光纤结构波导原理和制造技术
光纤结构、波导原理和制造
抗电磁干扰
光纤不受电磁干扰影响，保证数据传输的稳定 性和可靠性。
较低的信号衰减
相比传统电缆，光纤的信号衰减较小，可实现 长距离的信号传输。
小尺寸、轻巧
光纤的小尺寸和轻巧特性使其适用于各种应用 场景，如网络、医疗和工业。
光纤的传输原理和波导特性
全内反射
光信号在纤芯中通过全内反射而 传输，避免了能量损失。
单模与多模
光纤可以实现单模和多模传输， 满足不同的传输需求。
色散和衰减
光纤传输过程中会遇到色散和衰 减现象，需要进行补偿和优化。
光纤的制造和工艺流程
光纤制造是一个复杂的工艺过程，包括材料准备、预制棒拉制、涂层和包 覆等多个步骤。精密的工艺保证了光纤的质量和性能。
2
增强信号质量
研究人员正在努力改进光纤传输质量，减少信号衰减和色散现象。
3
智能化应用
光纤技术将与智能设备结合，实现更智能、高效的数据传输和应用。
结论和总结
通过本次演示，我们了解了光纤的定义、结构、优势以及制造过程。光纤技术在通信、医疗和工业等领域的应 用前景广阔，将不断发展和创新。
光纤的应用领域
1 通信网络
光纤是构建全球通信网络的基础，实现高速宽带传输。
2 医疗设备
光纤在医疗设备中的应用越来越广泛，如内窥镜和激光手术器械。
3 工业自动化
光纤可用于监测和控制系统，提高工业生产的效率和安全性。
光纤技术的发展趋势
1
更高带宽
随着数据需求的增加，光纤技术将不断提升带宽以满足更高速传输的需求。
光纤结构、波导原理和制 造
欢迎来到光纤结构、波导原理和制造的介绍。在本次演示中，我们将深入探 讨光纤的基本结构、波导特性以及制造过程。让我们开始吧。
光纤传输的特点优势及传输原理
光纤传输的特点优势及传输原理光纤传输是一种利用光信号将数据传输的通信技术。
相比传统的电缆传输，光纤传输具有许多明显的优势。
接下来，我将详细介绍光纤传输的特点优势以及传输原理。
1.高传输速度：光纤传输采用光信号传输，光的速度约为3×10^8m/s，因此能够提供更高的传输速率。
目前，光纤传输的速度可以达到每秒数十亿比特。
2.大带宽：光纤传输能够提供更大的带宽，这意味着可以传输更多的数据。
大带宽对于高清视频、虚拟现实、云计算等大数据传输和处理的应用非常重要。
3.长传输距离：光纤传输能够实现长距离的传输。
由于光信号的衰减较小，光纤传输的信号损失较小，因此可以实现几十公里甚至上百公里的传输距离。
4.低延迟：光传输速度快，因此可以实现低延迟的数据传输。
低延迟对于需要实时响应的应用非常重要，如在线游戏、高频交易等。
5.抗干扰能力强：光纤传输不受电磁波的干扰，也不会产生电磁波干扰其他设备。
因此，光纤传输对于电磁环境较恶劣的地区或设备密集的地方非常适用。
光纤传输是基于光信号的传输原理。
它利用了光纤的特殊结构和光的全反射现象。
光纤是由两部分组成的，核和包层。
核是光传输的主要部分，具有较高的折射率。
包层的折射率则较低，形成了一种光信号的波导结构。
当光线射入光纤时，光线在包层和核的交界面上发生全反射，从而沿着光纤的轴线传播，而不会产生辐射。
当光线穿过光纤时，保持着较小的衰减和信号失真程度。
为了实现光纤之间的信号传输，常常使用调制技术。
调制技术通过改变光的强度、频率或相位，将信号转换成光信号。
最常见的调制技术是脉冲编码调制（PCM），它将数字信号转换成相应的脉冲光信号。
在光纤传输系统中，光纤传输设备通常包括发送端和接收端。
发送端将电信号转换成光信号，并通过光纤传输。
接收端接收到光信号后，将其转换成对应的电信号。
总的来说，光纤传输是一种高速、大带宽、低延迟、抗干扰能力强的通信技术。
它通过利用光的全反射现象实现了光信号在光纤中的传输。
光纤基础知识简介
光纤简介一、光纤概述光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。
通常，光纤一端的发射装置使用发光二极管〔light emitting diode,LED〕或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。
二、光纤工作波长光是一种电磁波。
可见光部分波长范围是：390nm—760nm(纳米)，大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。
μμμμ，μμμm以上的损耗趋向加大。
三、光纤分类光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，各种分类如下。
〔1〕工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤μμμm〕。
〔2〕折射率分布：阶跃〔SI〕型光纤、近阶跃型光纤、渐变〔GI〕型光纤、其它〔如三角型、W型、凹陷型等〕。
〔3〕传输模式：单模光纤〔含偏振保持光纤、非偏振保持光纤〕、多模光纤。
〔4〕原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤〔如塑料包层、液体纤芯等〕、红外材料等。
