第1章 光纤基础与概述
1.1 概述
光纤是光导纤维的简写,是一种由玻璃或塑料制成的纤维,可作为光传导工具。传输原理是“光的全反射”。
微细的光纤封装在塑料护套中,使得它能够弯曲而不至于断裂。
通常,光纤的一端的发射装置使用发光二极管(light emitting diode,LED)或一束激光将光脉冲传送至光纤,光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。
在日常生活中,由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多,光纤被用作长距离的信息传递
通常光纤与光缆两个名词会被混淆.多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆,包覆后的缆线即被称为光缆.光纤外层的保护结构可防止周围环境对光纤的伤害,如水,火,电击等.光缆分为:光纤,缓冲层及披覆.光纤和同轴电缆相似,只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯。
光纤分为单模((single-mode)和多模(multi-mode)两种类型。
1.2 光纤基础
光纤的基础是全内反射。
如下图所示,光线以足够浅的角度入射在高低折射材料的界面上将发生全内反射。
光纤使用折射率相差很小的两种玻璃,中心部分是纤芯,外围包裹的叫做包层。
纤芯折射率典型值是1.448,包层是1.444,两折射率相差一般小于1%,对于单模光纤甚至小于0.5%。
纤芯和包层构成柱面波导,而光在界面上发生全内反射。
1.3 阶跃折射率与渐变折射率
纤芯和包层都具有恒定的折射率,纤芯高于包层,两个折射率呈阶跃变化。
有些光纤采用渐变折射率或其它更复杂的折射率轮廓,比如围绕纤芯生成一个低折射率凹陷区。
渐变折射率光纤一般是多模光纤,而后者能实现色散管理的目的。
1.4 多模
从几何光学角度而言,多模,是指光线利用全内反射沿不同的路径在多模光纤中传播。
从波动光学角度而言,多模,就相当于光走的不同路径。有些光在这种模式中,有些光在其它模式中。
光纤模式是线偏振模式,也叫LP模式。这是因为光纤是弱波导,而且是径向对称的。这些LP模式是基于柱坐标的复电场波动方程的解。LP模式有两个指数,第一个是方位指数,第二个表示第一个指数有多少个解,这样就有LP01、LP11、LP12等模式。
第一个指数大于1的模式是分瓣的,可能从上下或左右等不同角度分瓣。那实际上是两种互相正交的模式,但这里将其看作一种模式处理,并且将正交偏振态看成同一种模式。上图展示了具有极少模式的多模光纤,而典型的多模光纤支持数千种模式。
1.5 单模
下面通过思维实验引入单模光纤的概念。假设某阶跃折射率多模光纤的纤芯只有10微米(实际一般是几十甚至几百微米)。我们从紫外开始逐渐增加耦合到纤芯中的波长。随着波长变长,相对而言纤芯就变小,因此只能容纳更少的波或者模式,而越高阶的模式越先泄漏而不能被光纤传导。
到某个波长时将只剩下LP11和LP01两种模式。随着波长继续变长,第二个模式LP11和第一个模式LP01也先后截止,此时光纤不能传导任何光。
因此,在第二模式截止和第一模式截止之间的波长范围内,光纤只能传导LP01模式,也叫做基模。
这个范围就是单模波长范围。
在下图中,短波长的蓝色区域表示极少模式的多模工作范围,绿色区域表示单模工作范围,而长波长的红色区域超过了LP01模式的截止,此时光纤不能传导任何光。
1.6 基模的性质
如果看单模光纤的截面轮廓,基模略大于纤芯,稍微进入了包层。
基模强度轮廓接近高斯形,而基模强度的1/e²直径也叫做模场直径(MFD)。
在进行光纤耦合时,模场直径可以作为有效纤芯尺寸。因为模场直径大于纤芯,虽然最高光强处于纤芯中心,但纤芯之外还有很大的强度面积,因此约有45%的光功率在包层而不是纤芯中传播。
