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(2) 最佳单模光纤 性能对 1550nm 波长的光波最佳。 (3) 保偏光纤 1.5.2 光纤的制造 过程：制作预制棒 →拉丝→涂覆 (1) 制作预制棒

(2) 最佳单模光纤 性能对 1550nm 波长的光波最佳。 (3) 保偏光纤 1.5.2 光纤的制造 过程：制作预制棒 →拉丝→涂覆 (1) 制作预制棒 MCVD— 改进的化学汽相沉积法 PVCD －等离子体激活化学汽相沉积法 OVD －棒外汽相沉积法 VAD －轴向汽相沉积法. 掺杂试剂. MCVD 法：在石英反应管（衬底管）内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统处于封闭的超提纯状态下。. MCVD 法制备光纤预制棒示意图. CF 2 Cl 2. 第一步：熔制光纤的内包层 玻璃 。

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(2) 最佳单模光纤 性能对 1550nm 波长的光波最佳。 (3) 保偏光纤 1.5.2 光纤的制造 过程：制作预制棒 →拉丝→涂覆 (1) 制作预制棒

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Presentation Transcript

  1. (2) 最佳单模光纤 性能对1550nm波长的光波最佳。 (3) 保偏光纤 1.5.2 光纤的制造 过程：制作预制棒→拉丝→涂覆 (1)制作预制棒 • MCVD—改进的化学汽相沉积法 • PVCD－等离子体激活化学汽相沉积法 • OVD－棒外汽相沉积法 • VAD－轴向汽相沉积法

  2. 掺杂试剂 MCVD法：在石英反应管（衬底管）内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统处于封闭的超提纯状态下。 MCVD法制备光纤预制棒示意图

  3. CF2Cl2 第一步：熔制光纤的内包层玻璃。 主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：CF2Cl2, SF6, C2F4；载运气体：O2 SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑ 2 CF2Cl2+ SiCl4+2O2 → SiF4+2Cl2 ↑+2CO2 ↑ 石英管内壁上形成SiO2－SiF4玻璃层，作为光纤内包层。

  4. 第二步：熔制芯层玻璃。 主体材料：液态SiCl4；掺杂试剂：GeCl4；载运气体：O2 SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑ GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑ SiO2 － GeO2沉积在内包层玻璃上，成为芯层玻璃。

  5. 预制棒由送料机构送入管状加热炉（石墨电阻炉）中，当预制棒尖端热到一定温度时，粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细形成纤维。纤维经由纤径测量仪监测并拉引到牵引辊绕到卷筒上。送料机构的速度必须与牵引辊收丝的速度相适应。拉丝速度一般为30～100米/秒。预制棒由送料机构送入管状加热炉（石墨电阻炉）中，当预制棒尖端热到一定温度时，粘度变低，靠自身重量逐渐下垂变细形成纤维。纤维经由纤径测量仪监测并拉引到牵引辊绕到卷筒上。送料机构的速度必须与牵引辊收丝的速度相适应。拉丝速度一般为30～100米/秒。 (2) 预制棒拉制成丝 预制棒拉丝示意图

  6. (3) 涂覆 裸露在空气中的光纤容易断裂，所以为了提高抗拉强度和抗弯强度，需要涂覆保护层。 一次涂覆：变性硅酮树酯、普通硅酮树酯 二次涂覆：套塑

  7. 1.6 光缆 1.6.1 光缆的结构与分类 叠带式 骨架式 层绞式 光缆的基本结构

  8. 地下管道式 • 陆地光缆 直埋式 架空式 高压地线式 浅海式 • 海底光缆 深海式 • 野战光缆

  9. 1.6.2 光缆的特性 1. 温度特性 光纤材料和涂覆材料的温度系数不一致产生弯曲损耗。 2. 光缆的机械特性 光缆的机械特性主要是指光缆的机械强度和寿命。

  10. 1.7 光在多模光纤中的传播 射线理论和波动理论 1.7.1 光在多模阶跃型光纤中的传播 子午光线和偏射线 传播模式：传导模、泄漏模、折射模（辐射模） 光在阶跃型光纤中的传播

  11. 包层n2   P2 P1 i  纤芯n1 d α  光纤中传导模的形成 传导模满足的条件： • 全反射 • 横向谐振条件 古斯—汉森相移 ：Φ=2ΦpΦs 其中：

