第一章光纤的基本原理PPT讲稿.ppt

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1、第一章光纤的基本原理第1页，共103页，编辑于2022年，星期二第一章第一章 光纤的基本原理光纤的基本原理 第二章第二章 光纤系统转换器和元件连接光纤系统转换器和元件连接 第三章第三章 光纤衰减测量光纤衰减测量 第四章第四章 光纤色散测量光纤色散测量 第五章第五章 光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理 第2页，共103页，编辑于2022年，星期二第六章第六章 光纤机械量传感器光纤机械量传感器 第七章第七章 光纤热工量传感器光纤热工量传感器 第八章第八章 光纤电磁量传感器光纤电磁量传感器 第九章第九章 医用光纤传感器医用光纤传感器 第3页，共103页，编辑于2022年，星期二第一章第一章 光纤的

2、基本原理光纤的基本原理 1.2 1.2 光纤波导的原理光纤波导的原理光纤光纤(fiber)传光的纤维波导或光导纤维的简称。传光的纤维波导或光导纤维的简称。材料材料由高纯度的石英玻璃为主由高纯度的石英玻璃为主,掺少量杂质掺少量杂质锗、硼、锗、硼、磷等。磷等。形状形状细长的圆柱形，细如发丝细长的圆柱形，细如发丝(通常直径为几通常直径为几微米到几百微米微米到几百微米)。第4页，共103页，编辑于2022年，星期二n1n2n2n1n2纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层护套护套结结构构两两个个同同轴轴区区，内内区区称称为为纤纤芯芯，外外区区称称为为包包层层。通通常常，在在包包层层外外面面还还有有一一层层起支撑

3、保护作用的套层。起支撑保护作用的套层。第5页，共103页，编辑于2022年，星期二因因为为光光是是电电磁磁波波，所所以以光光在在光光纤纤中中的的传传输输可可用用麦麦克斯韦波动方程克斯韦波动方程来分析来分析断断面面尺尺寸寸比比光光波波长长大大得得多多时时，可可用用射射线线的的概概念念来处理。来处理。射射线线光光学学的的基基本本关关系系式式是是有有关关其其反反射射和和折折射射的的菲涅耳定律菲涅耳定律。第6页，共103页，编辑于2022年，星期二n光纤传光原理光纤传光原理 全反射全反射 n1 1 n2 2 入射角入射角 法线法线n1 1n2 2临界角临界角arcsin(narcsin(n2 2/n/

4、n1 1)第7页，共103页，编辑于2022年，星期二n光纤传光与数值孔径光纤传光与数值孔径n0200n2n1数值孔径：数值孔径：第8页，共103页，编辑于2022年，星期二1.3 光纤的分类光纤的分类n根据光纤能传输的模式数目，可将其分为单模光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。纤和多模光纤。第9页，共103页，编辑于2022年，星期二n2n1多模 阶跃光纤nr多模 梯度光纤n2n1单模 梯度光纤n单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤第10页，共103页，编辑于2022年，星期二第11页，共103页，编辑于2022年，星期二归一化频率归一化频率Vn归一化频率归一化频率V是

5、是个与光波频率和光纤结构参数有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。关的参量，通常用它表示光纤所传导的模式数。其定义式其定义式kk平面波在自由空间中的传播常数平面波在自由空间中的传播常数 或波数，或波数，a a是光纤纤芯半径。是光纤纤芯半径。第12页，共103页，编辑于2022年，星期二纤芯对包层的相对折射率差纤芯对包层的相对折射率差 纤芯对包层的数值孔径纤芯对包层的数值孔径 归一化频率归一化频率单模光纤：单模光纤：V2.405 V2.405 普通单模光纤：普通单模光纤：33 1010-3-3 a=24 a=24 mm多模光纤：多模光纤：a=2560a=2560

6、 m bm b 125 125 m m光纤的最基本参数光纤的最基本参数第13页，共103页，编辑于2022年，星期二若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线 第14页，共103页，编辑于2022年，星期二渐变渐变折射率折射率多模光纤多模光纤 是折射率分布指数是折射率分布指数 2 2 抛物线分布抛物线分布 =阶跃分布阶跃分布第15页，共103页，编辑于2022年，星期二图 2.8 若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线 第16页，共103页，编辑于2022年，星期二四个低阶模式的电磁场矢量结构图四个低阶模式的电磁场矢量结构图 第1

