2.光纤结构、导波原理及制造资料

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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

光纤结构、波导原理和制造

光纤可以实现高速、高带宽的数据传输，满足现代通信需求。
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。

光纤导光原理和光纤材料

光纤材料及光纤器件
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。光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光纤的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光纤主要有两个特性：损耗和色散。光纤通信具有传输频带宽，容量大，传输距离远，质量高，保密性好等优点。光纤的优良特性，使之在光纤通信、传感、传像、传光照明与能量信号传输等多方面领域被广泛而大量应用，尤其在信息技术领域具有广阔的应用前景。
(2)、塑料光纤
成本低、材料损耗大、温度性能差。
(3)、晶体光纤
纤芯为单晶，可用于制作有源和无源光纤器件。
(1)、石英光纤
容易连接：POF不用抛光液能达到很好的连接效果，也不用为了连接而采用专用的设备；
快速安装：POF能够很容易地通过狭小的穿线管；
低廉成本：由于具备以上两个优点，所以采用POF做传输介质的网络接入系统，其造价要比石英光纤接入系统低；
第二传输窗口
第一传输窗口
1300
1550
850
紫外吸收
红外吸收
瑞利散射
0.2
2.5
损耗 (dB/km)
波长 (nm)
OH离子吸收峰
第三传输窗口
在1.55m处最小损耗约为0.2dB/km
损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗
（2）光纤的弯曲辐射损耗
光纤实际应用中不可避免的要产生弯曲，这就伴随着产生光的弯曲辐射损耗。
01
麦克斯韦方程的一个解即对应一个模式，对应着电磁场在光纤中的一种分布形式。
01
模式：物理上理解就是一种基本场分布,数学上就是一个基本解。

