光导纤维传输原理及特性 2.pptx
《光导纤维传输原理及特性 2.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光导纤维传输原理及特性 2.pptx(78页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、1光导纤维传输原理及特性 2 21. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论光纤光学的研究方法光纤光学的研究方法31. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论分析方法比较分析方法比较41. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论1.3.1 1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹多模光纤中光波的传播轨迹1.3.2 1.3.2 阶跃型多模光纤中光波的传播原理阶跃型多模光纤中光波的传播原理1.3.3 1.3.3 梯度型多模光纤中光波的传播原理梯度型多模光纤中光波的传播原理 1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输51. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论1.
2、3.1 1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹多模光纤中光波的传播轨迹 根据光线在光纤中的传播轨迹,可以将多模光纤中根据光线在光纤中的传播轨迹,可以将多模光纤中传播的光线分为两类:子午光线和斜射光线。传播的光线分为两类:子午光线和斜射光线。 一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时,光纤中一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时,光纤中光线的传播分两种情形:一种情形是光线始终在一个包光线的传播分两种情形:一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播,并且一个传播周期与光含光纤中心轴线的平面内传播,并且一个传播周期与光纤轴线相交两次,这种光线称为纤轴线相交两次,这种光线称为子午射线子午射线,那个包
3、含光,那个包含光纤轴线的固定平面称为纤轴线的固定平面称为子午面子午面。61. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论1.3.1 1.3.1 多模光纤中光波的传播轨迹多模光纤中光波的传播轨迹 另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内,并且不与光纤的轴线相交,这种光线称为面内,并且不与光纤的轴线相交,这种光线称为斜射斜射线线。71. 1.3 3 光纤的光传输理论光纤的光传输理论1.3.2 1.3.2 阶跃型多模光纤中的光波传播理论阶跃型多模光纤中的光波传播理论 目前,在通信领域最常用的多模光纤有两种类型:目前,在通信领域最常用的多模光纤有两
4、种类型:阶跃型多模光纤和渐变型(梯度型)多模光纤。阶跃型多模光纤和渐变型(梯度型)多模光纤。光纤的折射率分布8子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播9 由此可知,若使子午光线在多模阶跃型光纤中以全反射形式向前传播,必须保证三点:(1)芯层折射率n1必须大于包层折射率n2,即:n1n2。(2)光线在芯/包界面上必须发生全反射,包层内折射光线的折射角大于或等于90,则对应的芯层的入射光线的入射角1必须大于或等于临界角c,即:1c。(3)对应光发射机光纤入射端面上的入射光线的入射角 (又称孔径角)必须小于或等于临界孔径角c,即: c。10 光纤端面的光线最大入射角c(又称临界孔径角或最大接收角)是一个
5、非常重要的参数,为描述光纤这种集光和传输光的能力与光线最大入射角c的关系,在这里引入一个物理量数值孔径NA。对光纤而言,这个最大的孔径角c只与光纤的折射率n1 、n2有关。因此,将它的正弦值定义为光纤的数值孔径NA:NA=sinc=n12-n221/2n1(2)12 (n1-n2)/n1,n1n211 当子午光线沿着空气中的直圆柱形纤维传播时,光路长度可用下式算出: 式中,P()是受光角为时的光路长度,L是纤维长度。由该式可知,光路长度与纤维直径无关,只取决于纤维的入射角、芯料的折射率和纤维长度。12 光在纤维内部全反射的次数,可用下式计算: 式中,是受光角,d是纤维直径13子午射线在弯曲圆柱