7、7页，共103页，编辑于2022年，星期二分类分类第18页，共103页，编辑于2022年，星期二第19页，共103页，编辑于2022年，星期二1.4 光纤的特性光纤的特性 一、传输特性一、传输特性n 光纤的光纤的衰减衰减(或损耗或损耗)和和色散色散(或带宽或带宽)是描是描述光纤传输特性的两个重要参量。述光纤传输特性的两个重要参量。第20页，共103页，编辑于2022年，星期二二、物理特性二、物理特性 光纤的物理特性包括机械性能、光纤的物理特性包括机械性能、热性能和电绝缘性能等热性能和电绝缘性能等 n弯曲性弯曲性 n抗拉强度抗拉强度 n硬度硬度n耐热性耐热性n热膨胀系数热膨胀系数 n电绝缘性能电

8、绝缘性能 第21页，共103页，编辑于2022年，星期二 三、化学特性三、化学特性 一般玻璃的化学性质比较稳定。一般玻璃的化学性质比较稳定。1耐水性耐水性石石英英玻玻璃璃光光纤纤的的化化学学性性能能与与玻玻璃璃基基本本相相同。同。2耐耐酸酸性性 玻璃的抗酸能力和抗碱能力都较差，玻璃的抗酸能力和抗碱能力都较差，几乎所有的玻璃在氟酸中都会溶解。几乎所有的玻璃在氟酸中都会溶解。第22页，共103页，编辑于2022年，星期二n 四、几何特性四、几何特性n 光光纤纤的的几几何何特特性性是是指指其其结结构构的的几几何何形形状状和和尺寸。尺寸。n表表征征光光纤纤几几何何特特性性的的参参数数是是纤纤芯芯直直径

9、径、包包层层直直径径、纤纤芯芯不不圆圆度度、包包层层不不圆圆度度和和纤纤芯芯与与包包层的同心度误差。层的同心度误差。第23页，共103页，编辑于2022年，星期二1.5 光纤的衰减机理光纤的衰减机理第24页，共103页，编辑于2022年，星期二 衰减的概念衰减的概念 由由于于损损耗耗的的存存在在，在在光光纤纤中中传传输输的的光光信信号号，不不管管是是模模拟拟信信号号还还是是数数字字脉脉冲冲，其其幅幅度度都都要要减减小小。光光纤纤的的损损耗耗在在很很大大程程度度上上决决定定了了系系统统的的传输距离。传输距离。在光纤内传输的光功率在光纤内传输的光功率P随距离随距离z的变化，可以用下式表示的变化，可

10、以用下式表示 式中，式中，是损耗是损耗(衰减衰减)系数。系数。第25页，共103页，编辑于2022年，星期二 设设长长度度为为L(km)的的光光纤纤，输输入入光光功功率率为为Pi，输输出出光光功功率应为率应为 Po=Piexp(-L)习惯上习惯上的单位用的单位用dB/km，损耗损耗(衰减衰减)系数系数 =第26页，共103页，编辑于2022年，星期二 1.损耗的机理损耗的机理单模光纤的损耗谱，包括吸收损耗和散射损耗两部分。单模光纤的损耗谱，包括吸收损耗和散射损耗两部分。第27页，共103页，编辑于2022年，星期二 吸吸收收损损耗耗是是由由SiO2材材料料引引起起的的固固有有吸吸收收和和由由杂

11、杂质质引引起的吸收产生的。起的吸收产生的。由由材材料料电电子子跃跃迁迁引引起起的的吸吸收收带带发发生生在在紫紫外外(UV)区区(7m)，由由于于SiO2是是非非晶晶状状材材料料，两两种种吸吸收收带带从从不不同同方向伸展到可见光区。方向伸展到可见光区。第28页，共103页，编辑于2022年，星期二固有吸收很小，固有吸收很小，在在0.81.6m波段，小于波段，小于0.1dB/km，在，在1.31.6m波波段，小于段，小于0.03dB/km。第29页，共103页，编辑于2022年，星期二光光纤纤中中的的杂杂质质主主要要有有过过渡渡金金属属(例例如如Fe2+、Co2+、Cu2+)和和氢氢氧氧根根(OH