光纤导光原理

光纤导光原理
光纤是一种能够传输光信号的细长柔软的光学导波器件，它由一种或几种光学材料制成，具有光学均匀性好、光损耗小、传输带宽大、抗干扰能力强等特点。

光纤的导光原理是基于全反射的物理现象，通过光的全反射来实现光信号的传输。

光纤的导光原理主要包括入射角、全反射和光信号传输三个方面。

首先，入射角。

当光线从一种介质射入到另一种折射率较大的介质中时，会发生折射现象。

入射角的大小直接影响到光线是否能够发生全反射。

当入射角小于临界角时，光线会发生折射；当入射角等于临界角时，光线沿界面传播；当入射角大于临界角时，光线会发生全反射。

因此，通过控制入射角的大小，可以实现光线的全反射。

其次，全反射。

全反射是光线在从光密介质射入光疏介质时，入射角大于临界角时发生的现象。

在全反射的条件下，光线会完全反射回原来的介质中，而不会发生折射。

光纤正是利用了全反射的原理，使得光线能够在光纤内部来回传输，实现光信号的传输。

最后，光信号传输。

光纤内部的光信号传输是基于全反射的原理。

当光线沿着光纤传输时，由于光纤的折射率较大，使得光线能够在光纤内部发生全反射，从而实现光信号的传输。

光信号的传输速度快、传输损耗小，能够实现远距离的传输，因此在通信、光纤传感等领域有着广泛的应用。

总结来说，光纤的导光原理是基于入射角、全反射和光信号传输三个方面。

通过控制入射角的大小，使得光线能够在光纤内部发生全反射，从而实现光信号的传输。

光纤具有传输带宽大、传输损耗小、抗干扰能力强等优点，是一种理想的光学传输介质，有着广泛的应用前景。

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。

光纤的基本理论

3. 按光纤构成的原材料分类
石英系光纤多组分玻璃光纤塑料包层光纤全塑光纤目前光纤通信中主要使用石英系光纤
4. 按光纤的套塑层分类
紧套光纤松套光纤
1.1.2 多模阶跃折射率光纤的射
线光学理论分析
图示为阶跃光纤的子午光线。
在多模阶跃光纤的纤芯中，光按直线传输，在纤芯和包层的界面上光发生反射。由于光纤中纤芯的折射率n1大于包层的折射率 n2，所以在芯包界面存在着临界角φc 。
射线轨迹法
在光纤半径和波长之比很大时，可得到很好的近似结果，所谓“短波长极限”。
光射线与模式的联系
沿光纤轴方向传播的导波模可以分解为一系列平面波的叠加，即在光纤轴的横方向形成驻波分布。
任一平面波都与其相前垂直的射线联系。
根据射线描述，只要入射角大于临界角的任何射线都可以在光纤中传播，加上驻波条件后，允许的角度就只有有限个。
围表示，也可用频率范围 f来表示
它们的关系为
f
f
、f分别是光源的
中心波长和中心频
率
1.5.2 光纤色散的种类
模式色散材料色散波导色散偏振模色散
1.5.3 光纤色散的表示法
特定模式传输群速度
vg
d d
单位长度光纤的群时延
g
1 vg
d d
1 d
c dk
2 d 2 c d
最大时延差
传导模对于e j(t z) 中 n2k n1k时截止模当 n2k时，模式截止。泄露模 n2k 时出现，仍被约束在纤
芯内传播一段距离。
归一化频率V
V
2 a
(n12
1
n22 )2
2 a
NA

光纤导光原理

光纤导光原理光纤导光原理是基于光的全反射现象，通过光纤中的高折射率材料将光信号传输的一种技术。

光纤是一种细长的、透明的光导纤维，由两层或多层材料组成，通常是一层芯层（core）和一层包层（cladding）。

以下是光纤导光原理的详细解释：1. 全反射原理光纤导光的核心原理是全反射。

当光线从一种介质传播到另一种折射率较低的介质时，如果入射角小于一定的角度，光就会发生全反射而不发生透射。

这一现象被广泛应用于光纤通信中。

2. 光纤的构造光纤通常由两个主要部分组成：•芯层（Core）：芯层是光纤的中心部分，是由高折射率材料制成的。

光信号主要传输在芯层中。

•包层（Cladding）：包层包围在芯层外部，由低折射率材料构成。

包层的作用是确保全反射发生，使得光能够在芯层内传播。

3. 工作原理1.入射光：当光线从一种介质（通常是空气）进入芯层时，光线被折射进入芯层。

2.全反射：在芯层和包层的交界面上，入射角决定是否会发生全反射。

如果入射角小于临界角，光会完全反射在芯层内。

3.传播：光信号通过一系列全反射在芯层内传播，因为折射率高的芯层材料使得光线总是被引导在芯层内。

4.终点反射：当光线到达光纤的末端时，可能会发生终点反射，将光信号反射回芯层内。

4. 光纤的优势光纤导光的原理具有一系列优势：•低损耗：由于全反射现象，光信号在光纤中传输的过程中损耗较小。

•高带宽：光纤的传输带宽非常大，能够传输大量的数据。

•抗干扰性：光纤不容易受到电磁干扰，因此具有良好的抗干扰性。

•长距离传输：光信号在光纤中的传输距离较远，不易衰减。

5. 应用领域光纤导光原理被广泛应用于各个领域：•通信：光纤通信是最常见的应用之一，用于传输电话、互联网和其他数据通信。

•医疗：在医疗设备中，光纤用于显微镜、激光手术等。

•传感器：光纤传感器利用光纤导光的原理进行测量，例如温度、压力、应变等。

•工业应用：在工业自动化中，光纤用于光纤陀螺仪、激光加工等。

•科学研究：光纤被广泛用于实验室中的光学实验和科学研究。

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。

光纤结构和类型

椭圆芯光纤: 双折射光纤或偏振保持光纤。
主要用途：突变型多模光纤只能用于小容量短距
离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平:
1.55μm色散移位光纤实现了10Gb/s 容量的100km 的超大容量超长距离系统。
对于无损耗光纤，在θmax内的入射光都能在光纤中传输，如图。
光纤的数值孔径NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好；
但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。
所以要根据实际使用场合，选择适当的 NA。
四、相对折射率差Δ
n1 和n2 差值的大小直接影响着光纤的性能，
界角）。
光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ端面入射临界角
当θi<θmax时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线3。
由此可见，只有在半锥角为θi ≤θmax的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。
半锥角
三、数值孔径
根据这个传播条件，定义入射临界角的正弦为数值孔径 (Numerical Aperture, NA)。即光纤的数值孔径为：
g为折射率分布指数
g→∞， (r/a)→0的极限条件下，表示突变型多模光纤的折射率分布；
g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤的折射率分布。
具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小
渐变型光纤折射率按平方律(抛物线)分布:
n(r
)
设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2。

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。

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
15:22
30
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》
2
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

