1、信號與系統信號與系統光纖材料及光纖器件光纖材料及光纖器件u光纖是光導纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的光傳導工具。光纖實際是指由透明材料做成的纖芯和在它周圍采用比纖芯的折射率稍低的材料做成的包層，并將射入纖芯的光纖的光信號，經包層界面反射，使光信號在纖芯中傳播前進的媒體。光纖主要有兩個特性：損耗和色散。光纖通信具有傳輸頻帶寬，容量大，傳輸距離遠，質量高，保密性好等優點。光纖的優良特性，使之在光纖通信、傳感、傳像、傳光照明與能量信號傳輸等多方面領域被廣泛而大量應用，尤其在信息技術領域具有廣闊的應用前景。信號與系統信號與系統光纖的優點u與電纜或微波等電通信方式相比

2、，光纖通信的優點如下： 傳輸頻帶極寬，通信容量很大； 由于光纖衰減小，無中繼設備，故傳輸距離遠； 串擾小，信號傳輸質量高； 光纖抗電磁干擾，保密性好； 光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設； 耐化學腐蝕； 光纖是石英玻璃拉制成形,原材料來源豐富，并節約了大量有色金屬。 u除以上特點之外,還有光纖徑細、重量輕、柔軟、易于鋪設;光纖的原材料資源豐富,成本低;溫度穩定性好、壽命長。由于光纖通信具有以上的獨特優點,其不僅可以應用在通信的主干線路中,還可以應用在電力通信控制系統中,進行工業監測、控制,而且在軍事領域的用途也越來越為廣泛。 信號與系統信號與系統光纖通信的發展歷程 從1876年發明電話到20世

3、紀的60年代末，通信線路是銅制導線。我國采用的8管同軸電纜加上金屬護套，質量達4噸/公里，有色金屬的消耗實在是太大。 1929年和1930年，美國的哈納爾和德國的拉姆先后拉制出石英光纖且用于光線和圖像的短距離傳輸； 此時的光纖波導的理論和應用技術進展相當緩慢，主要原因是當時光纖損耗太大，達到幾百甚至一千多分貝/公里，這種光纖對通信是毫無用處的。3信號與系統信號與系統世界光纖之父：高錕 1966年，高錕博士發表了著名的論文“光頻介質纖維表面波導”，明確提出通過改進制備工藝，減少原材料雜質，可使石英光纖的損耗大大下降，并有可能拉制出損耗低于20dB/km的光纖。光纖通信的發展歷程4信號與系統信號與

4、系統1970年，美國的康寧玻璃公司（Corning Glass Co.）率先將高錕博士的科學預言變為現實，研制出在0.6328um波長下損耗為20dB/km的石英光纖，取得了重要的技術突破。在短短幾十年時間里，光纖的損耗已由在短短幾十年時間里，光纖的損耗已由1000dB/km下降到下降到0.16dB/km，致使光纖通信，致使光纖通信在世界范圍內形成一個充滿活力的新興產業。在世界范圍內形成一個充滿活力的新興產業。光纖損耗5信號與系統信號與系統u20世紀的80年代中期，全世界范圍內的光纖通信開始走向實用化。石英玻璃光纖的質量為27克/公里。原料廉價，傳輸損耗小，不受外界電磁干擾，保密性強。u199

5、3年后，全球范圍信息高速公路的建設。u到2000年，世界光纖的年產量達到6000萬公里以上，而已經鋪設的光纖總長度到達2億公里以上。正好印證了電子到光電子的跨越。u光纖的出現帶動了集成光學的發展。光纖通信的發展歷程6信號與系統信號與系統光纖技術的發展前景光纖技術的發展前景 u對光纖通信而言,超高速度、超大容量和超長距離傳輸一直是人們追求的目標,而全光網絡也是人們不懈追求的夢想。 所以我們應該努力像一下幾個方面去發展： 向超高速系統的發展。 向超大容量WDM系統的演進。 開發新代的光纖 全光網絡。u未來的高速通信網將是全光網。全光網是光纖通信技術發展的最高階段,也是理想階段。 目前,全光網絡的發

