光纤的基本知识

光纤的基本知识 ; 光纤的根本知识光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传输特性由其结构和材料决定。通常，光纤是由高纯度的石英玻璃为主掺少量杂质锗(Ge)、硼(B)、磷(P)等的材料制成的细长的圆柱形，细如发丝(通常直径为几微米到几百微米)。实用的结构有两个同轴区，内区称为纤芯，外区称为包层。通常，在包层外面还有一层起撑持爱护作用的涂覆层。因为光是电磁波，所以光在光纤中的传播可用麦克斯韦波动方程来分析。断面尺寸比光波长大很多时，可用几何光学的概念来处理。 图A.1当光线从较高折射率介质向较低折射率介质传播时，在界面处的折射和反射图A.1为光在不同介质中的传播。图中介质1的折射率为n1，介质2的折射率为n2。当光束以较小的1角入射到介质界面上时，局部光进入介质2并产生折射，局部光被反射。它们之间的相对强度取决于两种介质的折射率。介质的折射率定义为光在空气中的速度与光在介质中的速度之比。由菲涅耳定律可知31sin1n2 sin2n1(A.1) (A.2)在n1n2时，逐渐增大1，进入介质2的折射光束进一步趋向界面，直到1趋于90。此时，进入介质2的光强显着减小并趋于零，而反射光强接近入射光强。当190极限值时，相应的1角定义为临界角c。由于sin90l，所以临界角carcsin(n2n1)(A.3)当1c时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质，即n1n2时，在界面上才能产生全反射。 图A.2子午光线的全反射全反射现象是光纤传输的根底。对于一根具体的光纤，如图A.2所示。为分析方便，下列主要讨论光线为子午光线的情况。通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，位于子午面内的光线那么称为子午光线。显然，子午面有无数个。根据光的反射定律：入射光线、反射光线和分界面的法线均在同一平面，光线在光纤的芯-皮分界面反射时，其分界面法线就是纤芯的半径。因此，子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内所示。这是子午光线传播的特点。由图A.2可求出子午光线在光纤内全反射所应满足的条件。图中其纤芯折射率n1大于包层折射率n2，n0为空气折射率。要使光能完全限制在光纤内传输，那么应使光线在纤芯-包层分界面上的入射角大于至少等于临界角0，即sin0n2 n1(A.4)0arcsin或n2 n1(A.5)nsin012 n1式中0900。再利用n0sinn1sin，可得2n0sinn1sinn12n2 2(A.6)(A.7)由此可见，相应于临界角0的入射角0，反映了光纤集光能力的大小，通称为孔径角。与此类似，n0sin0那么定义为光纤的数值孔径，一般用NA表示，即2NAn0sin0n12n2(A.8)光纤 接收锥图A.3光纤的数值孔径NA是表示光纤波导特性的重要参数、它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。应注意，光纤的数值孔径仅决定于光纤的折射率、而与光纤的几何尺寸无关。在光纤中传输的光线除上面讨论的子午光线外，还有斜光线。斜光线是指从光纤端面任意方向入射是不为同一平面内传播的光线。斜光线也有其全反射条件，满足条件的斜光线才能在光纤户传输，两者的重要区别是，子午光线是平面曲线(呈锯齿形)，斜光线是空间曲线(有时呈螺旋形)。光纤的分类光纤是一种光波导，因而光波在其中传播也存在模式问题。模式是指传输线横截面和纵截面的电磁场结构图形，即电磁波的分布情况。一般说来，不同的模式有不同的场结构，且每一种传轴线都有一个与其对应的基模或主模。基模是截止波长最大的模式。除基模外，截止波长较短的其它模式称为高次模。根据光纤能传输的模式数目，可将其分为单模光纤和多模光纤。单模光纤只能传输一种模式，但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现。多模光纤能传输多种模式，甚至几百到几千个模式。归一化频率V是一个与光波频率和光纤结构参数有关的参量，通常用它表示光纤所传导的模式数。其定义式如下2VkaNAkan12n2n1ka(2)1/2(A.9)式中，k是平面波在自由空间中的传播常数或波数，定义为k2，是传导光在自由空间的波长。a是光纤的半径；NA是光纤的数值孔径；n1是纤芯折射率的最大值；n2是包层折射率；为最大相对折射率差，即2n12n2n1n2 22n1n1(A.10)光纤能传导的模式数N可用下式计算NV2(n1ka)2()2(2)2(A.11)式中, 是光纤断面折射率分布指数，它决定光纤折射率沿径向分布的规律。单模光纤和多模光纤，由于它们能传输的模式数不同，故它们的传输特性有很大区别。主要区别是在衰减和色散(或带宽)上多模光纤更复杂一些。 图A.4光纤的结构根据纤芯径向的折射率分布不同，光纤又可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。