光纤通信第三版pdf完全版本光纤通信原理与技术

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相关信息：【作者】（美）Gerd Keiser【格式】超星转成的pdf【译者】李⽟权等【 ISBN 】7-5053-7637-3【出版社】电⼦⼯业出版社【系列名】国外电⼦通信教材【出版⽇期】2002年7⽉【版别版次】2002年7⽉第⼀版第⼀次印刷【简介】本书是⼀本系统介绍光纤通信知识的专著。

全书共分为13章，内容涉及光纤传输原理和传输特性、半导体光源和光检测器的⼯作原理及⼯作特性、数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统、光放⼤器的⼯作原理和性能、WDM系统原理、光⽹络以及光纤通信系统测量。

本书理论体系严谨，内容深⼊浅出，并且紧密联系实际，是通信⼯程及相关专业⾼年级本科⽣、研究⽣的⼀本好教材，也是通信⼯程师的⼀本很好的参考书。

【⽬录】第1章光纤通信总览1.1 基本的⽹络信息速率1.2 光纤光学系统的演进1.3 光纤传输链路的基本单元1.4 仿真与建模⼯具1.4.1 仿真和建模⼯具的特征1.4.2 编程语⾔1.4.3 PTDS仿真和建模⼯具1.5 本书的使⽤和扩展1.5.1 参考资料1.5.2 CD—ROM中的仿真程序1.5.3 光⼦学实验室1.5.4 基于Web的资源参考⽂献第2章光纤：结构、导波原理和制造2.1 光的特性2.1.1 线偏振2.1.2 椭圆偏振和圆偏振2.1.3 光的量⼦特性2.2 基本的光学定律和定义2.3 光纤模式和结构2.3.1 光纤分类2.3.2 射线和模式2.3.3 阶跃折射率光纤结构2.3.4 射线光学表述2.3.5 介质平板波导中的波动解释2.4 圆波导的模式理论2.4.1 模式概述2.4.2 对关键的模式概念的归纳2.4.3 麦克斯韦⽅程2.4.4 波导⽅程式2.4.5 阶跃折射率光纤中的波动⽅程2.4.6 模式⽅程2.4.7 阶跃折射率光纤中的模式2.4.8 线偏振模2.4.9 阶跃折射率光纤中的功率流2.5 单模光纤2.5.1 模场直径2.5.2 单模光纤中的传播模2.6 梯度折射率光纤的结构2.7 光纤材料2.7.1 玻璃纤维2.7.2 卤化物玻璃纤维2.7.3 有源玻璃纤维2.7.4 硫属化合物玻璃纤维2.7.5 塑料光纤2.8 光纤制造2.8.1 外部汽相氧化法2.8.2 汽相轴向沉积法2.8.3 改进的化学汽相沉积法2.8.4 等离⼦体活性化化学汽相沉积法2.8.5 双坩埚法2.9 光纤的机械特性2.10 光缆习题参考⽂献第3章光纤中的信号劣化3.1 损耗3.1.1 损耗单位3.1.2 吸收损耗3.1.3 散射损耗3.1.4 弯曲损耗3.1.5 纤芯和包层损耗3.2 光波导中的信号失真3.2.1 信息容量的确定3.2.2 群时延3.2.3 材料⾊散3.2.4 波导⾊散3.2.5 单模光纤中的信号失真3.2.6 偏振模⾊散3.2.7 模间⾊散3.3 梯度折射率光波导中的脉冲展宽3.4 模式耦合3.5 单模光纤的优化设计3.5.l 折射率剖⾯3.5.2 截⽌波长3.5.3 ⾊散计算3.5.4 模场直径3.5.5 弯曲损耗习题参考⽂献第4章光源4.1 半导体物理学专题4.1.1 能带4.1.2 本征材料和⾮本征材料4.1.3 pn结4.1.4 直接带隙和间接带隙4.1.5 半导体器件的制造4.2 发光⼆极管(LED)4.2.1 LED的结构4.2.2 光源材料4.2.3 量⼦效率和LED的功率4.2.4 LED的调制4.3 半导体激光器4.3.1 半导体激光器的模式和阈值条件4.3.2 半导体激光器的速率⽅程4.3.3 外量⼦效率4.3.4 谐振频率4.3.5 半导体激光器结构和辐射⽅向图4.3.6 单模激光器4.3.7 半导体激光器的调制4.3.8 温度特性4.4 光源的线性特性4.5 模式噪声、模分配噪声和反射噪声4.6 可靠性考虑习题参考⽂献第5章光功率发射和耦合5.1 光源⾄光纤的功率发射5.1.1 光源的输出⽅向图5.1.2 功率耦合计算5.1.3 发射功率与波长的关系5.1.4 稳态数值孔径5.2 改善耦合的透镜结构5.2.1 ⾮成像微球5.2.2 半导体激光器与光纤的耦合5.3 光纤与光纤的连接5.3.1 机械对准误差5.3.2 光纤相关损耗5.3.3 光纤端⾯制备5.4 LED与单模光纤的耦合5.5 光纤连接5.5.1 连接⽅法5.5.2 单模光纤的连接5.6 光纤连接器5.6.1 连接器的类型5.6.2 单模光纤连接器5.6.3 连接器回波损耗习题参考⽂献第6章光检测器6.1 光电⼆极管的物理原理6.1.1 pin光电⼆极管6.1.2 雪崩光电⼆极管6.2 光检测器噪声6.2.1 