第2章光纤PPT讲稿.ppt

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1、第2章光纤第1页，共69页，编辑于2022年，星期一回顾光的特性、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主要内容主要内容第2页，共69页，编辑于2022年，星期一2.1 光的基本特性光的基本特性-17世纪意大利格里马蒂格里马蒂首次观测到 光的衍射现象-1690年海牙物理学家惠更斯惠更斯提出光 的波动性学说-1801年托马斯托马斯杨杨双缝干涉实验-1817年菲涅尔菲涅尔解释并重新演 示了光的衍射(泊松亮斑)-1865年麦克斯韦麦克斯韦发表电磁场 理论并预言光是一种电磁波光的波动性光的波动性第3页，共69

2、页，编辑于2022年，星期一光两种典型的传播方式定义：相位相同的点的集合称为光的等相面或波前性质：光的传播方向垂直于波前点光源球面波前平面波前光线假设光在各向同性的均匀介质中传播第4页，共69页，编辑于2022年，星期一平面波1821年菲涅尔：光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振动方向一列沿 z 方向传播的平面波的电场可以表示为：其中：e为电场振动方向 为光的角频率 k=2p/为传播常数E(z,t)=eEcos(t-kz)Oyxzez*第5页，共69页，编辑于2022年，星期一偏振态根据电场矢量在xy平面上的运动轨迹，光可分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光Oyxze第6页，

3、共69页，编辑于2022年，星期一E(z,t)=Ex(z,t)+Ey(z,t)Ex(z,t)=exE0 xcos(t-kz)Ey(z,t)=eyE0ycos(t-kz+)这两个垂直分量之间的相位差满足=2mp,其中m=0,1,2,线偏振光qE0yE0 xE(z,t)=exE0 xcos(t-kz)+eyE0ycos(t-kz)第7页，共69页，编辑于2022年，星期一圆偏振光正交分量E0 x=E0y=E0，且二者之间的相位差=2mp p/2时，光为圆偏振光：迎着光传播的方向，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第8页，共69页，编辑于2022年，星期一椭圆偏振光(2

4、mp,m=0,1,2,)椭圆偏振光第9页，共69页，编辑于2022年，星期一光电效应(1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦解释)1.光能量的发射与吸收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一个频率为n的光子能量为E=hn h=6.63 10-34 Js为普朗克常数光的量子特性在光的照射下，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。第10页，共69页，编辑于2022年，星期一光速 c=3 108 m/s波长：=c/v当光在媒介中传播时，速度cn=c/n常见物质的折射率：空气 1.00027；水 1.33；玻璃(SiO2)

5、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2.2 基本的光学定律和定义基本的光学定律和定义第11页，共69页，编辑于2022年，星期一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：qin=qr第12页，共69页，编辑于2022年，星期一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光的折射定律(Snell定律)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第13页，共69页，编辑

6、于2022年，星期一n1 sinfc=n2 sin 90 fc=sin-1(n2/n1),n1 n2光的全反射例:n玻璃=1.50n空气=1.00c 42 全反射c光密媒质光疏媒质第14页，共69页，编辑于2022年，星期一q1 p/2-c全反射中光电场的垂直分量相移(N)和平行分量相移(p)全反射光的相移空气与玻璃界面n=n1/n2 cq1 波长)l易于直观理解l电磁场导波模式分析l应用于分析单模光纤(芯径尺寸波长)第27页，共69页，编辑于2022年，星期一n1光纤中光的传播方式有两种：a)子午光线：光始终在包含光纤中轴线的平面内传播 a-1)约束光线：约束在纤芯内部传播的光线 a-2)非

7、约束光线：将折射到纤芯外面b)斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交光纤中光的传播O0OPrn2n1QQn2P第28页，共69页，编辑于2022年，星期一光纤的数值孔径 阶跃光纤约束光线内全反射最小入射角应满足：sinfc=n2/n1最大入纤角应满足：nsinq0=n1sin(p/2-fc)=(n12 n22)1/2小于q0投射到光纤端面的光线将在芯包界面上全反射，向前传播。定义：数值孔径数值孔径 NA=nsinq0=(n12 n22)1/2=n1(2D)1/2 1其中D=(n1 n2)/n1为芯包相对折射率差NA通常在0.14到0.50之间NA大利于光耦合，但过大