通常，单模光纤多半是阶跃折射率分布，多模光纤既有阶跃的也有渐变折射率分布。图A.4(a)是典型的阶跃折射率多模光纤，其特点是纤芯的折射率固定不变。由图可见，由于不同模式在纤芯中传播的群速度不同、因而各个模式达到光纤输出端面的群延时不同，结果使传输的光脉冲展宽，这种现象称为模式色散。图A.4 (b)是渐变折射率多模光纤，其特点是纤芯折射率沿径向逐渐减小。由图可见，由于不同模式的群速度相同，故这种光纤可以显着地减小模式色散。折射率沿径向的分布一般可表示为12n112(r/a),0ran(r) 1n(12)2n,ra12(A.12)式中，r是径向坐标；是折射率分布指数，2和分别为抛物线分布和阶跃分布。如果2，这种光纤就能使点光源发射的光线周期性地聚焦。对于传输来说，这种光纤的主要优点是模式色散小。如果仅考虑轴向模(子午光线)，几乎所有模的群速度都相同。但是，如果同时考虑斜向模(斜光线)的话，只有在非常接近于2时，才能使模式色散减小到令人称心的程度。假设渐变折射率光纤的等于阶跃折射率光纤的，那么抛物线分布的渐变折射率光纤能传播的模数仅为阶跃折射率光纤的一半。显然，在多模光纤中传输的模式越少，最终其输出端的脉冲展宽也越小，即模式色散越小。由(A.12)可知，减小芯径或减小纤芯和包层间的相对折射率之差都可减小光纤的归一化频率。随着归一化频率的减小，传播的模数也逐渐变少。当Vc2.405(12)12时，最后一个高次模截止，光纤只能传播主模HE11。这种光纤称为单模光纤。一般，单模光纤均是纤芯光学尺寸极小(直径仅几微米)的阶跃光纤。因此，有时也称这种光纤为单孔型光纤，如图A.4 (c)所示。实际设计与使用的光纤，其性能也各不相同。单模光纤频带极宽，而渐变折射率光纤的信息容量较大，且处理简便。当需要从光源处收集尽可能多的光能时，那么使用租芯阶跃折射率多模光纤比拟适宜。因此，通常在短距离、低数据率通信系统中使用多模阶跃光纤；在长距离、高数据率通信系统中使用单模光纤或渐变折射率多模光纤。在光纤传感应用中，光强度调制型或传光型光纤传感器绝大多数采用多模(阶跃或渐变折射率)光纤。相位调制型和偏振态调制型光纤传感器采用单模光纤，示例，满足特殊要求的保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。光纤的特性光纤的特性主要包括传输特性(或称光学特性)、物理特性、化学特性和几何特性等。 一、传输特性光纤的衰减(或损耗)和色散(或带宽)是描述光纤传输特性的两个重要参量。衰减是描述光纤使光能在传输过程中沿着波导逐渐减小或消失的特性。在给定信号和工作条件，即给定发射机输出功率和检测器灵敏度时，光纤的衰减决定信号无失真传输通路的最大距离。光纤的损耗机理如图所示所示： 杂质离子的吸收 过渡族金属离子 OH-离子 吸收损耗 本征吸收 紫外吸收 红外吸收 损耗 折射率分布不均匀 制作缺陷散射损耗 本征散射及其它 芯-涂层界面不理想气泡、条纹、结石 瑞利散射 布里渊散射 拉曼散射 如前所述，散射损耗主要来源于光纤的制作缺陷和本征散射，其中主要是折射率起伏。光纤材料中随机分子结构可以引起折射率发生微观的部分变化，缺陷和杂质原子也可以引起折射率发生部分变化。对这两种折射率变化引起的光能损失可以和波导的结构无关地进行分析。瑞利散射是一种根本的、重要的散射，因为它是一切媒质材料散射损耗的下限。其主要特点是散射损耗与波长的四次方成反比。散射体的尺寸小于入射光波长时，瑞利散射总是存在的。瑞利散射是一种重要的本征散射，它和本征吸收一起构成了光纤材料的本征损失，它们表示在完美条件下材料损耗的下限。色散限制了光纤传输频响的上限。色散引起的脉冲展宽限制了脉冲调制或数据传输系统中给定长度光纤的最高脉冲或数据传输速度。在光纤中一般把色散分成下列几种：1. 模间色散模间色散是指多模传输时同一波长分量的各传导模的群速度不同引起达到终端的光脉冲展宽的现象。模间色散主要是对多模光纤而言的。由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散。2. 波导色散它是由光纤的几何结构决定的色散，其中光纤的横截面积尺寸起主要作用。光在光纤中通过芯与包层界面时，受全反射作用，被限制在纤芯中传播。但是，如果横向尺寸沿光纤轴发生波动，除导致模式间的模式变换外，还有可能引起一少局部高频率的光线进入包层，在包层中传输，而包层的折射率低、传播速度大，这就会引起光脉冲展宽，从而导致色散。3. 材料色散含有不同波长的光脉冲通过光纤传输时，不同波长的电磁波会导致玻璃折射率不相同，传输速度不同就会引起脉冲展宽，导致色散。 二、物理特性光纤的物理特性包括机械性能、热性能和电绝缘性能等。 (一)机械性能 1弯曲性光纤遵循虎克定律。在弹性范围内，光纤受到外力发生弯曲时，芯轴内局部受到压缩作用，芯轴外局部受到拉伸作用。外力消失后，由于弹性作用，光纤能自动恢还原状。但是，当弯曲半径小于所答应的曲率半径时，光纤将会被折断。