光纤与光通信-基础知识

第一章
- 光线理论
- 斯涅尔定律（Snell's law）
- 数值孔径(Numerical Aperture)
- 弯曲光纤孔径角θ0θ_0θ0
- 渐变光纤中的特点
第二章
- 单偏振光纤
第三章
第四章
- 变折射率光纤的特性
- 变折射率光纤棒的制造
- 耦合器
- 波分复用器
- 保偏光纤
- 红外光纤
第五章
- CCITT推荐测试方法
- 光功率计参数
- 衰减的测量
- - 剪断法—稳态注入条件
  - 插入损耗法
  - 背向散射法
- 模场直径
第六章
- 6.2.1熔锥型单模光纤光分/合路器

第一章

光线理论

当光纤芯径远大于光波长时，可近似认为 λ→0,从而将光波视为由一根根光线所构成。这时，可以采用几何光学方法分析光线的入射、折射、反射、传输(轨迹)、时延(色散) 以及光强分布等特性，这种由几何光学方法形成的分析理论称之为光线理论。

斯涅尔定律（Snell’s law）

子午光线在纤芯与包层界面之间全反射条件

数值孔径(Numerical Aperture)

决定了进入光纤中光的多少，定义出入射光的一个锥形范围。

长度为 L 的一段光纤子午光线总光路长度 S子及总反射次数 R子的一般表达式

光纤中最短与最长传输时间

在传输距离 L 内，子午光线传输所用的最短时间和最长时间的时延差为

长度为 L 的一段光纤中子午光线总光路长度为

长度为 L 的一段光纤中子午光线总反射次数为

弯曲光纤孔径角θ0θ_0θ0

渐变光纤中的特点

渐变折射率光纤具有光线传输的自聚焦效应，光线趋向在大折射率区域传输。
渐变折射率光纤具有零色散的可能，合理设计渐变折射率的分布，可实现不同模式之间的零时延。

光纤的归一化截止频率

光纤中任意一个模式的传播条件为

第二章

光脉冲展宽的程度用传播速度最慢与最快分量传输时延之差表示

光通信光源一般采用激光，而非LED光源，原因是其线宽窄，引起的波长色散小。

双折射相位差:

归一化双折射B:

单偏振光纤

单偏振光纤是一种特种光纤，只能传输特定偏振方向上的光，而其它偏振方向的光不满足导波条件或者具有很强的光学损耗。
常见的实现方法是采用椭圆纤芯，这样可以引入强的双折射和与偏振相关的截止波长，因此只能传导一个固定偏振方向的导波，而对于其它偏振态光纤则作为一个泄露波导。

第三章

第四章

变折射率光纤的特性

成像——具有成像透镜功能聚光和成像；
可变焦——变折射率光纤单透镜，其焦距f由光纤长度确定，即不同长度的变折射率光纤构成焦距f大小不同，正、负不同的单透镜；
端面平——可构成两端面均为平面的透镜便于粘接
尺寸小——光纤直径(毫米量级)小可构成微型光学器件，成为微小光学（Micro Optics）的基础之一。
色散大——材料的变折射率使其构成的透镜色差远大于普通透镜，所以变折射率光纤只宜于单色光成像。

变折射率光纤棒的制造

制造方法

离子交换法：成熟；其余方法尚无实用价值
中子辐射法：需用大量中子产生折射率变化，且折射率梯度会随时间变化；
化学气相沉积（CVD）法：不易获得大尺寸样品

离子交换法
原理：玻璃中Ca2+,Na+离子与共价结合的Si-O四面体相互作用力很小
将玻璃放入熔盐内时，其阳离子在玻璃表面与碱金属离子交换
玻璃和熔盐的离子交换为等摩尔交换；离子迁移是跳跃式进行
离子跃迁的推动力通常由浓度梯度、化学位梯度、电场、力场等提供

影响因素：温度和材料性质

优点
通过改变材料的组成和离子交换工艺来控制折射率分布→\rightarrow→低像差光纤棒
利用改变光纤长度→\rightarrow→各种焦距和成像条件的光纤棒，甚至透镜链；
微小直径(mm)和短焦距可构成微型光学系统
端面为平面(而不是球面)→\rightarrow→光纤棒和传输光纤直接粘接(非分离结构)→\rightarrow→增加抗干扰能力

