光纤基础知识

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上海市教委重点课程

光纤通信基础

实验教材

王叶余昺鲲编著

2006年6月

物理系电子信息科学与技术专业

目录

绪论 2 一光纤基础知识 2 二 Newport光学组合仪简介 9 附录：一些光学和光电子仪器的使用方法 11 实验一光纤的操作，光纤数值孔径测量 25 实验二半导体光源与光纤耦合 31 实验三半导体激光器特性测量 41 实验四单模光纤模场测量 54 实验五光纤连接器 59 实验六 3dB光纤耦合器 66 实验七保偏光纤拍长测量 73实验八强度调制型光纤传感器 79 1．光纤位移传感器

2．光纤液位传感器

3．光纤应力传感器

4．光纤微弯传感器

实验九光纤Mach-Zehnder干涉仪 89 ——光纤温度传感器

绪论

一 光纤基础知识

1 光纤的构造与制备

通常认为，光纤是一根细玻璃丝、一根二氧化硅制成的圆柱体玻璃纤维、一段光频段的波导结构，它的材料组成可能是：纤芯→22SiO GeO -、包层→2SiO ，或着是：纤芯→2SiO 、包层→232SiO O B -。22SiO GeO -的意思是在二氧化硅中掺锗，实际上就是使光纤纤芯的折射率大于光纤包层的折射率令光在纤芯与包层的界面上发生全反射而能够长距离传输。

图1 光纤的结构

均匀介质的折射率沿空间各个方向保持常数，光在各个方向的行进轨迹是直线，而当折射率在某处突变或渐变时光线才从它的当初方向发生弯折或弯曲。图2显示的是裸光纤剖面（纤芯与包层的横断面）上的折射率沿径向呈不同柱对称分布时光在纤芯中走的行迹。

（a ） （b ）

图2（a ）单模阶越折射率光纤，（b ）多模梯度折射率光纤

从图2可知，单模阶越折射率光纤的纤芯半径在微米量级，光线基本上沿着中心轴线传播，它的径向折射率分布为

⎩⎨⎧>∆-=≤=a r n n a r n r n )1()(12

1 （1） 其中2

122212n n n -=∆是纤芯与包层之间的相对折射率差，对于所谓弱导光纤，12,1n n ≈<<∆。多模梯度折射率光纤的芯半径为几十微米，光线在纤芯中的传输路径一般是曲线，它的折射率分布为

⎩⎨⎧>==≤=a

r a r n n a r r n r n )()()(121 （2）

纤芯中的)(r n 常取抛物线型

⎪⎩⎪⎨⎧>∆-=<≤∆-=a r n n a r a r n r n )21(0)(21)(12

2

1 （3） 其中1n 是纤芯轴线上的折射率。不同取向的光线大致代表光纤中的不同模式，可以预见对于多模阶越折射率光纤来说，光线走的是折线。

玻璃光波导的制备现多采用汽相沉积方法，康宁公司（Corning Glass Work ）首先使用外部汽相氧化法（OVPO ）制成损耗低于20dB/km 的光纤，光纤的制作过程如图3所示，

图3 使用OVPO 方法制备预制棒及拉纤过程

汽相氧化过程是将高纯度的金属卤化物（4SiCl 和4GeCl 等）和氧气反应生成2SiO 及其它掺杂组分的微粒并沉积在玻璃饵棒上（图3a ），饵棒匀速旋转的同时来回平移使粉尘状玻璃微粒均匀沉积，然后将疏松的粉尘状预制棒烧结成玻璃预制棒（图3b ），直径约为10~25 mm ，长约60~120 cm ，最后将它拉制成光纤（图3c ）。除此之外，改进的化学汽相沉积法（MCVD ）是目前制造低损耗梯度折射率光纤的流行方法，还有与它相似的等离子体活性化化学汽相沉积法（PCVD ）等。

2 光纤模式的电磁场理论

一般有两种方法用于讨论光在光纤中的传播，建立并解光线路径方程或电磁场方程。实际上前者是后者的短波长极限，由于单模光纤的工作波长已经和其尺寸相比拟，几何光学的处理方式已不合适，而将光在光纤中的传播看作一个电磁场边值问题则能得到一个，几个或一系列严格解，并且此方法对单模和多模光纤都适用。光纤模式就是光纤波导中可能的一个电磁场形式，它必是一个满足电磁场方程及其边界条件的解或场形结构。光传播模式的主体是导

波模（亦称传导模或导模）一般可分为

1）TE 模（0=z E ）和TM 模（0=z H ），对应光线理论中子午光线（包含中心轴的平面内的折线）的行为，在发生反射时，TE 波的电场偏振方向不变，TM 波的磁场电场偏振方向不变。

2）EH 模和HE 模，对应光线理论中偏斜光线（其它方向的空间折线）的行为，每次反射都将产生轴向分量。

阶跃折射率光纤的一些较低阶的模式，对应的线偏模（弱导近似）及其归一化截止频率列表如下：

模式组显示的是从光纤电磁场方程得出的精确矢量解，每组模式中的每个模式具有相同的归一化截止频率，光纤的归一化频率V 定义为：

aNA k a n k n n a k V 010222102=∆=-= （4）

∆=21n NA （5）

它是一个将工作波长，光纤参数和波导属性联系起来的物理量，NA 是光纤的数值孔径。如果已知V ，可以由光纤特征方程（相当于边界条件）求出导波模的两个横向特征常数U ，W （决定电磁场的径向位相），再由下面的方程确定光纤导波模的纵向特征参数β（决定纵向相位）。

22

2

1

20a U n k -=β （6） 由此可得电磁场传播的相速度

∆

==

21an Vc v p ββω （7） 和群速 β

βωd dV an c d d v g ∆==21 （8）

从这个式子出发可以讨论光纤的波长色散。

3 单模光纤及其01LP 模式

图4 01LP 模的光斑图（微米尺度）

当归一化频率405.20<

184.211.02633

.022=⨯⨯=⋅⋅=

πλπNA a V 截止波长 nm V c 574405

.2==λλ 厂方实测为580nm 。工作波长是否越大于截止波长就越好呢？不是的。当波长增加时，V 数减小，这时由于场形的变化将会有更多的光功率从纤芯转移到包层而导致传输损耗增加。在弱导条件下，阶跃单模光纤01LP 模式解的形式可以写成

a r r a

U J U J A E ≤=)()(001 （9） a r r a W K W K A E >=)()(002 （10）

其中)(0 J 是第一类贝塞尔函数，)(0 K 是第二类变态贝塞尔函数，都是零阶，场形与高

斯分布非常接近。01LP 模可以分解为两个本征线偏振模式x LP 01和y LP 01，两者传播的时延差