8、会使带宽变窄n2n1n2纤芯包层q0nqfc第29页，共69页，编辑于2022年，星期一光纤的数值孔径 梯度光纤折射率幂指数分布：其中n1为轴心上的折射率，n2为包层折射率，a为芯径在离纤芯距离r处的数值孔径为：其中NA(0)为轴心上的数值孔径第30页，共69页，编辑于2022年，星期一光纤的数值孔径 梯度光纤第31页，共69页，编辑于2022年，星期一平板波导中的解释dn1n2n2相位条件：平面波的性质决定光线1和2在传播过程中等相面上的所有点相位必须相同实际上并非所有满足q q0 的入射光都能沿光纤传播A光线1光线2光线向上传播时的相前Cq光线向下传播时的相前q Hz)相反 EH(Ez 2

9、.405时，光纤可支持多个模式。若用M表示多模光纤的模式总数，当M比较大的时候，M与V之间存在近似关系：第44页，共69页，编辑于2022年，星期一功率分布如前所示，导波模的部分能量会进入包层：(1)光纤的V值接近某个模式的截止值时，这个模式 大部分功率进入包层；(2)若大量模式存 在，包层中的 光功率所占比 例近似为：最低阶模：包层20%；纤芯80%第45页，共69页，编辑于2022年，星期一回顾光的特性、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*单模光纤的特性以及光纤的材料和制造工艺光纤的几种成缆方式主要内容主要内容第46页，共69页，编辑于2022

10、年，星期一单模光纤中只有最低阶模式HE11存在，它的光纤横向光斑图类似于左上角的截面图：2.5 单模光纤单模光纤圆柱空心波导中的模式结论：低阶模能量集中在波导中心，而模式阶数越高横截面直径越大且能量分布越分散第47页，共69页，编辑于2022年，星期一模场直径(MFD)：光场量为e-1E0时的光场半径宽度(E0为轴心的光场量)，即光纤截面的光斑尺寸。模场直径习题2.24电场分布一般为高斯分布：第48页，共69页，编辑于2022年，星期一HE11偏振态相互正交的两个简并模双折射光纤结构不完善，导致两个简并模式具有不同的有效折射率，并以不同的相速度传播，即双折射效应：b=k(ny-nx)或者 Bf

11、=ny-nx(低双折射光纤)10-8 Bf 10-3(高双折射光纤)第49页，共69页，编辑于2022年，星期一光纤拍长当两个简并模相位差为2p整数倍时，则光的偏振态与入射点相同，此时称该点处出现“拍”，两个拍之间的间隔称为拍长：LB=2p/b。单模光纤中的特有现象：光偏振态呈周期变化实际中，由于受到应力影响，双折射系数沿轴并非常量，因此线偏振光很快变成任意偏振光。d=0d p/2d=2pLBd=0d p/2d=2p第50页，共69页，编辑于2022年，星期一2.6 光纤材料光纤材料选材的准则：1.能拉长、拉细、具有一定的柔韧性、可卷绕2.在特定波长损耗低3.能使纤芯的折射率略高于包层，满足波

12、导条件按材料分类：1.无源玻璃纤维2.有源玻璃纤维3.塑料纤维第51页，共69页，编辑于2022年，星期一无源玻璃纤维玻璃纤维的主材：SiO2-物理和化学稳定性好-对通信光波段的透明性好折射率差的引入：通过在SiO2中掺入不同杂质增加非线性效应：通过掺入硫属元素第52页，共69页，编辑于2022年，星期一有源玻璃纤维和塑料光纤有源光纤：在SiO2中掺入稀土元素(如：铒)-光纤放大器(如：掺铒光纤放大器)塑料光纤-更好的韧性、更耐用，可用于环境恶劣的场合-损耗比玻璃纤维高，一般用于短距离传输-使用范围还十分有限第53页，共69页，编辑于2022年，星期一2.7 光纤制造光纤制造两种基本方法1.直