按被覆材料还可分为无机材料〔碳等〕、金属材料〔铜、镍等〕和塑料等。
〔5〕制造方法：预塑有汽相轴向沉积〔VAD〕、化学汽相沉积〔CVD〕等，拉丝法有管律法〔Rod intube〕和双坩锅法等。
四、单模光纤与多模光纤光纤是一种光波导，因而光波在其中传播也存在模式问题。
所谓“模”是指以一定角速度进入光纤的一束光。
模式是指传输线横截面和纵截面的电磁场结构图形，即电磁波的分布情况。
一般来说，不同的模式有不同的的场结构，且每一种传输线都有一个与其对应的基模或主模。
基模是截止波长最长的模式。
除基模外，截止波长较短的其它模式称为高次模。
根据光纤能传输的模式数目，可将其分为单模光纤和多模光纤。
多模光纤允许多束光在光纤中同时传播，从而形成模分散〔因为每一个模光进入光纤的角度不同它们到达另一端点的时间也不同，这种特征称为模分散〕。
光纤通信第5章-光纤波导-模式与场
2、分离变量
令
(x, y, z) (x, y)eiz
代入亥姆赫兹方程
2(x, y, z) k 2(x, y, z) 0
得到
t2(x ,y ) 2(x ,y ) 0
————即光纤中的波导场方程
其中：横向拉普拉斯算符
t2
2
2 z 2
光线的传播角从零到临界角，传播角越小模式级别越低，沿中心轴传播的模式为 零级，临界传播角模式级别最高；
横模－横向场分布（表现为不同光斑花样）
（1）x, y 轴对称 TEMmn m－X向暗区数 n－Y向暗区数
TEM00
TEM10
TEM20
TEM03
TEM11
（2）旋转对称 TEMmn m－暗直径数；n－暗环数(半径方向)
1、模式数量：光纤的结构参数决定了光纤中允许存
在的导模数量。
M
g （2 g
Байду номын сангаас2）V
2
其中g为折射率分布参数
光纤的结构参数由归一化频率V表征：
V
2 0
a
n12 n22 k0an1
2
V越大，允许存在的导模数就越多。 模 式 数 量 与 光 纤 直 径 和 数 值 孔 径 成 正 比 ， 和 波 长 成 反 比 。
3．简谐时变场的波动方程— —亥姆霍兹方程
分离电磁矢量得到只与E或H有关的矢量波动方程
利用光纤介电常数变化极为缓慢的条件简化方程为标量波动方程
设光纤中传播的电磁场随时间作简谐变化，分离时空坐标，得到 的波动方程就称为亥姆霍兹（Helmholtz
推导这个方程的条件是：无源空间，介质是理想、均匀、各向同 性而且电磁场是简谐的。
光纤波分复用技术及WDM工作原理
λ1 λ2 λ3 λn 波 分 复 用 器
光纤 解 复 用 器
λ1 λ2 λ3
为帮助了解WDM的潜在通信容量，我们回忆一下普通单模石英光纤中光传输 损耗与波长的关系（见图1.1.3）。根据此图我们知道，在长波长波段，光纤有 两个低损耗传输窗口即1310nm和1550nm窗口。这两个窗口的波长范围分别从 1270nm 到1350nm和1480nm到1600nm，分别对应着80nm和120nm的谱宽范 围。而目前光纤通信系统中所使用的高质量的1550nm的光源，其调制后的输 出谱线宽度最大不超过0.2nm，考虑到老化及温度引起的波长漂移，给出约 0.4nm~1.6nm的谱宽富余量，应是合乎情理的。即使这样，单个系统的谱宽也 只占用了光纤传输带宽的几十分之一到几百分之一。为充分利用单模光纤的低 损耗区的巨大带宽资源，在光纤低损耗窗口采用多个相互间有一定的波长间隔 的激光器作为光源，经各光源调制的信号同时在光纤中传播，这就是WDM技 术。可以说，WDM技术使得光纤具有巨大带宽这一优点得以充分体现。以一 种工作在1550nm的窄线宽DFB激光器为例，它可在0.8nm的谱带内发射信号， 因此在1525nm~1565nm共40nm的范围内，WDM系统可传送50个信道。若每 个信道的传输速率为10Gbit/s，则系统总的传输速率即为50×10Gbit/s，比单 信道传输的容量增加了50倍。
3 WDM系统中的关DM系统对光源的要求 目前的光纤通信系统所采用的光源一般有半导体发光二极管(LED)和 半导体激光器(LD)。通过学习第一章和第三章的内容我们已经知道， LED与LD的特性有很大的不同。LED所产生的光不是单波长的光，谱 线很宽，约为50~100nm；LED的输出功率比激光器低很多；LED的最 高调制速率约为几百Mbit/s。因此，LED不适合作为WDM系统的光源。 LD输出虽然不是理想的单波长的光，但其谱线宽度却可以达到很窄。 虽然普通的F-P腔LD的谱宽约为8nm，但具有布拉格光栅的高质量的 DFB或DBR LD的谱宽可达10-3nm，即使考虑因调制而产生的啁啾所导 致的谱线展宽，其调制后的输出谱线宽度最大也不超过0.2nm。所以， 只有LD才能满足WDM系统对于光源波长的要求。另一方面，LD的调制 频率可达数Gbit/s，特别适合于高速传输系统。与此同时，LD输出的光 功率要比LED高很多，而且由于输出的光为相干光，大部分光能量很容 易被耦合进光纤中，因而信号可以传输更远的距离。