  12. 横向谐振条件：光波在光纤中从某一横向位置P1点出发，在光纤中传播了一段路程又回到同一横向位置P2点，传输这段光程在横向引起的相位变化，加上在光纤纤芯与包层界面全反射时引入的位相移动（古斯—汉森相移 ），必须是2的整数倍。 光纤中传播常数：k= 2/ 轴向传播常数：＝k cos 横向传播常数：＝k sin 横向谐振条件表示为：2 d · k sin-2=2N  (N为整数) 即射线的本征方程：d· k sin-=N 

  13. 射线的本征方程也可写成用传播方程表示的形式：射线的本征方程也可写成用传播方程表示的形式： [k2- 2]1/2 ·d-=N  此式说明了模式的分立性。 低阶传导模的横向电场分布

  14. n2 θc θ3 θ2 n(r) θ1 n2 1.7.2 光在多模阶梯型光纤中的传播

  15. 抛物线型光纤—其折射率分布指数为2，即,折射率呈平方分布变化的光纤。其折射率分布为：抛物线型光纤—其折射率分布指数为2，即,折射率呈平方分布变化的光纤。其折射率分布为： n(r)=n(0)[1-(r/a)2Δ] r ≤ a n(r)= n2 r ≥ a r(z)可由射线方程求得。 因为光纤的受光角为小角度，即sinθ≈θ,在这种条件下，光的轨迹满足射线理论的基本方程： 表明射线变化与介质折射率分布的关系。《光波导技术基础理论》 叶培大， 吴彝尊

  16. n2 n(r) (z) LP空间周期 n(r)与z无关, 解微分方程 光在纤芯中的轨迹： A、B与边界条件相关

  17. 光线在光纤中完成一个周期，在轴向经过的距离称为空间周期 。光线轨迹具有聚焦的特性，焦距只与光纤长度有关。所以阶梯型光纤又称为自聚焦光纤，可用作微透镜。 <Lp/4 Lp/2

  18. 1.8 光在单模光纤中的传播 矢量法和标量法 1.8.1电磁场基本方程（无源介质中） 均匀、无源介质中的麦氏方程组

  19. 欲求光波在光纤中的传播规律，需要求出每一个量随时间和空间的变化规律。欲求光波在光纤中的传播规律，需要求出每一个量随时间和空间的变化规律。 透明介质中的最简单的波动方程 对于单色平面波， Helmholtz方程

  20. 1.8.2 光纤中Helmholtz方程的解 圆柱坐标系下的,轴向分量的标量Helmholtz方程 按径向、角向展开,并采用分离变量法求解 设解的形式

  21. 为了说明物理意义设 1）场分量EZ 、HZ沿光纤θ向分布规律 简谐振动方程 解的形式 EZ orHZ HZ orEZ 场分量EZ 、HZ沿光纤θ向(圆周方向)分布为驻波型,m为 波节或波腹的个数。不同的m值，有不同的场分布，对应于不同的模式。

  22. 2）场分量EZ、HZ沿光纤r向（径向）的分布规律 这是一个Bessel函数。 场在光纤的纤芯和包层有不同的分布，其解的形式为 第一类Bessel函数 第二类Bessel函数 第一类修正Bessel函数 第二类修正Bessel函数 根据Bessel函数的性质和实际的物理意义，其解：

  23. 设 解的形式 径向解＋角向解 利用边界条件，并设 A1=A/Jm(U), A2=A/Km(U),忽略非线性， EZ完整的解 HZ完整的解 Hz B COS 意义稍后解释

  24. 求解角向场分量 由 ， 可以得到 角向场分量

  25. 求解径向场分量（和角向分量求解过程同理）

  26. U、W的意义，与光纤参数归一化频率V的关系 事先设 故 位相因子 称为光纤中导波的横向归一化位相位常数.它反映了光纤纤芯的场结构。 又 它反映了场在包层中的分布规律,称之为光纤中导波的横向归一化衰减常数。 归一化频率

  27. + 1.8.3 导波的特征方程 用于分析模的特性，求出各模式的截止频率。 模式的概念：横电模 横磁模 混合模 TEmnTMmnEHmnHEmn Y X 阶数节点 r Z 如果光纤中Z方向只有磁场分量，没有电场分量，只有截面上有电场分量，即 Ez=0，Er≠0，Eθ≠0， TE； Hz=0， Hr≠0，Hθ≠0TM； Ez Hz EH； Hz Ez HE. > >

  28. 特征方程获得－由边界条件，即r = a 处，纤芯和包层的E、 H轴向分量相等求得 弱导光纤的导波特征方程 由方程的解计算简化、整理…… 只要将某模式的特性代入特征方程，就可以求出该模式的特征方程。 特征方程 特征方程 特征方程 TE、TM模 EH模 HE模