6、形纤维中的传播 在纤维的弯曲部位,光线有两种传播途径。一种在弯曲部位仍能很好的发生全反射,传送到另一端面;另一种在弯曲部位穿透纤维而散失。 可用一个简化公式来判断能否发生全反射: R4d R为曲率半径,d为纤维的直径。14斜射线斜射线在阶跃型多模光纤中的传播在阶跃型多模光纤中的传播斜射线在阶跃型多模光纤中的传播15子午射线在阶跃折射率多模光纤中的传播子午射线在渐变折射率多模光纤中的传播1.3.3 1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论渐变型多模光纤中的光波传播理论16 渐变型光纤的导光原理示意图1.3.3 1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论渐变型多模光纤中的光波传播理论17n(0)
7、为光纤轴线处的折射率;nc为包层折射率; 为渐变光纤的相对折射率差。1.3.3 1.3.3 渐变型多模光纤中的光波传播理论渐变型多模光纤中的光波传播理论18斜射线在渐变型多模光纤中的传播斜射线斜射线在渐变型多模光纤中的传播在渐变型多模光纤中的传播191.3.4.1 1.3.4.1 模式及其基本性质模式及其基本性质 “模模”来源于电磁场的概念,指光场的模式。从几来源于电磁场的概念,指光场的模式。从几何光学的观点比较容易理解。以某一角度射入光纤端面何光学的观点比较容易理解。以某一角度射入光纤端面,并能在光纤的纤芯,并能在光纤的纤芯包层界面上形成全反射的传播光包层界面上形成全反射的传播光线就可以称为
8、一个光的传输模式。线就可以称为一个光的传输模式。1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输20高次模基模低次模 在光纤的受光角内,以某一角度射入光纤断面,并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线,就可以称为一个光的传播模式。21 因为模的次数是离散的,所以只有那些大于临界角因为模的次数是离散的,所以只有那些大于临界角的离散数目的入射角才能产生光线的传播。这些角(的离散数目的入射角才能产生光线的传播。这些角()由下式推导得:)由下式推导得:22用波动光学方法理解模23模式及其基本性质模式及其基本性质 这束光可看作是沿光纤轴向传播的行波和垂直于该这束光可看作是沿光纤轴向传播的
9、行波和垂直于该射线的驻波的合成。波长为射线的驻波的合成。波长为 的光波在纤芯与包层界面的光波在纤芯与包层界面上的场强为零,场强的分布是周期地重复波峰与波谷。上的场强为零,场强的分布是周期地重复波峰与波谷。图中图中 x x是波峰与波峰之间的间距,根据是波峰与波峰之间的间距,根据 / / x x,得到场强,得到场强的波峰数目为的波峰数目为1 1、2 2、33,按顺序称呼这些传输的模,按顺序称呼这些传输的模式为基模、一次模、二次模等,基模以外都属于高次式为基模、一次模、二次模等,基模以外都属于高次模。模。241.3.4.2 1.3.4.2 相位一致条件相位一致条件 1.3.4 1.3.4 光纤中的模
10、式传输光纤中的模式传输光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况251.3.4.2 1.3.4.2 相位一致条件相位一致条件 1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况261.3.4.2 1.3.4.2 相位一致条件相位一致条件 1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况271.3.4.2 1.3.4.2 相位一致条件相位一致条件 1.3.4 1.3.4 光纤中的模式传输光纤中的模式传输光纤中光波相位的变化情况光纤中光波相位的变化情况28模的基本性质模的基本性质 归
11、一化频率归一化频率V:V: 给定光纤中给定光纤中, ,允许存在的导模由其结允许存在的导模由其结构参数所限定。光纤的结构参数可由其归一化频率构参数所限定。光纤的结构参数可由其归一化频率V V表表征征: V: V值越大值越大, ,允许存在的导模数就越多。允许存在的导模数就越多。 29模的基本性质模的基本性质 导模的导模的“截止截止”: : 除了基模之外除了基模之外, ,其它导模都可能其它导模都可能在某一个在某一个V V值以下不允许存在值以下不允许存在, ,这时导模转化为辐射模。这时导模转化为辐射模。某一导模截止的某一导模截止的VcVc值称为导模的值称为导模的 截止条件截止条件 。30模的基本性质模
12、的基本性质 在模式理论分析研究中,主要涉及到的模式性质还在模式理论分析研究中,主要涉及到的模式性质还有场分布、纵向传播常数、横向传播常数、相速度与群有场分布、纵向传播常数、横向传播常数、相速度与群速度、群延时与色散、偏振特性、功率流、正交性等。速度、群延时与色散、偏振特性、功率流、正交性等。参考书目:刘德明等,参考书目:刘德明等,光纤光学光纤光学 科学出版社,科学出版社,2008.2008.31n多模光纤:顾名思义,多模光纤就是允许多个模式在其中传输的光纤,或者说在多模光纤中允许存在多个分离的传导模。n优点:芯径大,容易注入光功率,可以使用LED作为光源n缺点:存在模间色散,只能用于短距离传输