6、展仍處于初期階段,但它已顯示出了良好的發展前景。從發展趨勢上看,形成一個真正的、以 WDM技術與光交換技術為主的光網絡層,建立純粹的全光網絡,消除電光瓶頸已成為未來光通信發展的必然趨勢,更是未來信息網絡的核心,也是通信技術發展的最高級別,更是理想級別。 信號與系統信號與系統8一、光纖的基本概念信號與系統信號與系統91、介質光波導l空間傳播光與導波光 空間傳播光：在自由空間中空間傳播光：在自由空間中( (或均勻介質中或均勻介質中) )傳播傳播的光的光導波光：相對于空間傳播的光，光被限制在與傳播導波光：相對于空間傳播的光，光被限制在與傳播方向垂直的截面內，在密閉區傳播的光。方向垂直的截面內，在密閉

7、區傳播的光。l光波導：約束導波光的介質平板波導平板波導矩形波導矩形波導光導纖維光導纖維( (光纖光纖) )信號與系統信號與系統平板波導覆蓋層覆蓋層 n3薄膜薄膜 n1襯底襯底 n2介質平板波導結構：介質平板波導結構：123nnn在橫截面的一個方向限制光波傳播在橫截面的一個方向限制光波傳播10信號與系統信號與系統矩形波導脊型波導脊型波導溝道波導溝道波導平面掩埋溝道波導平面掩埋溝道波導在橫截面的兩個方向限制光波傳播在橫截面的兩個方向限制光波傳播11信號與系統信號與系統12光纖信號與系統信號與系統光纖的種類u光纖的種類有很多種，分類方法也各不相同，常見的有五種方法u 按材料分為：石英光纖、多組分玻璃

8、光纖、塑料光纖、液芯光纖。 u按傳輸模式分：中心玻璃芯較粗、單模光纖。u按光纖折射率分布分：階躍折射率光纖、漸變折射率光纖、W型光纖。u按照波長劃分：目前所應用的光纖可以傳輸從紫外線到近紅外波長，即0.3-1.6微米u按照用途劃分：傳輸信息的光纖（光通信）和傳輸能量的光纖（導光纖維）信號與系統信號與系統2、光導纖維的結構和導光原理u光纖導光條件：全反射14信號與系統信號與系統2-1、斯涅爾定理 當光由光密介質出射至光疏介質時當光由光密介質出射至光疏介質時（a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）臨界狀態：）臨界狀態： （c）全反射）全反射 ：rinnsinsin21)/arcsin(,

9、90120nnior臨界角0ii15信號與系統信號與系統2-2、光纖導光 jinnsinsin10rknnsinsin21rinn22221sinsin空氣空氣纖芯纖芯包層包層斯涅爾定律斯涅爾定律01.0n 90jk16信號與系統信號與系統2-2、光纖導光 90rrinn22221sinsin空氣空氣纖芯纖芯包層包層發生全反射，光線可在光纖中傳播發生全反射，光線可在光纖中傳播02212arcsiniinn17信號與系統信號與系統光纖的基本概念 介質光波導三要素：“芯芯 / 包包”結構結構凸形折射率分布，凸形折射率分布，n1n2低傳輸損耗低傳輸損耗n2n1n2n1n2n12a2arr = ar

10、= 0單模階躍折射率光纖單模階躍折射率光纖多模階躍折射率光纖多模階躍折射率光纖多模梯度折射率光纖多模梯度折射率光纖剖面折射率分布剖面折射率分布18信號與系統信號與系統2-2、光纖導光 結論：結論：1.光纖傳光的原理是光的全反射；光纖傳光的原理是光的全反射；2.只有當光線的入射角只有當光線的入射角i arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；l i arcsinNA，光線可以進入光纖被全反射傳播。，光線可以進入光纖被全反射傳播。21信號與系統信號與系統3-1、數值孔徑（NA） 大的數值孔徑：有利于耦合效率的提高。大的數值孔徑：有利于耦合效率的