光纤-导光原理,结构与分类1
光纤的导光原理
光的反射与折射示意图
光的全反射示意图
n2
2
1
3
n1
n2
0
①②
n1 n2
4
阶跃光纤的导光原理示意图
阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀 n2是包层折射率， n1是纤芯折射率。假设图中的阶跃 分布， 型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并 与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向 前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入 纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发 生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线 在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角 。由前面分析已知光纤的临界角为 n2 c arcsin( ) n1
多模传输的模式数
• 对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为
V2 Ns 2
• 对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为
V2 Ns 4
截止波长
• 截止波长是单模光纤特有的参数，是对应于第 一高阶模的归一化截止频率 Vc 2.405 时的 波长。即 2a
V
c
n1
2 2.405
故
2an1 2 c 2.405
阶跃型光纤中模式色散示意图
图中，沿光纤轴线传播的光线①传播路径最短，经过长度为L的 光纤传播时延t1最小,等于
Ln1 Ln1 t1 = C C
光纤中路径最长的是以端面临界角入射的光线②，它所产生的时 延t2是最大时延，等于：
L / sin 0 t2 = C / n1
Ln1 C sin 0
传播常数β
• 传播常数 β 是描述光纤中各模式传输特性的 一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以 由该参数决定。 • 光纤通信中信息就是由传导模传送的 。传导 模的传播常数是限制在到之间的，即 k0 n1 ＜β＜ k0 n2 。 • 当β＞ k0 n2时，包层中的电磁场不再衰减，而成 为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤 芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模 截止。 2 • 当β= k0 n 时，传导模处于临界截止状态，光线 在纤芯和包层的界面掠射。
光波导原理及器件简介
包层n 2 芯区n 1 图1. 三层平面介质波导 图2. 矩形波导 图3. 圆光波导图4. 椭圆光波导光波导原理及器件简介摘要：20世纪60年代激光器的出现，导致了半导体电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。
20世纪70年代，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光导纤维通信、光信息处理、光纤传感、光信息存储与显示等为代表的光信息科学技术的蓬勃发展，而导波光学理论是光通信技术的基础，同时也是集成光学、光纤传感等学科的基础。
本文简述了光波导的原理，并着重介绍光波导开关。
关键词：光波导，波导光学，平面光波导，光波导开光1.引言1.1光波导的概念波导光学是一门研究光波导中光传输特性及其应用的学科。
以光的电磁理论和介质光学特性的理论为基础，研究光波导的传光理论、调制技术及光波导器件的制作与应用技术。
导波光学系统是由光源、光波导器件、耦合器、光调制器及光探测器等组成的光路系统。
光波导是将光波限制在特定介质内部或其表面附近进行传输的导光通道。
简单的说就是约束光波传输的媒介，又称介质光波导。
介质光波导的三要素是：“芯/包”结构，凸形折射率分布（n1>n2），低传输损耗。
光波导常用材料有：LiNbO3、Si 基（SiO2、SOI ）、Ⅲ-Ⅴ族半导体、聚合物等。
1.2光波导的分类按几何结构分类，光波导可分为：平面（平板）介质波导，矩形（条形）介质波导，圆和非圆介质波导。
按波导折射率在空间的分布分类，光波导可分为：非线性光波导（n=n(x,y,z,E)），线性光波导（n=n(x,y,z)）。
线性光波导又可分为：纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)），纵向均匀（正规）光波导（n=n(x,y)）。
2.光波导的原理简介一种为大家所熟知的介质光波导就是通常具有圆形截面的光导纤维，简称为光纤。
