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第二章 光纤的特性 第二周第1页，共74页，编辑于2022年，星期三1.光纤的结构和分类光纤的结构和分类光纤的光纤的分层分层结构结构:纤芯、包层、纤芯、包层、涂敷层、护套涂敷层、护套第2页，共74页，编辑于2022年，星期三各层的材料构成纤芯:SiO2以及少量少量GeO2、P2O5掺杂掺杂包层：高纯度SiO2涂敷层：环氧树脂等高分子材料护套：尼龙或其他有机材料提高纤芯的提高纤芯的折射率折射率第3页，共74页，编辑于2022年，星期三传光基本条件：传光基本条件：n1n2第4页，共74页，编辑于2022年，星期三折射率剖面折射率剖面(Refraction index profile)阶跃型阶跃型(step)渐变型渐变型(grading)n1n2abn1n2abn=n(r)第5页，共74页，编辑于2022年，星期三光纤折射率分布表达式光纤折射率分布表达式阶跃型阶跃型渐变型渐变型第6页，共74页，编辑于2022年，星期三光射线n阶跃光纤n渐变光纤n1n2n0 i z第7页，共74页，编辑于2022年，星期三光纤分类n阶跃光纤与渐变光纤按照折射率剖面分n单模光纤与多模光纤按照模式分n第8页，共74页，编辑于2022年，星期三 图 2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤 第9页，共74页，编辑于2022年，星期三2 光纤传光原理光纤传光原理分析光纤传输原理的常用方法：分析光纤传输原理的常用方法：（1）几何光学法几何光学法几何光学法几何光学法可可可可以以以以给给给给出出出出有有有有关关关关波波波波导导导导特特特特性性性性清清清清晰晰晰晰的的的的物物物物理理理理图图图图像像像像和和和和解解解解释释释释。不不不不足足足足之之之之处处处处是是是是所所所所给给给给出出出出的的的的结结结结论论论论较较较较为为为为粗粗粗粗糙糙糙糙，不不不不能能能能获获获获得得得得有有有有关关关关电电电电磁磁磁磁场场场场模模模模式式式式在在在在波波波波导导导导内内内内的的的的具具具具体体体体场场场场分分分分布布布布和和和和传传传传输特性等方面的完整细节。输特性等方面的完整细节。输特性等方面的完整细节。输特性等方面的完整细节。（2）麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法针针针针对对对对具具具具体体体体的的的的波波波波导导导导结结结结构构构构，结结结结合合合合电电电电磁磁磁磁场场场场的的的的边边边边界界界界条条条条件件件件求求求求解解解解MaxwellMaxwell方方方方程程程程组组组组，得到波导内各模式的场分布和特征方程。得到波导内各模式的场分布和特征方程。得到波导内各模式的场分布和特征方程。得到波导内各模式的场分布和特征方程。第10页，共74页，编辑于2022年，星期三2.1 光纤数值孔径的概念n研究对象：阶跃型光线中的光射线（子午光线）n研究目标：数值孔径n思路：光纤中的光射线应满足全反射条件阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)第11页，共74页，编辑于2022年，星期三2.1 光纤数值孔径的概念n已知条件已知条件：设设纤芯纤芯纤芯纤芯和和包层包层包层包层折射率分别为折射率分别为n1和和n2，空气的折射率，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z轴一致。第一束光线在光纤端面以小轴一致。第一束光线在光纤端面以小角度角度从空气入射到纤芯，从空气入射到纤芯，折射角折射角折射角折射角为为1，折射后的光线在，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯直线传播，并在纤芯纤芯纤芯纤芯与与包层包层包层包层交界面以角度交界面以角度1入射到入射到包包包包层层层层。阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)第12页，共74页，编辑于2022年，星期三2.1 光纤数值孔径的概念阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)分析 改变角度，不同相应的光线将在纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理全反射原理，存在一个临界角c。