12、-)离离子子，这这些些杂杂质质是是早早期期实实现现低损耗光纤的障碍。低损耗光纤的障碍。氢氢氧氧根根离离子子(OH-)吸吸收收峰峰在在0.95m、1.24 m和和1.39 m波波长长，其其中中以以1.39 m的吸收峰影响最为严重。的吸收峰影响最为严重。第30页，共103页，编辑于2022年，星期二 散散射射损损耗耗主主要要由由材材料料微微观观密密度度不不均均匀匀引引起起的的瑞瑞利利散散射射和和由由光光纤纤结结构构缺缺陷陷(如如气气泡泡)引引起起的的散散射射产产生生的的。结结构构缺缺陷陷散散射射产产生生的的损损耗耗与与波波长长无无关。关。第31页，共103页，编辑于2022年，星期二n瑞利散射损耗

13、瑞利散射损耗R与波长与波长四次方成反比，可用经验四次方成反比，可用经验公式表示为公式表示为 R=A/4，瑞，瑞利散射系数利散射系数A取决于纤芯与取决于纤芯与包层折射率差包层折射率差。当。当分别分别为为0.2%和和0.5%时，时，A分别分别为为0.86和和1.02。瑞利散射损。瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理决定着光纤损耗的最低理论极限。论极限。如果如果=0.2%，在，在1.55m波长，光纤最低理波长，光纤最低理论极限为论极限为0.149 dB/km。第32页，共103页，编辑于2022年，星期二 2.实用光纤的损耗谱实用光纤的损耗谱 根根据据以以上上

14、分分析析和和经经验验，光光纤纤总总损损耗耗与与波波长长的的关关系系可可以以表示为表示为=+B+CW()+IR()+UV()式中，式中，A为瑞利散射系数，为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损为结构缺陷散射产生的损耗，耗，CW()、IR()和和UV()分别为杂质吸收、红外分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗吸收和紫外吸收产生的损耗第33页，共103页，编辑于2022年，星期二光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤 从多模突变型从多模突变型(SIF)、渐变型、渐变型(GIF)光纤到单模光纤到单模(SMF)光纤，光纤，损耗依次减小。在损耗依次减小。在0.81.55 m波段内，除吸

15、收峰外，波段内，除吸收峰外，光纤光纤损耗随波长增加而迅速减小。在损耗随波长增加而迅速减小。在1.39m OH-吸收峰两侧吸收峰两侧1.31 m和和1.55 m存在两个损耗极小的波长存在两个损耗极小的波长“窗口窗口”。第34页，共103页，编辑于2022年，星期二 1.6 光纤的色散机理光纤的色散机理n1 色散的概念色散的概念n色散色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。色散一般包括模式色散、材料色散和波导色散。式色散、材料色散和波导色散。第3

16、5页，共103页，编辑于2022年，星期二 模模式式色色散散是是由由于于不不同同模模式式的的时时间间延延迟迟不不同同而而产产生生的的，它它取取决决于于光光纤纤的的折折射射率率分分布布，并并和和光光纤纤材料折射率的波长特性有关材料折射率的波长特性有关.第36页，共103页，编辑于2022年，星期二材材料料色色散散是是由由于于光光纤纤的的折折射射率率随随波波长长而而改改变变，以以及及模模式式内内部部不不同同波波长长成成分分的的光光(实实际际光光源源不不是是纯纯单单色色光光)，其其时时间间延延迟迟不不同同而而产产生生的的。这这种种色色散散取取决决于于光光纤纤材材料料折折射射率率的的波波长长特特性性和

17、和光光源源的的谱谱线线宽宽度。度。第37页，共103页，编辑于2022年，星期二波波导导色色散散是是由由于于波波导导结结构构参参数数与与波波长长有有关关而而产产生生的的，它它取取决决于于波波导导尺尺寸寸和和纤纤芯芯与与包包层层的的相相对对折折射射率率差差。第38页，共103页，编辑于2022年，星期二n 对色散有对色散有4种表示方法：种表示方法：1单位长度上的群延时差，即在单位长度上模单位长度上的群延时差，即在单位长度上模式最先到达终点和最后到达终点的时间差。式最先到达终点和最后到达终点的时间差。2.用输出与输入脉冲宽度均方根之比表示。用输出与输入脉冲宽度均方根之比表示。3用光纤的冲激响应经傅