然而，集成光学所注重的光波导往往是平面薄膜所构成的平板波导和条形波导，这里，我只讨论平面光波导。
最简单的平板波导由三层材料所构成，中间一层是折射率为 n1的波导薄膜，它沉积在折射率为 n2的基底上，薄膜上面是折射率为 n3的覆盖层，一般都为空气。
光纤基础知识简介
光纤简介一、光纤概述光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。
通常，光纤一端的发射装置使用发光二极管〔light emitting diode,LED〕或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。
二、光纤工作波长光是一种电磁波。
可见光局部波长围是：390nm—760nm(纳米)，大于760nm 局部是红外光，小于390nm局部是紫外光。
光纤的工作波长有短波长0.85μm、长波长1.31μm和1.55μm。
光纤损耗一般是随波长加长而减小，0.85μm的损耗为2.5dB/km，1.31μm的损耗为0.35dB/km，1.55μm的损耗为0.20dB/km，这是光纤的最低损耗，波长1.65μm以上的损耗趋向加大。
三、光纤分类光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，各种分类如下。
〔1〕工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤〔0.85μm、1.3μm、1.55μm〕。
〔2〕折射率分布：阶跃〔SI〕型光纤、近阶跃型光纤、渐变〔GI〕型光纤、其它〔如三角型、W型、凹陷型等〕。
〔3〕传输模式：单模光纤〔含偏振保持光纤、非偏振保持光纤〕、多模光纤。
〔4〕原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤〔如塑料包层、液体纤芯等〕、红外材料等。
按被覆材料还可分为无机材料〔碳等〕、金属材料〔铜、镍等〕和塑料等。
〔5〕制造方法：预塑有汽相轴向沉积〔VAD〕、化学汽相沉积〔CVD〕等，拉丝法有管律法〔Rod intube〕和双坩锅法等。
四、单模光纤与多模光纤光纤是一种光波导，因而光波在其中传播也存在模式问题。
所谓“模〞是指以一定角速度进入光纤的一束光。
模式是指传输线横截面和纵截面的电磁场结构图形，即电磁波的分布情况。
一般来说，不同的模式有不同的的场结构，且每一种传输线都有一个与其对应的基模或主模。
精品课件-光纤通信原理
由此可知，全内反射只能发生在光由光密介质入射到与光疏介质的
界面上，对于圆柱形光波导（纤），如果使纤芯中心部分的折射率 高于外包层的折射率，就有可能在纤芯和包层之间满足全内反射， 从而使光线“限制”在芯层内并以锯齿形连续反射光纤形式在光纤 中向前传输，直至传播到信息终端。
单模光纤和多模光纤
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
由动画可以直观地看出：在阶跃多模光纤中，
不同模式的光信号到达终点所需的时间不相等。
时延
时延产生的后果会使输入脉冲信号发生“脉冲展宽”，产生多路径色散 或模间色散，在接收端信号会产生码间干扰。
由于时延（模间色散）的原因，阶跃多模光纤的工作带宽会受到严重影 响。
举例：P39 最大时延公式
2.梯度多模光纤
当β= 900 时，光纤会沿着平 行于两介质的界面传播，如图 2-3所示的光线②。这时的入 射种角介写质成 的临α界0 角，，我如们式称（它2为-3两） 所示。
即临界角由两种介质的折射 率n1和n2的比值决定的。
对于入射角α大于临界角α0
的所有光线，在光疏介质中没 有对应的折射光线存在，这些 光线在界面上全部被反射回光 密介质中，这种现象称为全内 反射，如图2-3所示的光线③。
3. 相对折射率差
举例：P36 例2-1
单模玻璃光纤的相对折射率差是0.2%； 多模玻璃光纤的相对折射率差是1%；
熟料光纤的相对折射率差是0.22～12%
但要注意： Δ与数值孔径和光纤的接受角也存在着一定的
数量关系。
表2-2列出了几种不同光纤纤芯的折射率是1.50时，Δ与数值孔径 和光纤的接收角的关系。
光波导
传输特性
光纤的传输衰减很小，频带很宽。例如，在1.5微米波段衰减可小到0.2分贝/公里，频带宽达108/公里数量 级（多模光纤）或109赫/公里数量级（单模光纤），如此优良的性能是其他传输线难以达到的，因而光纤可用于 大容量信号的远距离传输。薄膜波导和带状波导传输特性及其分析与光纤类似。由于它们主要用来构成元件，对 传输衰减与频带要求并不严格。严格求解光波导中的电磁场的矢量解较为困难，故通常用标量近似法、射线法等 近似解法分析其传输特性，包括各个模式的场分布、色散以及模式之间的耦合等。