噪声源6.2.2 信噪⽐6.3 检测器响应时间6.3.1 耗尽层光电流6.3.2 响应时间6.4 雪崩倍增噪声6.5 InGaAsAPD结构6.6 温度对雪崩增益的影响6.7 光检测器的⽐较习题参考⽂献第7章光接收机7.1 接收机⼯作的基本原理7.1.1 数字信号传输7.1.2 误码源7.1.3 接收机结构7.1.4 傅⾥叶变换表⽰7.2 数字接收机性能7.2.1 误码概率7.2.2 量⼦极限7.3 接收机性能的详细计算7.3.1 接收机噪声7.3.2 散弹噪声7.3.3 接收机灵敏度计算7.3.4 性能曲线7.3.5 ⾮零消光⽐7.4 前置放⼤器的类型7.4.1 ⾼阻抗FET放⼤器7.4.2 ⾼阻抗双极晶体管放⼤器7.4.3 互阻抗放⼤器7.4.4 ⾼速电路7.5 模拟接收机习题参考⽂献第8章数字传输系统8.1 点到点链路8.1.1 系统考虑8.1.2 链路的功率预算8.1.3 展宽时间预算8.1.4 第⼀窗⼝传输距离8.1.5 单模光纤链路的传输距离8.2 线路编码8.2.1 NRZ码8.2.2 RZ码8.2.3 分组码8.3 纠错8.4 噪声对系统性能的影响8.4.1 模式噪声8.4.2 模分配噪声8.4.3 凋嗽8.4.4 反射噪声习题参考⽂献第9章模拟系统9.1 模拟链路概述9.2 载噪⽐9.2.1 载波功率9.2.2 光检测器和前置放⼤器的噪声9.2.3 相对强度噪声(RIN)9.2.4 反射对RIN的影响9.2.5 极限条件9.3 多信道传输技术9.3.1 多信道幅度调制9.3.2 多信道频率调制9.3.3 副载波复⽤习题参考⽂献第10章 WDM概念和器件10.1 WDM的⼯作原理10.2 ⽆源器件10.2.1 2x 2光纤耦合器10.2.2 散射矩阵表⽰法10.2.3 2x 2波导辊合器10.2.4 星形精合器10.2.5 马赫—曾德尔⼲涉仪复⽤器10.2.6 光纤光栅滤波器10.2.7 基于相位阵列的WDM器件10.3 可调谐光源10.4 可调谐滤波器10.4.1 系统考虑10.4.2 可调谐滤波器的类型习题参考⽂献第11章光放⼤器11.1 光放⼤器的基本应⽤和类型11.1.1 ⼀般应⽤11.1.2 放⼤器的类型11.2 半导体光放⼤器11.2.1 外泵浦11.2.2 放⼤器增益11.3 掺饵光纤放⼤器11.3.1 放⼤机制11.3.2 EDFA的结构11.3.3 EDFA的功率转换效率及增益11.4 放⼤器噪声11.5 系统应⽤11.5.1 功率放⼤器11.5.2 在线放⼤器11.5.3 前置放⼤器11.5.4 多信道运⽤11.5.5 在线放⼤器增益控制11.6 波长变换器11.6.1 光栅波长变换器11.6.2 光波混合波长变换器习题参考⽂献第12章光⽹络12.1 基本⽹络12.1.1 ⽹络拓扑12.1.2 ⽆源线形总线的性能12.1.3 星形结构的性能12.2 SONET／SDH12.2.1 传输格式和速率12.2.2 光接⼝12.2.3 SONET／SDH环12.2.4 S0NET／SDH⽹络12.3 ⼴播选择WDM⽹络12.3.1 ⼴播选择单跳⽹12.3.2 ⼴播选择多跳⽹12.3.3 洗牌⽹多跳⽹12.4 波长路由⽹12.4.1 光交叉连接12.4.2 波长变换器的性能评估12.5 ⾮线性对⽹络性能的影响12.5.1 有效长度与⾯积12.5.2 受激拉曼散射12.5.3 受激布⾥渊散射12.5.4 ⾃相位调制和交叉相位调制12.5.5 四波混频12.5.6 ⾊散管理12.6 WDM⼗EDFA系统的性能12.6.1 链路带宽12.6.2 特定BER所需的光功率12.6.3 串扰12.7 孤⼦12.7.1 孤⼦脉冲12.7.2 孤⼦参数12.7.3 孤⼦宽度和间隔12.8 光CDMA12.9 超⾼容量⽹络12.9.1 超⼤容量WDM系统12.9.2 ⽐特间插光TDM12.9.3 时隙光TDM习题参考⽂献第13章测量13.1 测量标准和测试过程13.2 测试设备13.2.1 光功率计13.2.2 光衰减器13.2.3 可调谐激光器13.2.4 光谱分析仪13.2.5 光时域反射仪13.2.6 多功能光测试系统13.3 损耗测量13.3.1 截断法13.3.2 插⼊损耗法13.4 ⾊散的测量13.4.1 模间⾊散13.4.2 模间⾊散的时域测量13.4.3 模问⾊散的频域测量13.4.4 ⾊度⾊散13.4.5 偏振模⾊散13.5 0TDR的场地应⽤13.5.1 0TDR轨迹13.5.2 损耗测量13.5.3 光纤故障定位13.6 眼图13.7 光谱分析仪的应⽤13.7.1 光源特性13.7.2 EDFA增益与噪声系数的测试习题参考⽂献附录A 国际单位制附录B 常⽤的数学关系附录C 贝塞⽿函数附录D 分贝附录E 通信理论专题附录F ⾊散因⼦。