13、1.3.4.3 1.3.4.3 多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤(1 1)多模光纤)多模光纤32模间色散:每个模式在光纤中传播速度不同,导致光脉冲在不同模式下的能量到达目的的时间不同,造成脉冲展宽。33 当前通信多模光纤的芯径和外径一般为当前通信多模光纤的芯径和外径一般为50m50m和和125m125m,最大相对折射率差约为,最大相对折射率差约为1%1%。假设纤芯处的折射。假设纤芯处的折射率为率为1.46.1.46.根据下面两个公式可求出光纤的数值孔径和根据下面两个公式可求出光纤的数值孔径和归一化频率。归一化频率。1.31m1.31m波长时:波长时:0.85m0.85m波长时:波长时:V=
14、38V=3834 根据波动理论,多模光纤中传导有限个分离的模。传导模的数目可以从求解波动方程得出。对于折射率为幂函数规律分布的光纤,近似公式为:对于抛物线型光纤,因=2,所以: 对于阶跃型光纤,即,所以: 从上面两个N值公式可以看出,对具有相同芯部最大折射率和芯径的阶跃型多模光纤和抛物线型多模光纤,在同一工作波长时,它们有相同的归一化频率,但在多模传输时,阶跃型多模光纤中的传导模数比抛物线型多模光纤中的导模多一倍。35n单模光纤:只能传输一种模式的光纤称为单模光纤。n优点:单模光纤只能传输基模(最低阶模),它不存在模间时延差,因此它具有比多模光纤大得多的带宽,这对于高码速长途传输是非常重要的。
15、n缺点:芯径小,较多模光纤而言不容易进行光耦合,需要使用半导体激光器激励。 n n1.3.4.3 1.3.4.3 多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤(2 2)单模光纤)单模光纤36单模光纤和多模光纤 一根光纤是不是单模传输,与 (1) 光纤自身的结构参数和 (2) 光纤中传输的光波长有关。 当光纤的几何尺寸(主要是芯径d)远大于光波波长时(约1m),光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式,即多模传输。 当光纤的几何尺寸(主要是芯径d)较小,与光波长在同一数量级,如芯径d在4m10m范围,这时,光纤只允许一种模式(基模)在其中传播,即单模传输。其余的高次模全部截止。 因此,对于给定波
16、长,单模光纤的芯径要比多模光纤小。例如,对于常用的通信波长 (1550 nm),单模光纤芯径为812 mm,而多模光纤芯径 50 mm。37 当前通信用单模光纤的外径一般为当前通信用单模光纤的外径一般为125m125m,但,但它的纤芯直径一般为它的纤芯直径一般为8 8 10m10m,比多模光纤小得多。,比多模光纤小得多。最大相对折射率差约为最大相对折射率差约为0.3%0.3% 0.4%0.4%。假设光纤的参数。假设光纤的参数为为n n1 1=1.45=1.45、=0.35%=0.35%、a=4ma=4m、 0 0=1.31m=1.31m. .根据下根据下面两个公式可求出光纤的数值孔径和归一化频
17、率。面两个公式可求出光纤的数值孔径和归一化频率。38 前面已经提到,判断一根光纤是不是单模传输,主要依据是归一化频率的大小,光纤单模工作的充分必要条件是:光纤的归一化频率要小于次低阶模的归一化截止频率Vc,即VVc。所谓光纤次低阶模的归一化截止频率是指光纤中第二个低阶模截止时的归一化频率。Vc主要与光纤的折射率分布指数有关。在此给出一个由光纤折射率分布指数计算Vc值的近似公式。对于阶跃型光纤, ,则Vc=2.405;对于抛物线型光纤,=2,则Vc=3.401,上面给出的阶跃型单模光纤算出V=2.327Vc=2.405,因此该光纤满足单模传输条件。从上式中还可以看出,光纤的折射率分布指数越小,其
18、归一化截止频率Vc越大,允许单模工作的相对折射率差值和纤芯半径a也相应增大。391. 1.4 4 光纤的特性参数光纤的特性参数1.4.1 1.4.1 光纤传输特性光纤传输特性1.4.2 1.4.2 光纤物理特性光纤物理特性1.4.3 1.4.3 光纤化学特性光纤化学特性 401. 1.4 4 .1 .1 光纤的传输特性光纤的传输特性1.4.1.1 1.4.1.1 几何尺寸特性几何尺寸特性1.4.1.2 1.4.1.2 光学特性光学特性1.4.1.3 1.4.1.3 衰减(损耗)特性衰减(损耗)特性1.4.1.4 1.4.1.4 色散特性色散特性1.4.1.5 1.4.1.5 其它特性其它特性4
19、11. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性(1 1)包层:包层是光纤横截面中玻璃的最外区域。)包层:包层是光纤横截面中玻璃的最外区域。(2 2)包层中心:包层中心是包层边界最佳拟合圆的中心。)包层中心:包层中心是包层边界最佳拟合圆的中心。(3 3)包层直径:确定包层中心的圆直径。)包层直径:确定包层中心的圆直径。(4 4)包层直径偏差:包层直径的实际值与标称值之差。)包层直径偏差:包层直径的实际值与标称值之差。(5 5)包层容差区域:对于一光纤而言,包层容差区域就是)包层容差区域:对于一光纤而言,包层容差区域就是包层外界限的外接圆与包层外界限拟合圆之间的区域。作为包层