(1)当c时，相应的光线有一部分将在交界面折射进入包层包层包层包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。第13页，共74页，编辑于2022年，星期三因此，定义临界角c的正弦为数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径(Numerical Aperture)：NA=n0sinc=n1cosc ，n1sinc=n2sin90 n0=1，经简单计算得到【NANA的物理意义的物理意义的物理意义的物理意义】NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力，NA越越大大，光光纤纤接接收收光光的的能能力力越越强强，从从光光源源到光纤的到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。越高。对于无损耗光纤，在对于无损耗光纤，在c内的入射光能在光纤中传输。内的入射光能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好其中为纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差。2.1 光纤数值孔径的概念第14页，共74页，编辑于2022年，星期三2.2 光纤模式的理解【疑问】n是不是满足c的光射线都可以在光纤中稳定传输？答案是答案是否定否定的。的。能够在光纤中传导的电磁波能够在光纤中传导的电磁波模式模式不仅满足芯不仅满足芯/包界面上的包界面上的全反射全反射条件，条件，而且满足传输过程中的而且满足传输过程中的相干加强相干加强条件条件只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在！从电磁波动理论来看，从电磁波动理论来看，模式模式是光纤中电磁场是光纤中电磁场传播的一种传播的一种稳定稳定的分布形态。的分布形态。第15页，共74页，编辑于2022年，星期三2.2 光纤模式的理解【分析】n近似地，认为光纤中传播的光波是均匀平面电磁波均匀平面电磁波，光射线方向就是波矢量波矢量k方向。n通常将光纤中所传输的波矢量k在其波导传输方向(z方向)上的分量称为光波的传播常数传播常数：=kz=k0*n1*sin;其中为光射线方向与光纤横截面的夹角。k0=2/为真空中的波数真空中的波数。n根据全内反射全内反射条件，sin=n2/n1。n只有传播常数满足k k0 0*n*n2 2 kk0 0*n*n1 1的光波才能在光纤中传播。n垂直于波传播方向的由相同相位的点构成的平面称为波阵面波阵面。第16页，共74页，编辑于2022年，星期三2.2 光纤模式的理解n考虑在光纤中传播的一列光波，上图给出了两条光线(红线和蓝线)，I-I和II-II是两个波阵面。点A和点B属于波阵面I-I，点C和点D属于波阵面II-II。n属于同一波阵面的各点的振动情况应当完全同步，及其振动相位必须相同或相差2的整数倍,因此有第17页，共74页，编辑于2022年，星期三2.2 光纤模式的理解【结论】【结论】n相干加强条件说明，在满足全相干加强条件说明，在满足全反射条件情况下，只有某些以反射条件情况下，只有某些以特定角度入射的光线才能在光特定角度入射的光线才能在光纤中稳定传播。每一种可以传纤中稳定传播。每一种可以传到的电磁波称为光纤的一个到的电磁波称为光纤的一个模式模式。即。即一个模式对应一一个模式对应一种平面波的入射角度种平面波的入射角度。n在光纤中的光波应该同时在光纤中的光波应该同时满足满足全反射条件全反射条件（k0*n2 k0*n2 k0*n1 k0*n1）和相干加强条）和相干加强条件件。相干加强条件，模式特征方程相干加强条件，模式特征方程第18页，共74页，编辑于2022年，星期三2.2 光纤模式的理解【讨论】n引入概念：阶跃光纤归一阶跃光纤归一化频率化频率n模式数量：由光纤结构、折射率分布以及光波长共同决定。n模式数模式数 V2/2n什么情况下光纤中只有一种模式传输？n n阶跃型光纤阶跃型光纤阶跃型光纤阶跃型光纤单模条件：单模条件：0V25年年光纤的物理化学特性光纤的物理化学特性SiO2的软化温度在1700度左右，掺杂后的软化温度降低。石英光纤热膨胀系数：3.410-7/oC；涂覆层：5 10-7/oC因此，限制一定的工作温度范围。因此，限制一定的工作温度范围。