光纤导光原理和光纤材料

信号与系统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。信号与系统光纤的优点与电缆或微波等电通信方式相比，光纤通信的优点如下：①传输频带极宽，通信容量很大；②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；③串扰小，信号传输质量高；④光纤抗电磁干扰，保密性好；⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；⑥耐化学腐蚀；⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。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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。3信号与系统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。光纤通信的发展历程4信号与系统1970年，美国的康宁玻璃公司（CorningGlassCo.）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。在短短几十年时间里，光纤的损耗已由1000dB/km下降到0.16dB/km，致使光纤通信在世界范围内形成一个充满活力的新兴产业。光纤损耗5信号与系统20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。1993年后，全球范围信息高速公路的建设。到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。光纤的出现带动了集成光学的发展。光纤通信的发展历程6信号与系统光纤技术的发展前景对光纤通信而言,超高速度、超大容量和超长距离传输一直是人们追求的目标,而全光网络也是人们不懈追求的梦想。所以我们应该努力像一下几个方面去发展：①向超高速系统的发展。②向超大容量WDM系统的演进。③开发新代的光纤④全光网络。未来的高速通信网将是全光网。全光网是光纤通信技术发展的最高阶段,也是理想阶段。目前,全光网络的发展仍处于初期阶段,但它已显示出了良好的发展前景。从发展趋势上看,形成一个真正的、以WDM技术与光交换技术为主的光网络层,建立纯粹的全光网络,消除电光瓶颈已成为未来光通信发展的必然趋势,更是未来信息网络的核心,也是通信技术发展的最高级别,更是理想级别。信号与系统8一、光纤的基本概念信号与系统91、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。光波导：约束导波光的介质平板波导矩形波导光导纤维(光纤)信号与系统平板波导覆盖层n3薄膜n1衬底n2介质平板波导结构：123nnn在横截面的一个方向限制光波传播10信号与系统矩形波导脊型波导沟道波导平面掩埋沟道波导在横截面的两个方向限制光波传播11信号与系统12光纤信号与系统光纤的种类光纤的种类有很多种，分类方法也各不相同，常见的有五种方法①按材料分为：石英光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤、液芯光纤。②按传输模式分：中心玻璃芯较粗、单模光纤。③按光纤折射率分布分：阶跃折射率光纤、渐变折射率光纤、W型光纤。④按照波长划分：目前所应用的光纤可以传输从紫外线到近红外波长，即0.3-1.6微米⑤按照用途划分：传输信息的光纤（光通信）和传输能量的光纤（导光纤维）信号与系统2、光导纤维的结构和导光原理光纤导光条件：全反射14信号与系统2-1、斯涅尔定理当光由光密介质出射至光疏介质时（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：rinnsinsin21)/arcsin(,90120nnior临界角0ii15信号与系统2-2、光纤导光jinnsinsin10rknnsinsin21rinn22221sinsin空气纤芯包层斯涅尔定律01.0n90jk16信号与系统2-2、光纤导光90rrinn22221sinsin空气纤芯包层发生全反射，光线可在光纤中传播02212arcsiniinn17信号与系统光纤的基本概念•介质光波导三要素：“芯/包”结构凸形折射率分布，n1n2低传输损耗n2n1n2n1n2n12a2arr=ar=0单模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模梯度折射率光纤剖面折射率分布18信号与系统2-2、光纤导光结论：1.光纤传光的原理是光的全反射；2.只有当光线的入射角θiθi0时，光线才能被耦合进入光纤传播；3.无论光源发射功率有多大，只有2θi0张角之内的光功率能被光纤接受传播。θi19信号与系统3、影响光纤性能的主要因素数值孔径（NA）光纤模式光纤损耗20信号与系统3-1、数值孔径（NA）结论1—物理意义：数值孔径是反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。02212sininnNA数值孔径：NA（NumericalAperture）为临界角的正弦θiarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；θiarcsinNA，光线可以进入光纤被全反射传播。21信号与系统3-1、数值孔径（NA）大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。