 可以拉制较长的连续光纤。
第13页，共24页。
光纤预制棒制备工艺
MCVD法：采用的SiCl4、 GeCl4等液态原材料在高温下
维．具有束缚和传输从红外到可见光区域内光的功能．也具有传感功能。一般通 信用光纤的横截面的结构如图2所示。光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高 透明固体材料(如高二氧化硅玻璃、多组分玻璃、塑料等)制成，纤芯的外面是包 层．用折射率相对纤芯较低的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成,外面一般还有起
保护作用的涂覆层。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。
工 业 光 纤 内 窥 镜
第23页，共24页。
谢谢
第24页，共24页。
第3页，共24页。
光纤的来源 光纤的发展历史
石英光纤的损耗进展:
1966, 高锟 1000 dB/km 1970, 康宁公司 →20 dB/km
1972, 康宁公司 → 7dB/km
1973, 贝尔实验室 →2.5dB/km
1976, 日本 →0.5dB/km@1.55µm
1979,
→0.2dB/km@1.55µm
第20页，共24页。
光纤的应用
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NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。 NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更大的模色散，
因而限制了信息传输容量，所以必须适当选择NA。
单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。
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2.1.4 射线光学描述
联系：每个平面波对应一条射线，每个模式对应若干射线 ，而这些射线具有相同的特征：与光纤中心轴夹角相等
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2.1.3 阶跃折射率光纤
n2 n1(1)
光纤：结构、导波原理和制造
n2 n1
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2.1.4 射线光学描述
斜光线：不在同一平面内
光纤：结构、导波原理和制造
pn n 2 2c co o s s1 1 n n 1 1c co o s s2 2n n 2 2c co o s s1 1 n n 1 1 n n 2 2 2 2 n n 1 1 2 2s siin n1 1
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光纤：结构、导波原理和制造
2.1.5 介质平面波导中的波动描述
多模光纤：可以传播较多模式。易耦合，可以用LED光。 缺点是存在模间色散（可以采用梯度折射率光纤解决）。
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2.1.2 光射线和模式
光纤：结构、导波原理和制造
光射线：是“几何光学”中的概念，通常用于光波导尺寸 比波长大很多的情形，即所谓的“短波长极限”
模式：描述电磁场的分布。稳定的电磁场可以分解为若干 平面波的叠加。
第二章 光纤：结构、导波原理 及制造
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1
整体概况
光纤：结构、导波原理和制造
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
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2
主要内容
2.1 光纤模式和结构 2.2 圆波导的模式理论 2.3 单模光纤 2.4 梯度折射率光纤 2.5 光纤材料 2.6 光纤制造 2.7 光缆 2.8 光缆铺设方法
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2.1.4 射线光学描述
子午光线：在同一平面内
光纤：结构、导波原理和制造
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2.1.4 射线光学描述
光纤：结构、导波原理和制造
光线理论
包层
θ2
n2
n1
纤芯
θ1 1'
入射光
折射光 反射光
n2sin2n1sin1
光的反射与折射
n2
n1
只有特殊的角度才满足特征方程，因此角度是分立的
10
8
6
4
2
0
0
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06
光纤：结构、导波原理和制造
光在渐变光纤中传播的定性解释
n2 n15 n14 n13 n12 n11 n1
n 1 n 1 1 n 1 2 n 1 3 n 2
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2.1.4 射线光学描述
(z) Asin
a21Z
光纤：结构、导波原理和制造
n 2 光在渐变光纤
以不同角度入
n1 射的光线族皆
2 arctan
cos2
(
n
2 2
/
n12 )
sin
ta
n
n1d s
i
n
m 2
cos2 (nFra bibliotek2 2/
n12 )
sin
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光纤：结构、导波原理和制造
2.1.5 介质平面波导中的波动描述
特征方程
tan n1d sinm 2 cos2si n (n2 2/n1 2)
进行不同的掺杂来实现。
纤芯掺入Ge和P 折射率 包层掺入B 折射率
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2.1.1 光纤分类
光纤：结构、导波原理和制造
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2.1.1 光纤分类
光纤：结构、导波原理和制造
单模光纤：仅允许一种模式传播。通常需要用LD作为光源 。不存在模间色散，带宽大。
光学参数
折射率差 (n12n22)/2n12
数值孔径 N A n 0sinan 1 2n 2 2n 1 2 2 n 1 2 n 2 22 n 1 2n 1 2
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2.1.4 射线光学描述
光纤：结构、导波原理和制造
数值孔径NA（书上例题2.4，P32）
NA表示光纤接收和传输光的能力。 NA（或θa）越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间
以正弦曲线轨 迹在光纤中传 播，且近似成 聚焦状
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光纤：结构、导波原理和制造
2.1.5 介质平面波导中的波动描述
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光纤：结构、导波原理和制造
2.1.5 介质平面波导中的波动描述
Ei Er
i 1
Ei
Er
i 1
菲涅尔公式
2
Et
2
Et
sn n 1 1c co os s1 1 n n2 2c co os s2 2n n 1 1c co os s1 1 n n2 2 2 2 n n 1 1 2 2s siin n1 1
入射光
θ2=90o θc
折射光
c sin1(n2/n1)
光的全反射现象
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2.1.4 射线光学描述
光纤：结构、导波原理和制造
光纤中光线传播路径
光在阶跃光纤中的传播轨迹
n 0sina n 1sin n 1c o s1
1 c sinc n2/n1
n0sina n12n22
当 1 c sin1sinc
n22 n12sin21 为虚部
A jB
A jB
exp(2jf)
tgfs
n21sin21n22 n1cos1
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2.1.5 介质平面波导中的波动描述
k1s1 2 k1s2 2 m s1 d / sin s2 AD cos (cos2 sin 2 ) d/ sin
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2.1 光纤模式和结构
光纤：结构、导波原理和制造
光纤：光频工作下的介质波导。通常为圆柱形。
▪纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：9~50μm ▪包层：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125 μm ▪涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙 ▪纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层