11、提高。 數值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。數值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。221212NAnnn121nnn u 結論2影響因素： 光纖的數值孔徑（NA）僅取決于纖芯的折射率的大小及包層相對折射率差； NA與光纖的直徑無關。 相對折射率差：相對折射率差：22信號與系統信號與系統3-2、光纖的模式 電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁電磁波的傳播遵從麥克斯韋方程，而在光纖中傳播的電磁場，還滿足光纖這一傳輸介質的邊界條件。因此根據由光場，還滿足光纖這一傳輸介質的邊界條件。因此根據由光纖結構決定的光纖的邊界條件，可求出光纖中可能傳播的纖結構決定的光纖的邊界條件，可求出光纖中可能傳播的

12、模式。模式。 麥克斯韋方程的一個解即對應一個模式，對應著電磁場在麥克斯韋方程的一個解即對應一個模式，對應著電磁場在光纖中的一種分布形式。光纖中的一種分布形式。 模式：物理上理解就是一種基本場分布模式：物理上理解就是一種基本場分布, ,數學上就是一個數學上就是一個基本解。基本解。23信號與系統信號與系統按分布形式，模式可以分為以下幾種類型：按分布形式，模式可以分為以下幾種類型：（1 1）橫電波）橫電波 縱軸方向只有磁場分量，沒有電場分量；橫截面上有電場分量的縱軸方向只有磁場分量，沒有電場分量；橫截面上有電場分量的電磁波。電磁波。下標下標m表示電場沿圓周方向的變化周數，表示電場沿圓周方向的變化周數

13、，n表示電場沿徑表示電場沿徑向方向的變化周數。向方向的變化周數。（2）橫磁波橫磁波 縱軸方向只有電分量，沒有磁場分量；橫截面上有磁場分量的電縱軸方向只有電分量，沒有磁場分量；橫截面上有磁場分量的電磁波。磁波。下標下標m表示磁場沿圓周方向的變化周數，表示磁場沿圓周方向的變化周數，n表示磁場沿徑向表示磁場沿徑向方向的變化周數。方向的變化周數。（3）混合波）混合波 或或 縱軸方向既有電分量又有磁場分量，是橫電波和橫磁波的混合。縱軸方向既有電分量又有磁場分量，是橫電波和橫磁波的混合。 無論哪種模式，當無論哪種模式，當m m和和n n的組合不同，表示的模式也不同。的組合不同，表示的模式也不同。mnEHm

14、nHEmnTMmnTE3-2、光纖的模式24信號與系統信號與系統u單模光纖：只有最低階模式單模光纖：只有最低階模式HE11存在，它的光纖橫向光斑圖存在，它的光纖橫向光斑圖u多模光纖：可傳輸多種模式。多模光纖：可傳輸多種模式。3-2、光纖的模式 低階模能量集中在波導中心，而模式階數越低階模能量集中在波導中心，而模式階數越高橫截面直徑越大且能量分布越分散。高橫截面直徑越大且能量分布越分散。25信號與系統信號與系統3-2、光纖的模式26信號與系統信號與系統可傳播模可傳播模式式纖芯尺纖芯尺寸寸光耦合光耦合難度難度相對折射率差相對折射率差損耗損耗單模單模光纖光纖只可傳輸一種模式，最低價模式較小，約212

15、um難小： (n1-n2)/n1 0.00050.01小多模多模光纖光纖可傳輸多種模式較粗，典型尺寸為50um易大： 0.010.02大3-2、光纖的模式27信號與系統信號與系統光纖損耗的來源：（1）光纖材料的吸收與散射損耗；（2）光纖的彎曲輻射損耗；（3）光纖的連接；（4）耦合損耗。3-3、光纖損耗28信號與系統信號與系統（1）光纖材料的吸收與散射損耗；u本征吸收：光纖材料對光信號的吸收。u雜質吸收：雜質不是指光纖中的摻雜物，而是由于材料不純凈及工藝不完善而引入的雜質，如過渡金屬離子和OH-離子。u原子缺陷吸收：由于材料受到熱輻射或光輻射引起的。u散射損耗：在光纖材料中，由于某種遠小于波長的