数值孔径太大，光信号畸变也越严重。221212NAnnn121nnn结论2—影响因素：光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差；NA与光纤的直径无关。相对折射率差：22信号与系统3-2、光纤的模式电磁波的传播遵从麦克斯韦方程，而在光纤中传播的电磁场，还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式。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。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。23信号与系统按分布形式，模式可以分为以下几种类型：（1）横电波纵轴方向只有磁场分量，没有电场分量；横截面上有电场分量的电磁波。下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波纵轴方向只有电分量，没有磁场分量；横截面上有磁场分量的电磁波。下标m表示磁场沿圆周方向的变化周数，n表示磁场沿径向方向的变化周数。（3）混合波或纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。mnEHmnHEmnTMmnTE3-2、光纤的模式24信号与系统单模光纤：只有最低阶模式HE11存在，它的光纤横向光斑图多模光纤：可传输多种模式。3-2、光纤的模式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。25信号与系统3-2、光纤的模式26信号与系统可传播模式纤芯尺寸光耦合难度相对折射率差损耗单模光纤只可传输一种模式，最低价模式较小，约2~12um难小：＝(n1-n2)/n1＝0.0005~0.01小多模光纤可传输多种模式较粗，典型尺寸为50um易大：＝0.01~0.02大3-2、光纤的模式27信号与系统光纤损耗的来源：（1）光纤材料的吸收与散射损耗；（2）光纤的弯曲辐射损耗；（3）光纤的连接；（4）耦合损耗。3-3、光纤损耗28信号与系统（1）光纤材料的吸收与散射损耗；本征吸收：光纤材料对光信号的吸收。杂质吸收：杂质不是指光纤中的掺杂物，而是由于材料不纯净及工艺不完善而引入的杂质，如过渡金属离子和OH-离子。原子缺陷吸收：由于材料受到热辐射或光辐射引起的。散射损耗：在光纤材料中，由于某种远小于波长的不均匀性引起的光散射构成光纤的散射损耗。29信号与系统第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)OH离子吸收峰第三传输窗口在1.55m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（1）光纤材料的吸收与散射损耗；30信号与系统（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。5°31信号与系统横向偏移纵向偏移角向偏移（3）光纤的连接损耗32信号与系统（4）耦合损耗。光源与光纤的耦合损耗光纤与光器件的耦合损耗33信号与系统34二、光纤的材料及制造信号与系统一、光纤材料高纯度熔石英光纤传输损耗低多组分玻璃纤维纤芯－包层折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径的光纤。(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35信号与系统塑料光纤（POF）的优点简单、安全的连通测试：采用650nm的LED红光光源时，是对肉眼无害的可见光。快速安装：POF能够很容易地通过狭小的穿线管；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；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；坚固耐用：POF光缆比石英光缆更加柔软耐用，弯曲半径也小；塑料光纤信号与系统信号与系统POF技术的发展（一）、阶跃型塑料光纤早期的塑料光纤都是大数值孔径阶跃型塑料光纤。由于这种光纤色散较大，带宽只能达到5MHZ*km，不能满足高速数据通信的要求，故一直以照明、汽车车灯监控等非通信应用为主。随后通过一系列技术是它的传输性能得到大幅度的改善。信号与系统早期市场上的POF产品多为PMMA基质多模SIPOF，虽然与石英玻璃光纤相比在短距离通信应用中有低价、易处理的优势，但其窄带宽（5MHz*km）和高固有衰减(150~300dB/km),不能适应带宽逐渐增大的多媒体社会的需要。为了增加带宽，首先想到的解决方法是减小光纤的数值孔径，采用单模SIPOF方案。但POF的最主要特点是大芯径，因此不能期望将其发展成单模光纤以增加带宽，这样POF的低价格、易处理优势将失去。目前解决上述问题的较佳选择是渐变型塑料光纤（GIPOF）。GIPOF的开发为塑料光纤在宽带通信网中的应用开拓了广阔的前景。（二）、渐变型塑料光纤（GIPOF）的发展过程及现状信号与系统塑料光纤的分类特殊塑料光纤包括所有具有特殊性能的塑料光纤，比如激光染料掺杂塑料光纤、闪烁塑料光纤、电光塑料光纤等，还有具有特殊设计结构的塑料光纤，比如微结构塑料光纤和双芯塑料光纤等。塑料光纤普通塑料光纤特殊塑料光纤包括所有的阶跃型多模塑料光纤、渐变型多模塑料光纤以及单模塑料光纤。这类光纤与普通石英光纤类似，由纤芯和包层构成，不同的纤芯折射率分布构成了不同类型的光纤。信号与系统多模光纤主要用在强度型传感器的系统中，被测量的物理量直接影响输出光信号的强度。渐变折射率