  29. > 1.8.4 光纤中单模传输的条件 从导波4种模式的特征方程中，求出不同模式的截止频率;比较各类模式的最低截止频,可以得到光纤单模传输的条件。 截止：指光纤中传导模的截止,此时光波已不能被约束在纤芯中传播，即出现辐射模。 导模截止时，横向归一化衰减常数W=0,记为Wc；归一化位相常数U=V, 相应记为Uc和Vc。 为了求出截止时横电磁波的归一化频率，将特征方程中的Km(W)用W→0时的近似式表示： （1）TE、TM模

  30. Vc=U c 对应模式TEmn和TMmn m n 2．40483 TE01 TM01 0 1 J0(Uc) 5．52008 TE02 TM02 0 2 Uc 8．65373 TE03 TM03 0 3 ┆ ┆ ┆ ┆ …… TE0n TM0n 0 n 得到： 从数学上分析Uc不能为0，所以只能J0(Uc)=0, 因此， 横电波TE和横磁波TH的截止频率是0阶Bessel函数的根。 TEmn和TMmn系列模式

  31. J1(Uc) J2(Uc) Vc=U c 对应模式EHmn m n 3.83171 EH11 1 1 Uc 7.01557 EH12 1 2 10.17347 EH13 1 3 ┆ ┆ ┆ ┆ …… EH1n 1 n 5.13562 EH21 2 1 8.41724 EH22 2 2 11.61984 EH23 2 3 ┆ ┆ ┆ ┆ …… EHmn m n （2）EH 模 （m不为0） EHmn系列模式

  32. V c =U c 对应模式HEm， m n V c =U c 对应模式HEmn m n 0 1 0 3.83171 2.40483 HE11 HE21 HE12 1 2 1 1 5.52008 7.01559 EH13 HE22 1 2 2 2 8.65373 ┆ ┆ HE 23 2 1 3 ┆ ┆ ┆ HE1(n+1) 2 1 ┆ n …… EH2n 2 n 3.83171 HE 31 3 1 7.01557 HE 32 3 2 10.17347 HE 33 3 3 ┆ ┆ ┆ ┆ …… EHmn m n m=1 m>1 （3）H E模 HEmn系列模式

  33. 有的不同模式可以有相同的截止频率，这种现象称为模式简并。简并模具有几乎相同的传播常数。有的不同模式可以有相同的截止频率，这种现象称为模式简并。简并模具有几乎相同的传播常数。 光纤实现单模（HE11模）传输的条件是： 0<V<2.405 电磁模式的归一化截止频率

  34. (2)标量法 线性极化模： LPmn模表征了简并模的叠加，可以简捷地处理光在光纤中的传播问题。 LP01 HE11 TE01 LP11 TM01 HE21 EH11 LP21 HE11 LP模的分类及场分布和光斑

  35. 1.9 光纤的传输特性 1.9.1 光纤的损耗特性 光纤的损耗用来表示，定义为每千米光功率损耗的分贝数。 损耗分类：吸收损耗、散射损耗、弯曲损耗

  36. 1. 吸收损耗 吸收损耗分本征吸收、杂质吸收。 (1) 本征吸收 本征吸收来自石英玻璃中电子跃迁和分子振动产生的吸收。 (2) 杂质吸收 杂质吸收是由于材料不纯造成的，主要来源于石英玻璃中的金属离子和氢氧根(OH-)。在制作过程中，必须对原材料进行严格的化学提纯。

  37. OH-吸收谱 1380nm 950nm 720nm

  38. 2. 散射损耗 散射是由于微小颗粒、材料密度的微观变化、成分的起伏、制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷、非线性效应引起的损耗。可分为制作缺陷散射、瑞利散射、受激散射。 (1)制作缺陷散射 原料中的杂质、光纤拉制过程中产生的气泡、粗细不均匀、纤芯与包层间界面不平滑等都会引起散射。

  39. (2)瑞利散射 瑞利散射是光纤制造过程中，因热起伏造成材料密度、玻璃组分密度和折射率不均匀而引起的本征散射。瑞利散射的损耗的表达式为 式中A为瑞利系数，B代表波导色散或不完善引起的损耗，与波长无关。

  40. (3) 受激散射 受激布里渊散射和受激喇曼散射是当强度足够高的激光在光纤中传输时，由于非线性效应产生散射光，造成传输光信号强度减弱。 3. 弯曲损耗 • 宏弯损耗 • 微弯损耗

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