应用类型
成像：内窥镜、复印机或高速摄影系统
聚焦：准直物镜

耦合器

波分复用器

由光纤棒和色散元件构成
色散元件有干涉型和衍射型两类

保偏光纤

能维持光波传输过程中的偏振态，即偏振保持光纤，也称之为保偏光纤。

高双折射光纤
低双折射光纤

光纤双折射

描述光纤两个偏振态之间的传播常数的差异：

通常以两个不同偏振态的传播有效折射率差来表示双折射率：

分为线双折射和圆双折射

拍长

偏振态完成一个周期变化的光纤长度

消光比
光在保偏光纤传输l后由一个偏振态x耦合到另一偏振态y的能量比：

红外光纤

近红外和中红外波段传输光能量和光信息,尤其是传输大功率光能量的光纤。
类型：玻璃、晶体和空芯红外光纤
红外空芯光纤: 以空气为纤芯→\rightarrow→传输更大的光功率、稳定性好、耦合效率高（端面无反射）；红外透光范围更宽

第五章

CCITT推荐测试方法

被测参数	基准测试方法	替代测试方法
衰减系数	切断法	插入损耗法背向散射法
基带响应	时域法、频域法
总色散系数	相移法、脉冲时延法
截止波长	传导功率法	模场直径与波长关系法
折射率分布	折射近场法	近场法
最大理论数值孔径	折射近场法	近场法
几何尺寸	折射近场法	近场法
模场直径		传输场法、横向偏移法

光功率计参数

Wavelength（nm）	800～1600
Calibration wavelengths（nm）	850、980、1310、1550
Photodetector materials	InGaAs
Power range（dBm）	-70～+3dBm(ST800B)-45～+25dBm(ST800C)
Sensitivity	±5%
Resolution , linearity：	0.1%；log; 0.01dBm
……

衰减的测量

三种方法

剪断法、插入损耗法和背向散射法（OTDR）

检测目的：

工艺方面：提高制造工艺
- 固有损耗（吸收 & 散射）
- 吸收谱
传输方面：系统设计与维护
- 总损耗 (固有损耗, 随机波动)

剪断法—稳态注入条件

衰减的定义

A(λ)=10lgP1(λ)P2(λ)A(\lambda)=10lg\frac{P_1(\lambda)}{P_2(\lambda)}A(λ)=10lgP2(λ)P1(λ)

α(λ)=A(λ)L=1L10lgP1(λ)P2(λ)\alpha(\lambda)=\frac{A(\lambda)}{L}=\frac{1}{L}10lg\frac{P_1(\lambda)}{P_2(\lambda)}α(λ)=LA(λ)=L110lgP2(λ)P1(λ)

稳态注入条件：测量时应保证光纤中功率分布是稳定的

插入损耗法

替代方法
- 参考输入功率 P1, 插入待测光纤后功率P2
- 计算光纤损耗
- 正确性和重复性取决于耦合条件
优点
- 非破坏性、简单、便于现场使用

背向散射法

非破坏性
单端
提供：损耗-距离信息、断点位置、接头损耗和位置等

结论

适合均匀、连续、不带接头光纤

模场直径

是单模光纤的特征参数
- 与定义有关
- 与测试方法有关
两种推荐方法
- 横向位移法
- 传输场法

第六章

无源器件：能量消耗型器件
对信号或能量进行连接、合成、分叉、转换以及有目的衰减等
有源器件：能量转换型器件
信号产生、中继、放大等

6.2.1熔锥型单模光纤光分/合路器

光纤分路器件：有3个及以上光路端口的无源器件
- 波长无关——光分路器(含星形耦合器)
- 与波长有关——波分复用器WDM
理论模型
- 弱耦合理论（渐逝场耦合理论）：磨抛型和腐蚀型
- 强耦合理论（模激励理论）：适用于熔锥型
熔锥法
- 优点：工艺较简单、制作周期短、适于微机控制的半自动化生产、成品附加损耗低、性能稳定
- 原理：器件在过耦合状态下的耦合比随波长而变

典型的熔锥型耦合近似模型

近似基础：忽略纤芯的影响
锥体颈部区域纵向-平行线形，横向切面为矩形(图)