单模光纤横截面,强度轮廓(模场直径)大于纤芯
第2章 单模与多模光纤
光纤的基本结构一般由外护套、包层、纤芯、光源组成,单模光纤和多模光纤存在以下不同点:
在给定的工作波长上传输多种模式的光纤。按其折射率的分布分为突变型和渐变型。普通多模光纤的数值孔径为0.2±0.02,芯径/外径为50μm/125μm其传输参数为带宽和损耗。由于多模光纤中传输的模式多达数百个,各个模式的传播常数和群速率不同,使光纤的带宽窄,色散大,损耗也大,只适于中短距离和小容量的光纤通信系统。
多模光纤容许不同模式的光于一根光纤上传输,由于多模光纤的芯径较大,故可使用较为廉价的耦合器及接线器,多模光纤的纤芯直径为50μm至100μm。
2.1 外护套颜色差异
在实际应用中,光纤的外护套颜色可用来快速区分单模光纤和多模光纤。根据TIA-598C标准定义,
单模光纤OS1、OS2采用黄色外护套,
多模光纤OM1、OM2采用橙色外护套,OM3、OM4采用水蓝色外护套(在非军事用途下)。
图1:单多模光纤外护套颜色
2.2 纤芯的直径差异
多模光纤和单模光纤在纤芯直径上有明显差异,
多模光纤的纤芯直径通常是50或62.5µm,
单模光纤的纤芯直径是9µm。
鉴于这种区别,单模光纤在较窄的芯径上
传输波长为1310nm或1550nm的光信号,但纤芯小带来的好处是,光信号在单模光纤中沿着直线传播,不会发生折射,色散较小,带宽高;
多模光纤纤芯宽,它可以在给定的工作波长上传输多种模式,但同时由于多模光纤中传输的模式多达数百个,各个模式的传播常数和群速率不同,使光纤的带宽窄,色散大,损耗也大。
图2:单多模光纤纤芯直径图
备注:大多数光纤的标准包层直径是125um,标准外保护层直径是245um,不区分单多模。
2.2 光源的差异
光源通常有激光光源和LED光源两种。
单模光纤采用激光光源,激光为单频率(单波长)的光。
多模光纤采用LED光源,LED光源是散射光,包含多种频率的光。
图3:单多模光纤光源图
2.3 单模光纤和多模光纤传输距离对比
众所周知,
单模光纤适用于长距离传输,
多模光纤适用于短距离传输,
下表展示了不同种类的单多模光纤具体的传输距离。
图4:单多模光纤传输距离对比
从图表中可以看出,在1G和10G速率下,单模光纤的传输距离比多模光纤的传输距离远的多,那么数据中心为什么不全部采用单模光纤呢?这是由于数据中心的建设以短距离传输为主,在短距离传输环境下,多模光纤与单模光纤的性能一致,但成本更低;
同时,OM3、OM4多模光纤能支持更高的速率,在目前高速率网络时代,多模光纤的需求量也不容小觑。
2.4 单模光纤和多模光纤的成本对比
上面提到了多模光纤的成本比单模光纤低,这主要是由于设备硬件成本产生的,比如光源的成本差异,材质的成本差异。
同样采用多模光纤系统和单模光纤系统的成本差异也类似,多模光纤系统搭建成本比单模系统低。
以飞速(FS)的解决方案为例,一套多模传输系统的成本(多模光模块和跳线)在3300元至5300元不等,而一套单模传输系统(单模光模块和跳线)的成本通常会超过6700元,价格差在1000元以上。
2.5 单模光纤和多模光纤常见问答
1、单模光纤和多模光纤可以混合使用吗?
一般情况下不可以,单模光纤与多模光纤的传输模式不一样,如果将两根光纤混合或直接连接在一起,会造成链路损耗,产生线路抖动。不过通过单多模转换跳线,可以将单模和多模链路连接起来。
2、可以在单模光纤上使用多模光模块吗?在多模光纤上使用单模光模块呢?
单模光纤上不能使用多模光模块,会产生较大的损耗;
在多模光纤上可以使用单模光模块,但是要采用光纤适配器转换光纤类型,例如,通过使用光纤适配器,1000BASE-LX单模光模块可以在多模光纤上运行。
光纤适配器也可用于解决单模光模块和多模光模块之间的连接问题。
3、单模光纤与多模光纤应该如何选择?