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。

光纤结构波导原理和制造

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&
n1 sinc = n2 sin 90° c = sin-1n2/n1; n1 > n2
注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准
单模光纤和多模光纤续
单模光纤优点：不存在模间色散;带宽大;用于长途传输缺点：芯径小;较多模光纤而言不容易进行光耦合;需要使
用半导体激光器激励
多模光纤优点：芯径大;容易注入光功率;可以使用LED作为光源缺点：存在模间色散;只能用于短距离传输
模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽
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
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

光纤光缆简介

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（6）、归一化频率
归一化频率,是单模光纤一个非常重要的结构参数, 是为了描述光纤中传输的模式数目,一般用V表示,表达式为:V=光在真空中的传播常数*光纤纤芯中最大折射率*光纤纤芯半径*根号下 2倍的光纤的相对折射率。
归一化频率越大，能够传播的模式数越多。V值较高的光纤可以支持较多的模式，称为多模光纤。当V小于某个值，除HE11模式外，所有模式被截止。只支持一个模式（基模）的光纤被称作单模光纤。
(n1) 。
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（2）、包层包层位于纤芯的周围（其直径d2 约125 微米），其成份也是含有极少量掺杂剂的高纯度二氧化硅。而掺
杂剂（如三氧化二硼）的作用则是适当降低包层的光折
射率 (n2) ，使之略低于纤芯的折射率。
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（4）、按工作波长分类
① 短波长光纤
光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在0.6～0.9 微米范围内（典型值为0.85 微米），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。长波长光纤是指1.0～1.7μm的光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信。
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（8）、单模光纤的截止波长
单模条件：