光波导的横向尺寸比光的波长大很多时，光的波动性所产生的衍射现象一般可略去不计，可用几何光学定律 来处理光在其中的传播问题。如集成光波导和阶跃折射率光纤中，都是利用入射角大于临界角使光在边界上发生 全反射，结果光便沿折线路径在其中传播。梯度折射率光纤中，则利用光逐渐往折射率大的方向弯曲的规律，使 光线沿曲线路径在其中传播。
平面材料
PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、 SOI（Silicon-on-Insulator,绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃。
铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。InP波导以InP为称底和下包层， 以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。二氧化硅波导以硅片为衬底， 以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层 和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的 Polymer材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩 散型。
光纤导光原理和光纤材料
信号与系统
光纤通信的发展历程
➢ 世界光纤之父：高锟 1966年，高锟博士发表了著名
的论文“光频介质纤维表面波导 ”，明确提出通过改进制备工艺 ，减少原材料杂质，可使石英光 纤的损耗大大下降，并有可能拉 制出损耗低于20dB/km的光纤。
4A
信号与系统
光纤损耗
➢ 1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.）率先将高锟博士的科学预言变为 现实，研制出在0.6328um波长下损耗为 20dB/km的石英光纤，取得了重要的技术突 破。
➢ 从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制 导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨 /公里，有色金属的消耗实在是太大。
➢ 1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出 石英光纤且用于光线和图像的短距离传输；
此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢， 主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多 分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。
除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设 ;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。 由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信 的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工
2 A 业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。
信号与系统
光纤通信的发展历程
7Aห้องสมุดไป่ตู้
信号与系统
一、光纤的基本概念
8A
信号与系统
1、介质光波导
空间传播光与导波光
➢ 空间传播光：在自由空间中(或均匀介质中)传播的
光 ➢导波光：相对于空间传播的光，光被限制在与传播 方向垂直的截面内，在密闭区传播的光。
第二章 光纤与光缆
38
波动方程的求解
运用分离变量法求解波动方程经过一系列数学处 理，可得
d 2Ez dr2
1 r
dEz dr
(n2k2 0
2
m2 r2
)Ez
0
d 2Hz dr 2
1 r
dH z dr
(n2k 2 0
2
m2 r2 )Hz
0
上式是贝塞尔方程，式中m是贝塞尔函数的阶数，称为方 位角模数，它表示纤芯沿方位角 绕一圈场变化的周期数。
23
光缆结构示意图
层绞式
中心束管式
带状式
24
2.2 光纤传输原理
2.2.1 射线光学分析方法 2.2.2 波动光学分析方法
25
★光的传输理论
光纤的三个基本性能指标
（1）定义临界角θc的正弦为数值孔径 (Numerical
Aperture, NA)
物理意义：数值孔径反映了光纤的集光能力，值越 大，集光能力越强。
2.1.3 光纤制造工艺
改进的化学汽相沉积法(MCVD) 轴向汽相沉积法(VAD) 棒外化学汽相沉积法(OVD) 等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD)
19
光纤接续方法
□ 永久接续法 □ 连接器接续法