20、外界限的外接圆与包层外界限拟合圆之间的区域。作为包层,两个圆都具有相同的中心。包层,两个圆都具有相同的中心。421. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性(6 6)包层不圆度:由包层容差区域定义的两个圆直径之差)包层不圆度:由包层容差区域定义的两个圆直径之差除以包层直径所得的值。除以包层直径所得的值。(7 7)芯中心:芯中心是在使用大于和(或)小于光纤截止)芯中心:芯中心是在使用大于和(或)小于光纤截止波长的波长下,从光纤的中心区域发射出的近场光强图形的波长的波长下,从光纤的中心区域发射出的近场光强图形的恒定光强的最佳拟合点构成的圆中心。通常芯中心大致代表恒定光强的最佳
21、拟合点构成的圆中心。通常芯中心大致代表着模场中心。着模场中心。(8 8)芯同心度误差:芯中心与包层中心之间的距离。)芯同心度误差:芯中心与包层中心之间的距离。431. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性 光纤尺寸参数的测量方法有:近场图像法、折射近场光纤尺寸参数的测量方法有:近场图像法、折射近场法、俯视法、传输近场法等。藉助这些几何尺寸参数的测量法、俯视法、传输近场法等。藉助这些几何尺寸参数的测量方法,可对光纤的玻璃几何尺寸参数进行单个几何尺寸参数方法,可对光纤的玻璃几何尺寸参数进行单个几何尺寸参数测量,也可进行多个几何尺寸参数测量。测量,也可进行多个几何尺寸参数测量
22、。441. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性近场图像法测量原理近场图像法测量原理 近场图像法用一视频系统实现近场图像法用一视频系统实现X-YX-Y两维近场扫描。近场两维近场扫描。近场图像法的测量原理是,图像法的测量原理是,光纤输出端面上的近场传导模的光功光纤输出端面上的近场传导模的光功率分布与光纤的折射率分布相似。率分布与光纤的折射率分布相似。 只要我们在光纤输出端近场直径扫描测量近场光强度分只要我们在光纤输出端近场直径扫描测量近场光强度分布,就能测定光纤沿直径方向的相对折射率分布曲线和折射布,就能测定光纤沿直径方向的相对折射率分布曲线和折射率分布指数率分布指数g
23、g。最后根据所测光纤的类型,按照光纤几何尺。最后根据所测光纤的类型,按照光纤几何尺寸定义计算出所要的光纤几何尺寸参数。寸定义计算出所要的光纤几何尺寸参数。451. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性近场图像法实验装置近场图像法实验装置461. 1.4 4 .1 .1 .1 .1 几何尺寸特性几何尺寸特性拟合纤芯中心:拟合纤芯中心: XcoXco、Yco(m)Yco(m);拟合包层半径:拟合包层半径: Rcl(m)Rcl(m);拟合包层中心:拟合包层中心: XclXcl、Ycl(m)Ycl(m);包层边界至包层中心的最小距离:包层边界至包层中心的最小距离: Rmincl
24、(m)Rmincl(m);包层边界至包层中心的最大距离:包层边界至包层中心的最大距离: Rmaxcl(m)Rmaxcl(m);包包 层层 直直 径:径: 2Rcl(m)2Rcl(m);包包 层层 不圆度:不圆度: 100(Rmaxcl-Rmincl)/Rcl(100(Rmaxcl-Rmincl)/Rcl() );芯同心度误差:芯同心度误差: (Xcl-Xco)(Xcl-Xco)2 2+(Ycl-Yco)+(Ycl-Yco)2 2 1/21/2(m)(m);471. 1.4 4 .1 .2 .1 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性(1 1)截止波长)截止波长481. 1.4 4 .1 .2 .1
25、 .2 光纤的光学特性光纤的光学特性传输功率法测量原理传输功率法测量原理 单模光纤中除了光纤固有的吸收和散射损耗外,还单模光纤中除了光纤固有的吸收和散射损耗外,还存在着其他附加损耗,如:光纤芯包界面缺陷、纵向不存在着其他附加损耗,如:光纤芯包界面缺陷、纵向不均匀性、光纤微(宏)观弯曲等。这些附加损耗在单模均匀性、光纤微(宏)观弯曲等。这些附加损耗在单模光纤截止波长处对基模的衰减影响极大。当单模光纤工光纤截止波长处对基模的衰减影响极大。当单模光纤工作波长稍低于理论截止波长时,单模光纤中激励的基模作波长稍低于理论截止波长时,单模光纤中激励的基模急剧衰减。急剧衰减。传输功率法的测量原理是在规定的试验
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光导纤维传输原理及特性 光导纤维 传输 原理 特性