13、接熔化法：按传统制造玻璃的工艺将处在熔融状态的石英玻璃的纯净 组分直接制造成光纤2.汽相氧化过程：-高纯度卤化物(如SiCl4和GeCl4)与氧反应生成SiO2微粒 -将微粒收集在玻璃容器的表面(四种方法)-烧结(在尚未熔化的状态将SiO2转化成玻璃体)制成预制棒 -拉丝成纤第54页，共69页，编辑于2022年，星期一直接熔化法：双坩埚法石英光纤卤化物光纤硫属光纤优点：产量大可连续制造缺点：杂质使最低损耗为5 dB/km第55页，共69页，编辑于2022年，星期一汽相氧化法：外部汽相氧化法1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤第56页，共69页，编辑于2022年，星期一汽相轴向

14、沉积法优点：1.预制棒不再有空洞2.预制棒可以任意长3.沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作 环境清洁4.没有使用氢氧焰，单 模光纤所含的OH-较 低，损耗可以控制在 0.20.4 dB/km1977年日本开发第57页，共69页，编辑于2022年，星期一改进的化学汽相沉积法1974年贝尔实验室设计，用于制造低损耗梯度光纤 玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始石英管构成第58页，共69页，编辑于2022年，星期一等离子体活性化学汽相沉积法飞利浦提出1978年应用于量产直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形可快速移动，沉积厚度减少，有利于控制折射率分布沉积效率高、

15、沉积速度快有利于消除包层沉积过程中的微观不均匀第59页，共69页，编辑于2022年，星期一光纤拉丝机第60页，共69页，编辑于2022年，星期一2.8 光纤的机械和温度特性光纤的机械和温度特性1)抗拉强度很高，接近金属的抗拉强度2)延展性(1%)比金属差(20%)3)纤内存在裂纹、气泡或杂物时容易断裂4)光纤遇水、氢容易断裂且损耗增大5)在低温下损耗随温度降低而增加需要增强机械性能、需要防水第61页，共69页，编辑于2022年，星期一回顾光的特性、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主要内容主要内容

16、第62页，共69页，编辑于2022年，星期一2.9 光缆光缆光纤成缆之后要求光缆：1.抗拉力特性 光缆能承受的最大拉力取决于加强构件的材料和 横截面积，要求大于1 km光缆的重量(100400 kg)2.抗压特性 光缆能承受的最大侧压力取决于护套的材料和结 构，多数在100 400 kg/10 cm3.改善温度特性、隔离潮气4.要求光缆材料不容易析氢第63页，共69页，编辑于2022年，星期一成缆方式：层绞式层绞式光缆的结构类似于传统的电缆结构方式，故又称为古典式光缆。第64页，共69页，编辑于2022年，星期一成缆方式：骨架式光纤置放于塑料骨架的槽中，槽的横截面可以是 V形、U 形或其它形状

17、，槽的纵向呈螺旋形或正弦形，一个空槽可放置510根一次涂覆光纤。骨架：聚乙烯材料，抗侧压性能好第65页，共69页，编辑于2022年，星期一成缆方式：束管式把松套管扩大为整个缆芯，成为一个大管腔，将光纤集中松放在内。这种结构近年来得到了较快发展。第66页，共69页，编辑于2022年，星期一成缆方式：带状式带状式结构的光缆首先将一次涂覆的光纤放入塑料带内做成光纤带，然后将几层光纤带叠放在一起构成光缆芯。第67页，共69页，编辑于2022年，星期一光缆对光纤特性的影响1.改善光纤的温度特性2.增加机械强度 光缆使其断点强度远高于光纤，增强了光缆抗压、抗冲击和抗扭曲性能3.成缆损耗 不良的成缆工艺在成缆后会带来附加损耗，如不 良应力造成微弯第68页，共69页，编辑于2022年，星期一作业作业2.5、2.9、2.11、2.22、2.24第69页，共69页，编辑于2022年，星期一