18、氏变换得到的频率响应的用光纤的冲激响应经傅氏变换得到的频率响应的3dB带宽表示。带宽表示。4用单位长度的单位波长间隔内的平均群延时用单位长度的单位波长间隔内的平均群延时差来表示。差来表示。第39页，共103页，编辑于2022年，星期二n 若在波长若在波长下单位长度的群延时为下单位长度的群延时为()，则色散的程度可用色散系数，则色散的程度可用色散系数来来评定。其定义如下评定。其定义如下第40页，共103页，编辑于2022年，星期二1.6.2.1.6.2.色散的机理色散的机理 一、材料色散一、材料色散 材材料料色色散散是是由由光光纤纤材材料料的的折折射射率率受受波波长长的的影影响响所所造造成成的的

19、色色散散，它它的的机机理理要要用用量量子子力力学的观点来分析。学的观点来分析。第41页，共103页，编辑于2022年，星期二 假定介质材料是由简谐振子组成，且可看作是悬挂在恢复力为k的弹簧上、质量为m而电荷为e的带电微粒,当存在电场 )时，可以用微分方程来描述简谐振子的运动振荡电场使带电微粒发生受迫振动，其位移第42页，共103页，编辑于2022年，星期二n单位体积材料内极化强度单位体积材料内极化强度物质的介电常数为与折射率相应的色散关系式第43页，共103页，编辑于2022年，星期二n 若考虑许多简谐振子可能发生共振，则有若考虑许多简谐振子可能发生共振，则有把转换成波长，可得到塞尔未耶(Se

20、llmelor)公式第44页，共103页，编辑于2022年，星期二n假设光纤中光脉冲是平面光波且波导色散可以忽略，则可假设光纤中光脉冲是平面光波且波导色散可以忽略，则可利用下式表示材料色散产生的群延时利用下式表示材料色散产生的群延时其中其中是平面波的传播常数，是平面波的传播常数，是光的角频率是光的角频率。平面波平面波 =n()=n()c c第45页，共103页，编辑于2022年，星期二材料色散有两种，即正常色散和反常色散。正常色散是 的形式，反常色散是 形式第46页，共103页，编辑于2022年，星期二第47页，共103页，编辑于2022年，星期二二、波导色散波导色散是指同一模式的光，其传播常

21、数随变化而引起的色散第48页，共103页，编辑于2022年，星期二 三、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到达终端的光脉冲展宽的现象。第49页，共103页，编辑于2022年，星期二1.6.3 6.3 单模光纤与多摸光纤的色散单模光纤与多摸光纤的色散 光纤具有不同的类型，各种色散对各种光纤的影响也不同。一、单模光纤的色散一、单模光纤的色散 由于单模光纤只传输一种模式，因而它不存在模间色散，只有模内色散，即材料色散和波导色散。它们分别用色散系数c和表示。总色散=c+。通常，材料色散比波导色散大两个量级。但是，在零色散区，材料色散与波导色散值大致相当，只是两者符号

22、相反。第50页，共103页，编辑于2022年，星期二处材料色散近似为零，因而称为零材料色散波长。第51页，共103页，编辑于2022年，星期二二、多模光纤的色散二、多模光纤的色散 对于多模光纤，模间色散通常占主导地位。如果把模间色散平衡掉，则剩下的是材料色散和波导色散。此时，情况与单模传输类似，不同的是这里的波导色散是多模波导色散。在多模光纤中，波导色散与材料色散相比，常常可以忽略。第52页，共103页，编辑于2022年，星期二 材料色散是材料的折射率随频率变化引起的色散，因此材料色散引起的脉冲展宽与光源谱宽成正比。对于多模渐变型光纤，如果采用激光器(LD)作光源，其谱宽一般为1-2nm，故可