20
2.1.4 光缆及其结构
光缆是以光纤为主要通信元件，通过加强件 和外护层组合成的整体。光缆是依靠其中的光纤 来完成传送信息的任务，因此光缆的结构设计必 须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性。
单模光纤 多模光纤
14
单模光纤---色散最小
r n2 n1
2a =8.3m 2 b =125m
n(r) 2a
导波检测的原理
导波检测的原理导波检测是一种用于测量材料中导波结构和光场参数的非接触性技术。
它基于光的传播特性和结构的变化对光的相位和振幅的影响进行测量。
导波检测在光纤通信、光子集成电路和光纤传感等领域得到了广泛的应用。
导波检测的原理可以从两个方面来解释：传播模型和结构变化模型。
首先是传播模型。
导波检测使用的光源通常是单色、单模、偏振可控的光源。
当光经过导波结构时，它会在材料中传播，并与结构发生相互作用。
在波导中，波导模式的传播速度会受到波导本身的折射率和维数，以及波长的影响。
通过测量在结构中传播的光的相位（或振幅）变化，可以得到导波结构的性质。
其次是结构变化模型。
导波检测利用了结构对光场的调制效应。
当导波结构发生微小变化时，例如波导中的折射率发生变化，会引起光场的相位和幅度的变化。
这种结构变化可以通过光的干涉和散射效应来测量。
通过测量光的干涉图案或散射光的空间分布，可以获得结构的变化信息。
导波检测可以通过不同的测量技术来实现，例如干涉法、衍射法、散射法等。
其中，干涉法是最常用的一种方法。
在干涉法中，测量设备通常包括光源、分束器、样品、探测器和数据处理装置。
光源发出的光经过分束器分为两束，一束照射到样品上，另一束作为参考光。
在样品中经过传播后的光与参考光经过光路延迟后的光发生干涉，并形成干涉图案。
探测器接收干涉图案，并将信号传送到数据处理装置进行分析和处理。
由于样品中的结构会使光的相位和幅度发生变化，因此通过分析干涉图案的强度、相位或空间分布，可以得到导波结构的参数。
导波检测的优点是非接触性、高灵敏度、快速响应和可靠性。
它可以用于测量导波结构的形状、折射率、波长选择性、耦合效率等参数，以及导波结构中的应变和温度变化等信息。
在光子集成电路中，导波检测可以用于性能优化、制造过程控制和性能监测。
在光纤通信中，导波检测可以用于光纤连接、光纤耦合和光纤传感等方面的测量和监测。
在光纤传感中，导波检测可以用于检测材料中的变化或测量环境参数，例如压力、温度和湿度等。
光纤结构、波导原理和制造
其中h = 6.63 10-34 J·s为普朗克常数
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。
2 基本的光学定律和定义
光速 c = 3 108 m/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；
光纤结构、波导原理和制造
主要内容
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
光的波动性 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
光纤的分类
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)
光传播的入射角条件 将s1和s2的值代入相位关系式并简化可以得到：
2pn1d sin mp l
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：
2arctan
cos2
n22 / n12
s in
代入简化式中可以得到：
tan pn1d
s in
kp
n12
cos2
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
光导纤维传播信号的原理
光导纤维传播信号的原理光导纤维是一种能够传输光信号的特殊材料，其原理基于光的全反射和光的波导效应。
光导纤维由一个或多个纤维芯和包围在外层的包层组成，纤维芯是主要传递光信号的部分。
在实际应用中，光纤通常采用单模或多模的结构，通过选择不同的纤维结构可以满足不同的传输需求。
光导纤维传播光信号的原理如下：当一个光信号通过光纤的一端输入时，光信号会被纤维芯内的材料所吸收。
这些物质的折射率较高，可以使光信号被限制在纤维芯内部进行传输。
如果光信号的入射角小于临界角，就会发生全反射，光信号会沿着纤维芯依照波导效应进行传播。
在光导纤维中，光信号的传输主要有两种类型：单模传输和多模传输。
单模传输是指只有一条光信号通过光纤传输，光信号的径向分布只占据一条光纤芯。
单模传输主要适用于需要长距离传输和高速数据传输的应用，其最大优势是可以减小光信号的色散和衍射，提高信号的传输质量。
多模传输是指多条光信号同时通过光导纤维传输，光信号的径向分布占据多条光纤芯。
多模传输适用于较短距离传输和较低速的数据传输应用。