温温度度特特性性表表第45页，共74页，编辑于2022年，星期三(2)光缆光缆(1)光纤制造光纤制造技术技术5.5.光纤制造技术和光缆光纤制造技术和光缆第46页，共74页，编辑于2022年，星期三沉积沉积拉丝拉丝原料原料预制棒预制棒光纤光纤第47页，共74页，编辑于2022年，星期三光纤制造的关键原料：原料：SiCl4,GeCl4,POCl3,BBr3,O2,He,提纯：过渡金提纯：过渡金属离子，属离子，OH-，.要求达到要求达到ppb量级量级原料提纯原料提纯光纤丝径控制，光纤丝径控制，温度控制温度控制拉制光纤制作中对各种制作中对各种参数的精确控参数的精确控制制预制棒制预制棒制备第48页，共74页，编辑于2022年，星期三光纤制造技术光纤制造技术制备光纤预制棒制备光纤预制棒 与光纤有相同物理结构和材料结构，尺寸大的实心石英棒拉丝拉丝光纤预制棒高温下，拉制成光纤原料原料：SiCl4,GeCl4,CF2Cl2,O2,Ar,H2,He,提纯提纯：过渡金属离子，OH-，.预制棒制备工艺：非气相工艺非气相工艺，气相工艺气相工艺非气相工艺非气相工艺：双坩埚法，溶胶凝胶法，管棒法，粉末机械成形法，.第49页，共74页，编辑于2022年，星期三nMCVD法法:美国美国AT&T公司公司nPCVD法法:荷兰飞利浦公司荷兰飞利浦公司nOVD法法:美国康宁公司美国康宁公司nVAD法法:日本住友、古河、腾仓等公司日本住友、古河、腾仓等公司重点介绍重点介绍第50页，共74页，编辑于2022年，星期三气相工艺：气相工艺：MCVD，PCVD，OVD，VAD，.MCVD:改良的化学气相沉积法-AT&T,USA化学反应化学反应热泳现象热泳现象处于温度场中的悬浮颗粒，受力的作用而向低温区运动，附着在石英管壁上。MCVDMCVD工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物工艺利用氧气鼓泡携带原料瓶中挥发出的氯化物（SiCl4 SiCl4、GeCl4 GeCl4）蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）蒸汽进入石英管，在高温加热（氢氧焰）下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物下氯化物和氧气反应生成高纯度氧化物SiO2SiO2或或或或GeO2GeO2第51页，共74页，编辑于2022年，星期三MCVD方法简图第52页，共74页，编辑于2022年，星期三第53页，共74页，编辑于2022年，星期三PCVD（1976年，荷兰年，荷兰Philips）使用微波在石英管内产生高温等离子代替使用微波在石英管内产生高温等离子代替MCVD法中的氢氧焰进行加热，使得原料发生反应。法中的氢氧焰进行加热，使得原料发生反应。第54页，共74页，编辑于2022年，星期三第55页，共74页，编辑于2022年，星期三OVD:Outside Vapor Deposition-Corning,USARadial Flamous Hydrolization第56页，共74页，编辑于2022年，星期三VAD:Vapor Axial Deposition-NTT,Japan第57页，共74页，编辑于2022年，星期三化学反应化学反应水解反应水解反应氧化反应氧化反应脱水反应脱水反应第58页，共74页，编辑于2022年，星期三沉积沉积拉丝拉丝原料原料预制棒预制棒光纤光纤第59页，共74页，编辑于2022年，星期三2、拉丝工艺、拉丝工艺拉丝拉丝工艺工艺流程流程拉丝拉丝控制控制系统系统收丝控收丝控制设备制设备预制棒裸光纤光纤拉丝塔结构示意图光纤拉丝塔结构示意图第60页，共74页，编辑于2022年，星期三第61页，共74页，编辑于2022年，星期三拉丝工艺简介拉丝工艺简介光纤拉丝工艺包括以下几个方面：光纤拉丝工艺包括以下几个方面：一一 拉丝拉丝将处理好的预制棒送入拉丝炉中，在高温下，将处理好的预制棒送入拉丝炉中，在高温下，将预制棒的一端熔化以形成石英玻璃丝，再以一将预制棒的一端熔化以形成石英玻璃丝，再以一定的张力及速度对其进行牵引，以保持光纤直径定的张力及速度对其进行牵引，以保持光纤直径稳定在稳定在125m范围内范围内二二 涂覆涂覆在光纤冷却后，对光纤表面涂在光纤冷却后，对光纤表面涂UV材料材料进行进行UV固化，以保护光纤表面精确控制外径在固化，以保护光纤表面精确控制外径在2455m，形成标准的商用光纤。，形成标准的商用光纤。