第四章 新型光纤和光纤的基本特性.ppt

第 4 章新型光纤和光纤的基本特性 从20世纪60年代起 , 人们对导光纤维 ——光纤 , 进行了积极的探索 ,光纤的损耗从最初为 1000dB/km以上, 到1979年降到约0. 2dB/km(1. 55μm处) , 低损耗光纤的发明带来了光波技术领域的革命 ,开创了光纤通信时代的新纪元 。 光纤技术发展至今, 各种能够实现特殊功能的光纤纷纷面世 ,不仅使得光纤通信得到飞速发展 ,也使得光纤传感技术进入了实用化阶段。 4.1不同波导结构的石英光纤 纤芯包层结构和光纤材料的成分是决定光纤性能的关键因素,目前应用最多的是石英光纤 。 第2章已经粗略介绍了各种光纤,本节首先从波导结构的角度详细介绍不同种类的石英光纤,4.2节从光纤材料角度较为详地介绍不同种类的光纤。 建议在学习本节时先大概了解光纤色散、损耗、非线性等概念,另外需要在学习各节时相互参考 。 4.1.1渐变折射率多模光纤 通信工程师开始认真研究光纤光学最早是在20世 纪70年代 ,他们认识到模色散会限制大芯径阶跃 折射率光纤的容量, 单模光纤看起来似乎能提供 更大的容量, 但是许多工程师怀疑是否能将足够多的光耦合到如此细小的光纤中 , 作为折中的选择, 他们研制了折射率从纤芯到包层缓慢变化的多模光纤, 通过用纤芯 - 包层折射率渐变的方式 来代替突变边界, 可以基本消除模色散, 从而使渐 变折射率多模光纤的传输容量大大增加 。 从光学角度来讲,渐变折射率光纤利用折射 而不是全内反射传导光。光纤的折射率从光纤中心轴开始向外逐渐减小,在纤芯边界处减小到和包层的折射率相同,如图4.1所示 。 折射率的变化引起光的折射, 使光线在低折射率层中传播时向光纤轴偏转, 使其不会到达包层的外边界(折射率梯度并不能约束光纤中所有的光线, 只有在孔径角范围内的光线才能在光纤中传播, 这和阶跃折射率光纤一样, 而且折射率梯度决定了孔径角的大小 ) 。 2. 渐变折射率光纤的局限性 渐变折射率光纤存在一些严重的制约因素不能适用高性能多模传输。 不同模式间相互干扰, 产生模噪声, 穿越光纤端面的光随着微小振动而不停变化, 由此产生噪声。这样的模效应还使得光纤性能难以精确控制, 尤其多根光纤连接到一起的时候最为明显, 因为在连接处有些模式的光会转变为其他模式, 或者泄漏到包层中去。 模色散并不是使脉冲在光纤中传播时发生展宽的唯一因素, 和光波长有关的折射率的微小变化会引起其他类型的色散。 残余的色散和模噪声限制了渐变折射率光纤的性能。 4.1.2单模光纤 单模光纤具有阶跃折射率分布, 基本条件是芯径足够小,传输模式只有一个。 单模光纤避免了模色散、模噪声和多模传输附带的其他效应, 单模光纤传输信号的速度远远高于多模光纤,单模光纤是所有现实电信系统的最佳选择, 能实现高速率传输, 无中继传播距离大于几千米 。 标准单模光纤的折射率分布为阶跃型 , 高折射率纤芯和低折射率包层被突变边界分隔开。广泛使 用的单模光纤的折射率差为0.36%, 完全低于其他标准类型的1% 。 匹配包层光纤和凹陷包层光纤。 匹配包层光纤,包层是纯熔融石英, 纤芯中通过加入氧化锗( GeO2)来增加折射率 ; 凹陷包层光纤纤芯是掺杂了少量氧化锗的熔融石英, 掺杂量比匹 配包层的光纤小, 包裹纤芯的包层内部掺杂氟, 使其折射率低于纯熔融石英 , 纤芯最外部为纯熔融石英,没有掺杂氟 。 这两种光纤通常在匹配包层光纤1.31μm 和1. 55μm, 凹陷包层光纤工作波长的电 信系统中广泛使用 , 纤芯直径约为9μm。 单模光纤系统是透明、简单的传输系统,将光限制为单模,可以大大减少脉冲色散,尽管仍然有一部分 剩余色散，但主要是和信号传输波长范围有关, 色 散越小, 脉冲关断和开通的速度就越快。 另一方面,阶跃折射率单模光纤的性能并不理想 , 其最小色散值在1.31μm波长处,而最小衰减值在 1.55μm波长处。性能最好的光放大器 ,如掺铒 光纤放大器,其工作波长范围是1530～1610nm, 但阶跃折射率单模光纤在这一波段的色散非常大。由于存在这样的一些限制因素,人们不得不研制其他类型的单模光纤,通过改变结构来调整色散 。 4.1.3 色散位移单模光纤 阶跃折射率单模光纤的衰减参数已经降低 到接近理论极限, 如果没有一系列新材料的 出现,几乎不可能再有任何的性能提高 。 衰减之外的另一类问题是脉冲色散。 对单模光纤而言,其色散是材料的固有色散和波导结构引起的色散 。这两种色散的符号可以相反 , 这取决于光速随波长增大还是减小,标准阶跃折射率单模光纤的这两种色散在1. 31μm 附近恰好互相抵消 。 标准单模光纤的零色散在1. 31μm, 而玻璃光纤的最小损耗在1. 55μm 处, 且掺铒光纤放大器正好工作于这一波段。