锥体颈部区域纵向-抛物线形，横向切面为相切的圆

熔锥型耦合器的制造工艺
步骤（图6.2.3）
耦合比U随波长变化关系的曲线
注意：
严格控制拉锥长度、熔区形状、锥体光滑度
选择光纤类型、光纤安置和封装工艺
单模光纤中以匹配包层光纤的耦合效率最佳

6.2.2 磨抛型单模光纤定向耦合器

磨抛型工艺方法适用于很多器件加工
原理：利用光学冷加工除去光纤的部分包层→\rightarrow→使光纤芯能相互靠近,消逝场互相渗透
制作方法
优缺点
1. 通过光纤包层的磨抛量→\rightarrow→控制耦合率
2. 利用微调装置改变两光纤的相对位置→\rightarrow→连续改变耦合器的耦合率
3. 缺点：热稳定性和机械稳定性较差

理论分析

耦合区的光功率：

P1(z)=cos2(Cz)P_1(z)=cos^2(Cz)P1(z)=cos2(Cz)

P2(z)=sin2(Cz)P_2(z)=sin^2(Cz)P2(z)=sin2(Cz)

对于弱导光纤以及弱耦合、对称、无损波导，耦合系数C近似为

C=λ2πn1U2a2V2K0(Wha)K12(W)C=\frac{\lambda}{2\pi n_1}\frac{U^2}{a^2V^2}\frac{K_0(W\frac{h}{a})}{K_1^2(W)}C=2πn1λa2V2U2K12(W)K0(Wah)
耦合器总的能量耦合率

∫C(z)dz=C0L\int C(z)dz=C_0L∫C(z)dz=C0L

两平行光纤的等效耦合长度

L=πaRW12\frac{\pi aR}{W}^\frac{1}{2}WπaR21

1端输入为1，2端输入为0时，定向耦合器的输出

P1(z)=cos2(C0L)P_1(z)=cos^2(C_0L)P1(z)=cos2(C0L)

P2(z)=sin2(C0L)P_2(z)=sin^2(C_0L)P2(z)=sin2(C0L)
耦合器的耦合率定义

K=sin2(C0L)K=sin^2(C_0L)K=sin2(C0L)

等效耦合长度L

随R的增大而增大。当L较大时，C0的微小变化引起耦合率K的较大变化→\rightarrow→要求包层的磨抛和耦合器的调节要有很高的精度
R太小→\rightarrow→弯曲损耗增加
实际R：200～400nm；微弯损耗可忽略

纤芯间隔h

不仅决定耦合率的大小，还影响耦合器插入损耗
h应取较小值，一般 h0/a：2.0～2.5
控制磨抛量的关键：精确测定磨抛过程中磨抛面与纤芯的距离——磨抛至距光纤芯表面1mm以内

光纤环形器

控制光束传播方向的无源器件
- 由多个光隔离器单元组合而成
- 光环行器和光隔离器的差别是
  1. 光隔离器只是阻止反射光不能由原入射端口输出
  2. 光环行器使反射光（反向传输光）从另一端口输出，而不能从原入射端口输出→\rightarrow→信号光只沿规定路径传输

一种环形器的光路图

环形器的应用实例

a-反射型光放大器

b-光上下路复用器

6.2.4 波分复用器

借助不同波长的激光光源将大量光信号加载到一根光纤中的特殊技术
成倍地扩展了单根光纤的双向通信能力
包括频分复用和波分复用
- 波分复用: 光信道相隔较远，甚至处于光纤不同窗口
主要类型：熔融拉锥型、介质膜型、光栅型和平面型四种
主要特性指标：插入损耗和隔离度

6.3.1光开关

一种用于改变光传输通路的器件
类型：
- 机械型光开关：基于光的反射、折射原理构成的；
- 相位型光开关：基于光的干涉，如：M-Z干涉仪
- 衍射型光开关：基于光的衍射原理，如：光栅衍射构成的光开关）
- 偏振型光开关：光偏振原理，如液晶光开关
- 波导型光开关：基于外场效应引起波导折射率变化
要求
- 可改变光传播方向、开关速度高、易于加工和成本适当