16、不均勻性引起的光散射構成光纖的散射損耗。29信號與系統信號與系統（1）光纖材料的吸收與散射損耗；30信號與系統信號與系統（2）光纖的彎曲輻射損耗u光纖實際應用中不可避免的光纖實際應用中不可避免的要產生彎曲，這就伴隨著產要產生彎曲，這就伴隨著產生光的彎曲輻射損耗。生光的彎曲輻射損耗。531信號與系統信號與系統橫向偏移橫向偏移縱向偏移縱向偏移角向偏移角向偏移（3）光纖的連接損耗32信號與系統信號與系統（4）耦合損耗。光源與光纖的耦合損耗光源與光纖的耦合損耗光纖與光器件的耦合損耗光纖與光器件的耦合損耗33信號與系統信號與系統34二、光纖的材料及制造信號與系統信號與系統一、光纖材料 高純度熔石英光纖高

17、純度熔石英光纖傳輸損耗低傳輸損耗低多組分玻璃纖維多組分玻璃纖維纖芯包層折射纖芯包層折射率可在較大范圍率可在較大范圍內變化，易于制內變化，易于制造大數值孔徑造大數值孔徑 的的光纖。光纖。(2)、塑料光纖、塑料光纖成本低、材料損耗大、成本低、材料損耗大、溫度性能差。溫度性能差。(3)、晶體光纖、晶體光纖纖芯為單晶，可用于制作纖芯為單晶，可用于制作有源和無源光纖器件。有源和無源光纖器件。(1)、石英光纖、石英光纖35信號與系統信號與系統塑料光纖（塑料光纖（POF）的優點）的優點簡單、安全的連通測試簡單、安全的連通測試：采用650nm的LED紅光光源時，是對肉眼無害的可見光。快速安裝快速安裝：POF能

18、夠很容易地通過狹小的穿線管；容易連接容易連接：POF不用拋光液能達到很好的連接效果，也不用為了連接而采用專用的設備；低廉成本低廉成本：由于具備以上兩個優點，所以采用POF做傳輸介質的網絡接入系統，其造價要比石英光纖接入系統低；堅固耐用堅固耐用：POF光纜比石英光纜更加柔軟耐用，彎曲半徑也小；塑料光纖塑料光纖信號與系統信號與系統信號與系統信號與系統POF技術的發展技術的發展（一）、階躍型塑料光纖（一）、階躍型塑料光纖早期的塑料光纖都是大數值孔徑階躍型塑料光纖。由早期的塑料光纖都是大數值孔徑階躍型塑料光纖。由于這種光纖色散較大，帶寬只能達到于這種光纖色散較大，帶寬只能達到5MHZ5MHZ* *km

19、km，不能，不能滿足高速數據通信的要求，故一直以照明、汽車車燈滿足高速數據通信的要求，故一直以照明、汽車車燈監控等非通信應用為主。隨后通過一系列技術是它的監控等非通信應用為主。隨后通過一系列技術是它的傳輸性能得到大幅度的改善。傳輸性能得到大幅度的改善。信號與系統信號與系統早期市場上的POF產品多為PMMA基質多模基質多模SIPOF，雖然與石英玻璃光纖相比在短距離通信應用中有低價、易處理的優勢，但其窄帶寬（但其窄帶寬（5MHz*km）和高固有衰減）和高固有衰減(150300dB/km),不能適應帶寬逐漸增大的多媒體社會的需要。為了增加帶寬，首先想到的解決方法是減小光減小光纖的數值孔徑，采用單模纖

20、的數值孔徑，采用單模SIPOF方案方案。但POF的最主要特點是大芯徑，因此不能期望將其發展成單模光纖以增加帶寬，這樣POF的低價格、易處理優勢將失去。目前解決上述問題的較佳選擇是漸變型塑料光纖（較佳選擇是漸變型塑料光纖（GIPOF）。）。GIPOF的開發為塑料光纖在寬帶通信網中的應用開拓了廣闊的前景。（二）、（二）、漸變型塑料光纖（漸變型塑料光纖（GIPOF）的發展過程及現狀）的發展過程及現狀信號與系統信號與系統塑料光纖的分類塑料光纖的分類特殊塑料光纖包括所有具有特殊性能的塑料光纖，比如激光染料激光染料摻雜塑料光纖、閃爍塑料光纖、摻雜塑料光纖、閃爍塑料光纖、電光塑料光纖電光塑料光纖等，還有具有