由于多模传输中的信号存在模式间的相位差，会引起色散效应，从而降低信号的传输质量。
另外，多模光纤的带宽较小，不适合高速数据传输。
为了提高光信号的传输质量，在光导纤维的设计和制造中，需要考虑以下几个因素：纤维材料的折射率、纤维芯和包层的直径，以及两者之间的折射率差。
这些因素的合理选择可以使光信号的传输损耗降低到最小，实现高效的信号传输。
此外，光导纤维传输光信号还依赖于光源的特性。
光源产生的光信号经过调制后输入光纤中，通过光纤的全反射和波导效应进行传输，到达接收器后再经过光电转换和信号调理，最终得到所需的输出信号。
总之，光导纤维的传输原理基于光的全反射和波导效应，通过设计合理的纤维结构和选择合适的光源，可以实现光信号的高效传输。
光导纤维的应用范围广泛，包括通信、激光技术、医疗诊断、传感器等领域，具有重要的科学研究和实际应用价值。
25211、光纤数值孔径NA显然...
2009-2-25
1
1、光纤
《光纤通信（第三版）》p18
需要掌握、了解的内容
1、光纤的结构和工作模式 2、光在光纤中的传播方式 3、光纤的构成材料 4、光纤的制造工艺 5、光缆的基本构成 6、光信号在光纤中的损耗机理 7、光信号在光纤中的失真机理和度量
2009-2-25
10
2009-2-25
11
1、光纤
概况
光纤的光学特性可以用几何光学法来分析。由于光是电磁波，因此，光在 光纤中的传输特性可以用电磁场理论的方法来分析。
两种方法各有其优点和局限性，几何光学法简明扼要，但只能给出光纤的 光学特性 (适用于分析多模光纤)；电磁场理论的方法比较繁琐，但可以给出光 纤的传输特性和工作模式。
2、采用化学气相沉积法或其它方法，在石英玻璃管内形成高纯度并有 特定掺杂的 SiO2沉积层。
3、将光纤预制棒加热拉伸就可以制成光纤，根据设备和工艺的条件， 一般光纤的长度为 1~100km。
2009-2-25
9
1、光纤
制造工艺
光纤预制棒是横截面上有特定折射率分布的空心石英玻璃棒。 其纤芯部分的折射率较高，由高纯 SiO2 材料掺杂折射率较高的高纯 GeO2 材料构成的，包层由高纯 SiO2 材料构成。
2009-2-25
7
1、光纤
基本结构和特性参数
光纤由纤芯、包层 (裸纤)、涂敷层及套塑四部分组成。
纤芯：直径一般为 5 ~ 50µm，主要成份是 SiO2，纯度高达 99.99999％，其余 成份为掺杂剂，折射率略大于包层，通常掺入五氧化二磷 (P2O5) 或二氧化锗 (GeO2) 。
光纤生产工艺
第一节 工艺方法的分类 第二节 气相沉积工艺 第三节 非气相技术
第一节 工艺方法的分类 一、概述 1、光纤性能的影响因素：材料组成、结构、波导结构(折 射率分布)和制造工艺。 2、光纤制造工艺要求 (1)光纤的质量在很大程度上取决于原材料的纯度，用作原
料的化学试剂需严格提纯，其金属杂质含量应小于几 个ppb，含氢化合物的含量应小于1ppm，参与反应的 氧气和其他气体的纯度应为6个9（99.9999％）以上。
▲通信光纤大都采用石英玻璃为基础材料，通过气相沉积 方法向基础材料掺杂(Ge、F)来改变折射率分布结构； 由于石英玻璃的优异性能与气相沉积法能够精确地调整 折射率分布结构，所以目前多采用石英玻璃与气相沉积 法制造通信光纤。
3、工艺方法 一步法：预制棒的芯/包层都是由气相沉积工艺完成 二步法：气相沉积芯棒技术+外包技术(大尺寸的预制棒 可降低成本、提高生产效率) 4、工艺分类方法 美国康宁公司在1974年开发成功，1980年全面投入使用。 (1)气相沉积技术 日本NTT公司在1977年开发 芯棒：①外部化学气相沉积法(OVD) ②轴向化学气相沉积法(VAD) ③改进的化学气相沉积法(MCVD) ④等离子化学气相沉积法(PCVD)
1)沉积
第一步 熔炼光纤预制棒的内包层玻璃 制备内包层玻璃时，由于要求其折射率稍低于芯层的折射 率。 主体材料：四氯化硅（SiCl4）； 低折射率掺杂材料：氟利昂（CF2Cl2）、六氟化硫； 载气：O2或Ar； 辅助材料：脱泡剂（He）、干燥剂（三氯氧磷POCl3或 Cl2） 。
首先利用超纯氧气O2或氩气Ar作为载运气体，通过蒸发瓶将已 汽化的饱和蒸气SiCl4和掺杂剂(CF2Cl2)经气体转输装置导入石英包 皮管中，这里，纯氧气一方面起载气作用，另一方面起反应气体
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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， y 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 O x
以表示为：
e
E(z, t) = eEcos(wt - kz)
e
其中：e为电场振动方向
w为光的角频率
E E02x E02y 1/ 2
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,…
E0y
arctan E0y