在单模光纤和多模光纤的选择上,应根据实际传输距离和成本进行考虑。
若传输距离为300-400米,可采用多模光纤,
若传输距离达到达到数千米,则单模光纤是最佳选择。
2.6 光斑
下面两图分别是单模和多模光纤在远场的输出光斑。
漂亮的单模光斑
凌乱的多模光斑
单模光斑接近高斯形,而多模光斑则看起来更凌乱。
假设把相干激光耦合到多模光纤中,所有模式在较大的纤芯中发生相长或相消干涉,由此形成散斑。
但单模光纤的输出没有散斑效应,而是几乎完美的高斯形,并且和耦合条件无关。
单模光纤还能用于模式滤波,将混模光束耦合到单模光纤中,光纤将输出漂亮的高斯光束。
2.7 完全对光纤的影响不同
单模光纤具有弯曲不灵敏性,即受弯曲影响很小。
多模光纤受到弯曲时,不同模式间的光功率分布将会改变,而光功率一般往高阶模式转移。
高阶模式具有高损耗,因此多模光纤弯曲时会增加损耗。
在单模光纤中,基模的传播相对而言不受弯曲影响,而且输出图案不会因弯曲而改变。
2.8 应用
单模光纤和多模光纤各有优势,单模光纤系统主要应用在城域网、PON中,多模光纤系统主要应用在企业、数据中心中,选择适合您的光纤系统至关重要。
在多模光纤中,芯的直径是15μm~50μm, 大致与人的头发的粗细相当。
单模光纤芯的直径为8μm~10μm。芯外面包围着一层折射率比芯低的玻璃封套, 以使光线保持在芯内。再外面的是一层薄的塑料外套,用来保护封套。光纤通常被扎成束,外面有外壳保护。 纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体,它质地脆,易断裂,因此需要外加一保护层。
基模的下一个性质和光纤通信有关。单模光纤广泛用于全球通信中,这是因为它们没有模间色散。对于单模光纤,光只能在一个模式中传播,只能沿一条路径传输。多模光纤则有不同的模式和不同的有效路径长度,传输信号脉冲时会引起时间展宽,使探测器无法区分。相对而言,单模光纤没有以上问题,所以能实现最高的数据传输速度。
模间色散:单模vs多模
单模光纤的衰减一般远低于多模光纤。基本原因之一是光只能以LP01基模传导,功率无法转移到高损耗的高阶模式中,另外由于生产和设计的不断优化,单模光纤不断创造超低衰减的世界记录。
2.9 光模块单模和多模的区别
单模(SM)光模块使用局限性小,适用于远距离数据传输,多模(MM)光模块可以传输多种模式的光,适用于近距离传输。光模块中的单模与多模,实际上是指与光模块连接的光纤种类。
(1)使用单模光模块时要保证实际接收的光功率要小于过载光功率,所以结合光功率测收发光功率,然后选择性的配合光衰减器使用。
(2)使用单模光模块时,接收功率要有余量。
(3)多模光模块只能发送一种波长的信号,不能与复用器配合使用
(4)多模光模块只限于在多模光纤上运行
第3章 单模光纤进一步分析
3.1 光纤的光谱
3.2 单模光纤衰减的测量方法
为了研究单模光纤的模式性质,我们在光纤中间以某个半径绕一个圈,对比笔直光纤和弯曲光纤的功率得到衰减曲线。
测量示意图和计算公式如下所示,我们以宽带光源耦合,并通过光谱分析仪(OSA)测量宽波长范围内的功率分布。
弯曲诱导衰减测量示意图和计算公式
以典型的SMF-28 Ultra光纤为例,实际测量的弯曲诱导衰减曲线如下所示。曲线上有几个峰出现在某些波长上。我们根据单模光纤的基本含义来解释这些峰的成因。
光纤弯曲时,如果有两种模式,有些功率向高阶模式转移,而高阶模式有更高的弯曲损耗。如果接近某个模式不能被光纤传导的波长,这个模式就会有很高的弯曲诱导衰减。
三个越来越高的截止峰
首先看800 nm附近的这个峰,此时光纤中有几个传播模式。波长从800 nm附近增加时,弯曲诱导衰减上升,这是因为某个模式即将无法传导,所以弯曲诱导损耗非常高。波长继续增加时,那个模式从光纤中消失了,即光纤不再传导那个模式,因此衰减回到基线水平。
某个模式经历高衰减然后消失对应的波长叫做这个模式的截止波长。曲线的三个峰对应三种被截止的模式。随着波长变长,总模式数量变少,因此每个模式的功率占比变高,由此导致峰越来越高。
上述曲线最右边也是值得注意的地方,此处衰减好像几乎变为零了,这样我们就要引入截止波长的概念。如下图所示,截止波长是第二个模式开始无法被光纤传导时对应的波长,光纤由此进入单模工作波长范围,只能传导LP01模式,而且对弯曲不灵敏。
LP11截止波长分割多模和单模范围
让我们继续增加波长,看看会发生什么。对于下图的弯曲诱导衰减曲线,在单模波长范围,光纤基本没有弯曲诱导衰减,但右边又有一个峰开始升起。到达这么长的波长后,LP01基模的传导也变得更微弱了,开始出现高弯曲损耗。这实际上是峰的左侧,但因为往右光纤不能导光,所以我们无法测到另一边。这里也是LP01基模截止波长峰的起始,叫做弯曲边缘。