21、特殊設計結構的塑料光纖，比如微結微結構塑料光纖和雙芯塑料光纖構塑料光纖和雙芯塑料光纖等。塑料光纖塑料光纖普通塑料光纖普通塑料光纖特殊塑料光纖特殊塑料光纖包括所有的階躍型多模塑料光階躍型多模塑料光纖、漸變型多模塑料光纖以及纖、漸變型多模塑料光纖以及單模塑料光纖單模塑料光纖。這類光纖與普通石英光纖類似，由纖芯和包層構成，不同的纖芯折射率分布構成了不同類型的光纖。信號與系統信號與系統多模光纖主要用在強度型傳感器的系統中，被測量的物理量直接影響輸出光信號的強度。漸變折射率多模塑料光纖可以解決帶寬窄的問題。在單模光纖中，單模石英光纖的缺點是纖芯芯徑非常細，只有510微米。而塑料單模光纖相對于石英光纖的特

22、點就是芯徑粗，是石英光纖的50100倍，對接容易、成本低，所以其在干涉型光纖傳感器中具有更出眾的特點。普通塑料光纖普通塑料光纖折射率分布應用的情況一類是階躍型， 另一類是漸變型。多模光纖單模光纖信號與系統信號與系統特殊的塑料光纖u1、閃爍塑料光纖是有源材料如熒光材料、激光染料摻雜的塑料光纖，主要用在高能輻射的測量。閃爍塑料光纖現在已經實際應用在核物理中監測核輻射和跟蹤帶電高能粒子。u2、電光塑料光纖是在纖芯中摻雜有很高的光學非線性并且響應速度非常快的有機物，使得塑料光纖具備很高的光學非線性。很多有機物都具備光學非線性高和響應速度快的特點，特別是塑料光纖有相對較低的加工制造溫度，這使得有很大范圍

23、的功能材料可以摻人塑料光纖當中。電光塑料光纖在電壓和電場傳感器方面具有巨大的、潛在的應用前景。u3、微結構塑料光纖是近年來人們研究的一種新型的特殊塑料光纖，它是在纖芯中分布有規律的空氣孔，具備新的傳輸特性。這些新的傳輸特性包括寬波長范圍的單模工作，具有大的有效纖芯和模面積，在空氣中而不是在光纖材料中導光等。這些新的傳輸特性對于光纖傳感器的應用來說是非常有意義的。信號與系統信號與系統POF的應用的應用1、塑料光纖以其所具有的柔軟易彎曲、芯徑大、易耦合、抗電磁干擾、電磁輻射 (EMI/ EMR) 制造工藝簡單、成本低等優點，廣泛地用于短距離、中小容量信息傳輸系統、傳感器、CD 播放機、汽車、飛機信

24、息傳輸網絡、多媒體網絡、軍事網絡、甚至可以用于宇航以及導彈的制導等。2、起初，塑料光纖作為照明光傳輸媒質應用在汽車上，將光傳輸到那些狹小得不能安裝標準白熾燈的位置或者傳輸到不同的顯示牌。隨著計算機控制在汽車中的應用越來越廣泛，一輛汽車形成一個局域網（CAN），因此所要傳輸的實時信息量越來越大。為了避免電磁干擾、串音及這些不良現象所引起的數據延誤、丟失，系統需要選擇能承受高信息速率、保證安全的介質材料。光波既不會產生電磁輻射，也不會被其它輻射干擾，另外使用光纖時不用考慮地面回路及電位短路，因此光纖成為CAN首選材料。3、POF 適用于氣候惡劣的網絡和傳感器，能夠高速傳遞大量的保密性強的信息，塑料光纖可引入戰斗機、直升機和軍艦內，作為戰時的信息傳輸媒質。由于POF 塑料光纖超強的抗電磁干擾和電磁輻射的能力還可用于導彈，實現不受干擾的準確制導。所以塑料光纖在軍事上和核工業上有重要的戰略意義。信號與系統信號與系統結論：結論：塑料光纖作為一種光傳輸介質，由于其獨特的性能而受到世界各國的關注。但是，塑料光纖損耗大的缺點卻一直制約著它在各種領域的廣泛應用。隨著化工技術的不斷提高及相關領域學者的不斷努力，POF已經在LAN、CAN、OFS等領域實現了實用化。我國POF的研究及生產相對比較落后，目前國產POF多用于廣告、裝潢，而在工