6.3.2 光开关原理

机械式
- 利用机械运动的方式实现开关功能
- 运动部件：光纤棱镜、平面镜、光纤耦合器
- 控制运动部件：电磁器件等执行器
- 特点：插入损耗和偏振相关损耗低、消光比高、成本低。速度慢（ms）、尺寸较大
- 例：动纤式（图6.3.1）；动镜式（图6.3.2）
微机电式
- MEMS工艺
- 采用集成电路标准工艺在硅衬底上制作出的集成的微反射镜阵列
- 损耗低、串扰低、偏振损耗低和消光比高
- 开关速率高、体积小、易于大规模组阵
波导型
- 原理：基于波导的电光效应
- 光信号的输入和输出用光纤连接
- 特点
  - 开关时间短（可达纳秒量级），可靠性高
  - 不足：插入损耗和偏振相关损耗大

6.3.2光纤滤波器

机理：光纤耦合器+干涉仪的选频作用滤波
典型：Mach-Zehnder、Fabry-Perot和光栅光纤滤波器等
Mach-Zehnder滤波器
- 其中一臂用热敏膜或压电陶瓷（PZT）来调整

特点：频率间隔—fc(精确)，且所有信道的频率间隔fc 的倍数所需的光纤滤波器为2n-1（n 为光频数）
例：4个光频滤波器，需两级共3个M-Z光纤滤波器，频率间隔一般为GHz量级

光纤Fabry-Perot滤波器（FFPF）
- 利用Fabry-Perot光纤干涉仪的谐振作用
- 3种典型结构
  - 波导腔FFPF（图6.3.11(a)）：光纤两端面直接镀高反射膜，腔长（光纤长度）cm~m量级FSR小
  - 空气缝腔FFPF(图6.3.11(b): F-P腔是空气隙，腔长一般小于10mmFSR 大
  - 改进型波导腔FFPF(图6.3.11 ©):通过中间光纤波导段的长度来调整其自由谱区—100mm~cm

光纤旋转连接器

工作原理
- 通过旋转结构传递信息—由静止平台的一端向旋转平台的一端连续传送信号的器件称为旋转连接装置
结构：定子+转子
- 光纤端面直接耦合
- 双透镜耦合
- 棱镜耦合
- 液晶调制器耦合
- 多路光纤旋转连接系统

光衰减器

定义：在光路中用于减弱光强的无源器件
衰减原理：光吸收、光偏振、光泄漏
固定衰减器
- 衰减量固定不变。
- 在两光纤之间插入固定衰减片或镀膜；误差<10%
可调衰减器
- 连续可调：连续(0~15dB)+分档衰减圆盘组合而成
- 分档可调：2个分档衰减圆盘(0-10-20-30-40-50dB)
- 电可调衰减器：改变磁场

全光纤热光型可变光衰减器

工作原理
- 利用热光效应改变光波导中传输的光能量
- 结构：
  抛磨区包裹—聚合物热光材料，埋入电极
  温度变化→\rightarrow→波导有效折射率变化→\rightarrow→控制芯模的泄露
器件的测试结果
- 衰减量：35-45dB；插入损耗0.1dB，衰减范围：0-80dB

光缓存器

定义：光纤线路中将被传输的信号按需暂时延缓，再继续向前传输的光无源器件
参数
缓存时间、波长数、动态范围、读入/出性能
原理
大折射率介质→\rightarrow→获得比光纤传输更低光速：难！
光纤的延时特性(长度)或光纤环内循环：前景好

偏振控制器
利用弹光效应改变光纤的双折射→\rightarrow→控制偏振态

保偏光纤偏振器
设计思想：利用消逝场→\rightarrow→泄漏高双折射光纤两偏振分量之一(高损)；无损传输另一偏振分量（低损)→\rightarrow→获得单偏振光

光纤隔离器

工作原理：光纤材料的法拉第效应

θ=VHL\theta=VHLθ=VHL
主要问题
- 低损光纤材料的V很小（熔石英 0.0124min/cm∙Oe）
- 为获得45°角→\rightarrow→需要很长的光纤处于强磁场中
- 设H=1000Oe=79.6A/m rightarrowrightarrowrightarrow光纤长2m
- 高V材料制成单晶光纤以构成隔离器—尚无可实用者