光纤结构波导原理和制造

光纤结构波导原理和制造光纤是一种用于传输光信号的细长柔软的光导纤维，其主要是由石英等材料制造而成。

光纤结构、波导原理和制造是光纤技术的核心内容，下面将详细介绍这些方面的知识。

光纤结构主要由光芯、包层和包层外壳组成。

光芯是光信号传输的核心部分，由具有高折射率的材料制成，通常是石英。

包层是包围在光芯外部的一个低折射率材料，其主要作用是限制光信号在光芯中的传播。

包层外壳则起到保护和支撑光纤的作用，通常由塑料或金属制成。

波导原理是光纤传输的核心原理之一、它基于光在介质中传播的特性，即当光从一种折射率较高的介质传播到折射率较低的介质中时，发生反射和折射现象。

光纤中的光信号是通过总反射的方式在光芯中传输的。

当光信号在光芯中传输时，光信号会一直沿着光芯的轴线传输，并且在包层和包层外壳的边界发生反射，从而保持光信号的传输。

制造光纤的过程主要包括预制光纤棒、拉拔光纤和涂覆保护。

首先，通过化学气相沉积等方法，在具有高纯度的石英材料中制造出光纤棒。

然后将光纤棒经过加热和拉伸，逐渐变细，形成光芯和包层的结构。

在此过程中，通过控制温度和拉力等参数，可以控制光纤的直径和折射率。

最后，将光纤涂覆一层保护材料，以增加光纤的强度和耐用性。

制造光纤的过程中，有几个关键的技术。

首先是精确控制光纤的折射率和直径，以保证光信号的传输质量。

其次是涂覆保护层的技术，以避免光纤在使用中受到损坏。

此外，还需要确保光纤的等长性和均匀性，以保证光信号在光纤中的一致传播。

光纤结构、波导原理和制造是光纤技术的重要内容。

了解光纤的结构和构造原理，可以帮助人们更好地理解光信号的传输过程，并提高传输效率和质量。

同时，制造光纤的技术也是光纤产业发展的关键，只有掌握了制造技术，才能生产出高质量的光纤产品，并推动光通信和其他光学应用的发展。

光纤传输原理简介

光纤传输原理简介物资技术资料光纤传输原理简介一、光纤简介光纤(Fibre)是光导纤维(Optical-fibre)的简称，具有把光封闭在其中并沿轴向进行传播的导波结构。

光纤通信就是以光纤作为物理基础而发展起来的以光波为载频、光导纤维为传输介质的一种通信方式。

二、光纤结构光纤的典型结构是由高纯度SiO(二氧化硅)石英晶体2构成的多层同轴圆柱体，自内向外分别为纤芯、包层;其外依次为环氧树脂或硅橡胶构成的涂覆层及缓冲层、套塑层。

纤芯与包层中SiO晶体纯度分别为两个固定值，导致纤2芯的折射率与包层的折射率不同;通过使纤芯折射率大于包层折射率，从而确保光信号在光纤中以全反射方式沿光纤轴向传播;涂覆层(厚度通常为5~40微米)的作用为增强光纤的机械强度;缓冲层(厚度通常为100微米)的作用为布放光纤时降低外力冲击强度;套塑层的作用是保护内层材料免受机械磨损。

下图为光纤结构及光信号传播示意图:第1页共7页物资技术资料,(注意:上述描述是针对单根光纤<或尾纤>的，该封装方式只适合在有严格路由保护措施的机房内布放使用;光传输系统的室外部份必须采用光缆。

光缆的封装方式为数根、数十根光纤纽绞或疏松地置于特制的螺旋槽聚乙烯支架(骨架)里，外缠塑料绑带及铝皮，再用复合材料护套封装而成。

一般在光缆内心处穿以钢丝，以加强光缆抗拉性。

)根据光纤横截面上折射率的分布模式，光纤分为三大类:阶跃型光纤和梯度型光纤、单模光纤。

阶跃型光纤的纤芯和包层折射率n、n分别为两个固定12的值，且n>n,因此属于骤变型光纤;光线主要在纤芯与包12第2页共7页物资技术资料层界面上反射传播(较大波长的光信号)，部分经纤芯与包层界面折射进入包层(较小波长的光信号);随着传播路径延伸，由于短波长光信号与长波长光信号的传播路由长度差距越来越加大，光波能量消耗的差距也越来越大。

梯度型光纤的纤芯横截面折射率分布呈关于纤芯原点对称的渐变减小模式，但纤芯、包层折射率仍有分界;光线绝大部分在纤芯内按近似等幅正弦波的轨迹在部以反射方式传播，从而大大降低了因光线折射进入包层导致传播路由增大而产生的光波能量损耗。