23、忽略材料色散。此时，脉冲展宽主要由模间色散决定。但是，当光源为发光二级管(LED)时，由于其谱宽大约为3050nm，故增加了材料色散的影响。这时，材料色散和模问色散相比不可忽略。材料色散与模间色散合成的总色散为第53页，共103页，编辑于2022年，星期二 1 16 64 4 光纤色散与带宽的关系光纤色散与带宽的关系 光纤色散使输入信号的各波长分量到达终端的群延时不同因此输出信号或脉冲将发生畸变或展宽。脉冲展宽将限制传输容量或决定最大中继距离。因此，光纤的色散是决定光纤传输带宽的重要参数。第54页，共103页，编辑于2022年，星期二 基带是指原始信号的固有频带。光纤的传输带宽B是根据光纤的基

24、带响应下降到二分之一(-3dB光功率)点的频率来定义的。基带响应可以用时域的脉冲响应h(t)或频域的频率响应H()来表达。多模光纤的频率响应是由脉冲响应的傅氏变换得到的。窄脉冲对应着宽频谱，宽脉冲对应着窄频谱。当给定脉冲响应的形状时，光纤的带宽与脉冲响应宽度的均方根值成反比。第55页，共103页，编辑于2022年，星期二 光纤的脉冲响应宽度与光纤的色散紧密相关。若光纤色散大，则脉冲响应展宽的程度严重：若色散小，则脉冲响应展宽较小。因而，光纤的色散与光纤的带宽亦成反比。系统设计中经常用到基带带宽，它和色散的关系可用下式近似表示第56页，共103页，编辑于2022年，星期二第57页，共103页，编

25、辑于2022年，星期二第58页，共103页，编辑于2022年，星期二第59页，共103页，编辑于2022年，星期二第60页，共103页，编辑于2022年，星期二第61页，共103页，编辑于2022年，星期二返回返回第62页，共103页，编辑于2022年，星期二麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组：(积分形式积分形式)S D dS=qo S B dS=0 L E dl =-d(S B dS)/dt L H dl =I+d(S D dS)/dt洛仑兹力洛仑兹力：F=q E+q v B辅助关系辅助关系：D=E、B=H、j=E第63页，共103页，编辑于2022年，星期二麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组：(微分形

26、式微分形式)D=e B=0 E=-B/t H=j +D/t 式中：式中：e 为为电荷密度电荷密度，D/t 称为称为位移电流密度位移电流密度。哈密尔顿算符：哈密尔顿算符：=i /x+j /y+k /z 返回第64页，共103页，编辑于2022年，星期二菲涅耳公式菲涅耳公式第65页，共103页，编辑于2022年，星期二返回反射定律：反射定律：折射定律：折射定律：第66页，共103页，编辑于2022年，星期二第67页，共103页，编辑于2022年，星期二第68页，共103页，编辑于2022年，星期二第69页，共103页，编辑于2022年，星期二第70页，共103页，编辑于2022年，星期二第71页，

27、共103页，编辑于2022年，星期二第72页，共103页，编辑于2022年，星期二第73页，共103页，编辑于2022年，星期二第74页，共103页，编辑于2022年，星期二第75页，共103页，编辑于2022年，星期二第76页，共103页，编辑于2022年，星期二第77页，共103页，编辑于2022年，星期二第78页，共103页，编辑于2022年，星期二第79页，共103页，编辑于2022年，星期二第80页，共103页，编辑于2022年，星期二第81页，共103页，编辑于2022年，星期二第82页，共103页，编辑于2022年，星期二第83页，共103页，编辑于2022年，星期二第84页，共

28、103页，编辑于2022年，星期二第85页，共103页，编辑于2022年，星期二第86页，共103页，编辑于2022年，星期二第87页，共103页，编辑于2022年，星期二第88页，共103页，编辑于2022年，星期二第89页，共103页，编辑于2022年，星期二第90页，共103页，编辑于2022年，星期二第91页，共103页，编辑于2022年，星期二第92页，共103页，编辑于2022年，星期二第93页，共103页，编辑于2022年，星期二第94页，共103页，编辑于2022年，星期二第95页，共103页，编辑于2022年，星期二第96页，共103页，编辑于2022年，星期二返回第97页，共103页，编辑于2022年，星期二第98页，共103页，编辑于2022年，星期二第99页，共103页，编辑于2022年，星期二第100页，共103页，编辑于2022年，星期二第101页，共103页，编辑于2022年，星期二第102页，共103页，编辑于2022年，星期二第103页，共103页，编辑于2022年，星期二