ห้องสมุดไป่ตู้E0 x
E0x
椭圆偏振光
tan 2
作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号
纤芯
包层
1) 位置：位于纤芯的周围 2) 尺寸：直径d2 = 125 mm 3) 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
- 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
光两种典型的传播方式
假设光在各向同性的均匀介质中传播
球面波前
平面波前
点光源
光线
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
振光变成圆偏振光：
Ex2 Ey 2 E02
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
p :
2
Ez,t exE0 coswt kz ey E0 sinwt kz
sinwt kz
p 2
coswt kz
光的量子特性
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
包层
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1.5 mm
3) 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
光纤的分类
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)
z
k = 2p/l为传播常数，表征相位变化的快慢
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
y
圆偏振光
O
x
e e
z
线偏振光
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)
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
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
光的折射定律 (Snell定律 )
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：n1 sin1 = n2 sin2
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
光的全反射
光疏媒质 光密媒质
c
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。
主要内容
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
12.3 光纤的结构和模式
纤芯
包层
涂覆层
纤芯
1) 位置：光纤的中心部位 2) 尺寸：直径d1 = 4 mm ~ 50 mm 3) 材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，
n1 sinc = n2 sin 90° [ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
全反射光的相移
偏振态按光平面分解
1 < p/2 - c c
垂直分量
c = 42度
水平分量
1 < p/2 - c c
n = n1/n2
空气与玻璃界面
48
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)
光纤结构、波导原理和制造技术
技术创新，变革未来
目录
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
12.1 光的基本特性
光的波动性
- 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
2E0x E0 y cos E02x E02y
椭圆偏振光 ( ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)
Ex E0 x
2
Ey E0 y
2
2
Ex E0 x
Ey E0 y
cos
sin 2
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
一个频率为n的光子能量为 E = hn
其中h = 6.63 10-34 J·s为普朗克常数
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。
12.2 基本的光学定律和定义
光速 c = 3 108 m/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；