涂覆层涂覆层有机材料有机材料第62页，共74页，编辑于2022年，星期三拉丝长度拉丝长度l 预制棒体积 Vpreform=D2L/4,D:mm,L:mm 光纤体积 Vfiber=d2l/4,d=125 umVpreform=Vfiber l=6.4 10-5D2L (km)拉丝原理拉丝原理保持芯保持芯/包层结构不变！包层结构不变！第63页，共74页，编辑于2022年，星期三光缆光缆光纤成缆工艺光缆使用技术要求技术要求保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）保护光纤免受外力作用（切断、微弯、侧应力等）便于施工、维护、接续便于施工、维护、接续要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心要有一定的余长，光纤尽量靠近光缆中心保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯保护材料的热膨胀系数与光纤尽量接近，避免应力和微弯尺寸小，重量轻尺寸小，重量轻防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬防水，防潮，抗腐蚀，防虫叮鼠咬第64页，共74页，编辑于2022年，星期三光缆结构光缆结构缆芯、加强元件、护层缆芯、加强元件、护层缆芯缆芯作用作用：妥善安置光纤的位置，使光纤在各种外力影响下 仍能保持优良的传输性能套塑方法套塑方法紧套紧套：无活动空间，易受外力影响；外径小，性能稳定松套松套：外径较大，须填充油膏来提高纵向密封性；温度性能好，易于缓冲外力，是发展方向*光缆中必须有防潮层防潮层，并填充油膏！第65页，共74页，编辑于2022年，星期三加强元件加强元件中心加强、外层加强中心加强、外层加强要求要求高杨氏模量，高弹性范围，高比强度（强度/重量），低线膨胀系数，抗腐蚀性，柔软性材料材料钢丝，钢绞线，钢管强电磁干扰区域、雷区高强度非金属材料，芳纶纤维第66页，共74页，编辑于2022年，星期三护层护层是是由护套构成的多层组合体由护套构成的多层组合体作用作用保持光缆在各种敷设条件下都能为缆芯提供足够机械强度不同敷设方式不同要求不同敷设方式不同要求管道：较强的抗拉、抗侧压、抗弯曲能力直埋：铠装抗侧压，同时考虑地面的振动与虫咬架空：环境的影响，防弹层水底：更高的抗拉、抗水压、防水能力护层结构护层结构填充层：PVC填充物，固定各单元位置内护层：缆芯外一层聚脂薄膜，扎紧缆芯，隔热，缓冲防水层：密封的铝管，防水进入，特别是水下光缆缓冲层：尼龙带轴向螺旋式绕包缆芯，保护缆芯免受径向压力铠装层：光缆外的金属护套，免受强大的侧向压力外护套：PVC，聚乙烯等挤铸在光缆外，保护光缆，第67页，共74页，编辑于2022年，星期三光缆分类光缆分类缆缆芯芯结结构构层绞式层绞式按一定节距进行绞合，光纤没有活动余地，经受侧向压力能力弱，通常用松套光纤骨架式骨架式优良的机械性能和抗冲击性能，微弯损耗小，工艺复杂带状带状空间利用率高，可快速接续，工艺要求高束管式束管式抗弯，抗压，纵向密封性好，工艺比较简单(根据缆芯结构不同根据缆芯结构不同)第68页，共74页，编辑于2022年，星期三四种光缆结构图四种光缆结构图层绞式骨架式带状束管式第69页，共74页，编辑于2022年，星期三【课堂练习课堂练习】n假设某假设某阶跃折射率阶跃折射率分布的光纤，其分布的光纤，其包层包层折射率为折射率为1.445,芯子直径芯子直径9um，要想使得该光纤对，要想使得该光纤对1250nm 波长刚好满足波长刚好满足单模条件单模条件，该光纤的，该光纤的数值孔径数值孔径为多少为多少？此时的芯子折射率为多少？此时的芯子折射率为多少？化频归一率第70页，共74页，编辑于2022年，星期三解答：在1250nm处刚好满足单模条件，即得到数值孔径第71页，共74页，编辑于2022年，星期三【课堂练习课堂练习】n已知某长度为已知某长度为13km的单模光纤的功率传输损耗为的单模光纤的功率传输损耗为0.195dB/km，激光器耦合进入光纤输入端的功率为，激光器耦合进入光纤输入端的功率为1mW，那么用功率计在光纤输出端检测出的最大，那么用功率计在光纤输出端检测出的最大光功率是多少？光功率是多少？第72页，共74页，编辑于2022年，星期三解答光纤上的传输损耗：0.195X13=2.535 (dB)根据损耗的定义：得到输出功率：第73页，共74页，编辑于2022年，星期三谢谢！第74页，共74页，编辑于2022年，星期三