依次经过多模和单模波长范围后到达弯曲边缘
前面的弯曲诱导衰减测量采用25 mm半径的环,下面对比不同环半径下的衰减曲线,加入了20 、15、10和5 mm半径时的测量数据。环半径越小,第二模式越早变高损耗,也就是发生在更短的波长。但截至波长保持恒定(红色虚线),不管环的尺寸多大。另外,弯曲半径越小,单模范围越窄。因此,如果光纤不弯曲,光纤能进一步朝红外区使用。
弯曲半径对不影响截止波长,但半径越小,截止峰和弯曲边缘都向越短波长偏移
最后介绍光谱衰减。我们要将光耦合到用线轴绕的几千米光纤中,测量功率和波长的关系。这种测试也使用宽带光源和光谱分析仪(OSA)。然后不改变耦合条件,在距离耦合点几米处剪断光纤,并把OSA接在P0点重新扫描测量功率和波长的关系。通过比较P1和P0的测量结果就能知道多少光损耗在两点之间。
这种方法叫做回截(cutback)法,它是测量线轴衰减的标准方法。用两点处的功率差除以光纤长度就能得到每米的衰减或平均衰减,但一般用dB/km表示。下面是测量示意图和计算公式。
回截法测量步骤和公式
下图展示了SMF-28单模光纤的光谱衰减曲线。这条曲线上也有不同模式的截止峰,可以看到LP11模式的截止、单模工作范围和弯曲边缘。曲线最右侧除了弯曲边缘的影响还有材料吸收,因为光通过了几千米长的玻璃光纤。波长接近2 μm时,由于多声子吸收,晶格吸收光子产生振动能量。在曲线左侧靠近紫外区时,衰减也开始上升。这也是因为材料吸收,但不是振动能量,而是电子被激发到更高能级,所以电子吸收是紫外衰减上升的原因。
与单模光纤不同的是,多模光纤的衰减曲线没有模式截止峰,但会有几个性质完全不同的吸收峰,而且最低衰减也远远达不到单模光纤的水平。不过曲线两侧来自材料的红外和紫外吸收边缘都是相似的。
衰减曲线:单模 vs 多模
以阶跃折射率单模光纤设计为例,我们能控制的两个变量是纤芯直径和光纤NA。下面展示了通过显微镜拍摄的两张光纤截面图。虽然纤芯尺寸相差很大,并且NA也不同,但两种光纤具有相同的截止波长。选择两组不同的参数,导光性能因此不同,但两者组合能实现相同的截止波长,因此这是设计单模光纤的两种不同途径。
标准通信光纤:8.2 μm纤芯、0.14 NA、MFD 9.05 μm @ 1550 nm、理论截止波长1285 nm。优势是MFD大,更好耦合
高NA波导熔接光纤:3.28 μm纤芯、0.35NA、MFD 3.621 μm @ 1550nm、理论截止波长1500 nm。优势是单模工作范围更宽、对弯曲更不灵敏
NA(数值孔径)与纤芯和包层折射率之差有关。NA越高,接收角越大。临界角越小,纤芯-包层界面的角度就能越陡,整体的导光能力越强。单模光纤NA一般在0.1左右,这是非常小的。
多模光纤输出实拍图
根据NA和纤芯直径能计算V数、截止波长和模场直径。V数小于2.405时,光纤只支持单模工作。截止波长的理论计算值比实际要大。
=πλ
λ=π2.405
≈[0.65+1.619V3/2+2.789V6−(0.016+1.561−7)]
3.3 现实世界中的单模光纤
实际因素使光纤偏离理论结果。首先看微弯。即使在桌面上放一段笔直的光纤,它的表现并不像理想的直线波导。这是因为光纤中总有些微弯,来源包括光纤中固有的缺陷、生产过程中产生的内部应力和布线时出现的局部外力。
微弯来源
由于微弯效应,LP11模式的截止波长将比理论预测的更短,而且弯曲边缘也会朝短波长偏移。在前面我们看到,SMF-28光纤的理论截止波长是1500 nm,而测量结果在1325 nm左右。
通过改进生产工艺可以减小微弯,比如使用双丙烯酸涂覆层。下图仍是SMF-28光纤的横截面,不过它有两个涂覆层。内涂覆层非常柔软,切光纤时它会受到轻微扰动,作用就像冲击吸收体,可以减小微弯。外涂覆层是硬质塑料,为光纤提供机械保护。
双涂覆层SMF-28光纤
另一个实际影响和折射率有关。为了设计光纤,我们能画出任意需要的形状,但现实中很难实现完美的阶跃折射率。这是由光纤预制棒的MCVD工艺决定的,由于玻璃逐层沉积,从上到下每层玻璃都没有均匀的折射率,因此经常看到的是锯齿图案,而且中心有个凹陷。虽然实际折射率轮廓看起来不理想,但光纤仍表现得几乎就像具有理想的阶跃折射率。
阶跃折射率:理想 vs 现实
今天的文章迅镭激光_光纤激光器的原理分享到此就结束了,感谢您的阅读。
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