光纖光學(xué)_復(fù)習(xí)

1、俞俞 侃侃華中科技大學(xué)文華學(xué)院信息學(xué)部華中科技大學(xué)文華學(xué)院信息學(xué)部光纖光纖折射率分布幾何光學(xué)幾何光學(xué)方法方法d光線光線射線方程折射/反射定理光線軌跡波動(dòng)方程波動(dòng)方程方法方法d模式模式波導(dǎo)場(chǎng)方程邊值問(wèn)題模式分布研究方法研究方法研究方法研究方法研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容適用條件適用條件研究對(duì)象研究對(duì)象基本方程基本方程光線理論光線理論子午光線：子午光線：限制在子午平面限制在子午平面內(nèi)傳播的光線內(nèi)傳播的光線與纖軸相交與纖軸相交光線分類光線分類傾斜光線：傾斜光線：軌跡曲線不限制在軌跡曲線不限制在一個(gè)平面內(nèi)一個(gè)平面內(nèi)與纖軸既不相交也與纖軸既不相交也不平行不平行光線軌跡光線軌跡子午光線子午光線階躍階躍光纖光纖多模多模

2、光纖光纖傳輸傳輸容量容量時(shí)延差的倒數(shù)時(shí)延差的倒數(shù)n1=1.5, =1%, =50 ns/km傳輸帶寬傳輸帶寬: 1/ = 20 MHzkm結(jié)論結(jié)論1: 多模光纖通信容量并不高多模光纖通信容量并不高!由一點(diǎn)發(fā)出的光線不能會(huì)聚在另一點(diǎn)由一點(diǎn)發(fā)出的光線不能會(huì)聚在另一點(diǎn)結(jié)論結(jié)論2:階躍光纖不適合于傳輸圖像階躍光纖不適合于傳輸圖像!cn /)/nn-(ntt -/cost122100z0模式是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固有電磁共振屬性的表征。模式是波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的固有電磁共振屬性的表征。給定的波導(dǎo)中能存在的模式及其性質(zhì)是已確定的給定的波導(dǎo)中能存在的模式及其性質(zhì)是已確定的,外界激勵(lì)源只能激勵(lì)起光波導(dǎo)中允許存在的模式，外界激勵(lì)源

3、只能激勵(lì)起光波導(dǎo)中允許存在的模式，而不會(huì)改變模式的固有性質(zhì)。而不會(huì)改變模式的固有性質(zhì)。每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于某一本征值并滿足全部邊界條件每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于某一本征值并滿足全部邊界條件每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于沿光波導(dǎo)軸向傳播的一種電磁波每一個(gè)模式對(duì)應(yīng)于沿光波導(dǎo)軸向傳播的一種電磁波模式具有確定的相速群速和橫向場(chǎng)分布模式具有確定的相速群速和橫向場(chǎng)分布本征解本征解模式模式根據(jù)場(chǎng)的縱向分量根據(jù)場(chǎng)的縱向分量Ez和和Hz的存在與否的存在與否模式分類模式分類橫電磁模橫電磁模(TEM)EzHz0橫電模橫電模(TE)Ez0Hz0橫磁模橫磁模(TM)Ez0Hz0混雜模混雜模(HE或或EH)Ez0 Hz0可以證明，光纖中不可能存在可

4、以證明，光纖中不可能存在TEM模模光纖中存在的模式多數(shù)為光纖中存在的模式多數(shù)為HE(EH)模模,有時(shí)也出現(xiàn)有時(shí)也出現(xiàn)TE(TM)模模J0K0J1K1rg1rg2ar導(dǎo)模r2arr1r3泄漏模rr1ar輻射模導(dǎo)模與輻射模的重要區(qū)別導(dǎo)模與輻射模的重要區(qū)別v導(dǎo)模對(duì)應(yīng)于分立的本征值；v輻射模對(duì)應(yīng)于連續(xù)的本征值；v離散的導(dǎo)模與連續(xù)的輻射模構(gòu)成了波導(dǎo)的完整正交模系；v在這里，我們重點(diǎn)研究的是導(dǎo)模的傳輸；v在光纖損耗和模式耦合的研究中輻射模的性質(zhì)非常重要；兩種方法的比較光纖光纖輻射模輻射模TE/TM模模HE/EH模模折射光線折射光線子午光線子午光線傾斜光線傾斜光線導(dǎo)模導(dǎo)模泄漏模泄漏模約束光線約束光線隧道光線

5、隧道光線離截止條件離截止條件。n1n2k0HE11HE21HE31HE12TE01TM01EH11V246n1n2EH21HE41HE22TE02TM02v 單模條件單模條件: Vc（2/0）an12n22 2.405 (僅適用于僅適用于SIOF?。?v 單模光纖尺寸單模光纖尺寸: ac1.2020/（n12n22）v 單模光纖截止波長(zhǎng)單模光纖截止波長(zhǎng): c（an12n22）/ 1.202v 單模光纖截止頻率單模光纖截止頻率:fc1.202c/（an12n22）v 僅當(dāng)僅當(dāng)c或或ffc時(shí)方可在光纖中實(shí)現(xiàn)單模傳輸時(shí)方可在光纖中實(shí)現(xiàn)單模傳輸.這時(shí)這時(shí),在光在光纖中傳輸?shù)氖抢w中傳輸?shù)氖荋E11模模,

6、稱為基模或主模。緊鄰稱為基?；蛑髂！＞o鄰HE11模的高階模的高階模是模是TE01、TM01模和模和HE21模模,其截止值均為其截止值均為Vc2.405。v 保證單模傳輸條件下，保證單模傳輸條件下，V盡量取高值，以避免彎曲損耗盡量取高值，以避免彎曲損耗.v模式的截止與遠(yuǎn)離截止: 臨近截止: W=0 , 場(chǎng)在包層中不衰減 遠(yuǎn)離截止: W, 場(chǎng)在包層中不存在v 弱導(dǎo)條件：弱導(dǎo)條件：n1 n2 n n1 n2，一般，一般 =0.01% W0，有，有W定義：在包層中定義：在包層中n2k0 =n1k0cos z(z) n1k0 z 0 V0, n1k0 n2k0 場(chǎng)特點(diǎn)：場(chǎng)特點(diǎn)： 光線理論光線理論：光線與

7、纖軸的夾角??；：光線與纖軸的夾角??； 波動(dòng)理論波動(dòng)理論：芯區(qū)對(duì)光場(chǎng)的限制較弱；芯區(qū)對(duì)光場(chǎng)的限制較弱；消逝場(chǎng)在包層中延伸較遠(yuǎn)。消逝場(chǎng)在包層中延伸較遠(yuǎn)。線偏振模線偏振模LP-1,m的場(chǎng)分量的場(chǎng)分量v LPm=HE+1,m+EH-1,m 是這兩種精確模式的疊加！（牢記）是這兩種精確模式的疊加?。ɡ斡洠﹙ HE+1+1,m模式與模式與EH-1 1,m色散曲線相近色散曲線相近n 兩者簡(jiǎn)并，本征值相同兩者簡(jiǎn)并，本征值相同n 旋向相反，合成線偏振光旋向相反，合成線偏振光v 在在直角直角坐標(biāo)系中求解，各分量具有固定的偏振方向坐標(biāo)系中求解，各分量具有固定的偏振方向v LPm模只有模只有四個(gè)四個(gè)不為零的場(chǎng)分量：不

8、為零的場(chǎng)分量：n Ey、Hx、Ez和和Hz沿沿y方向偏振（以下討論對(duì)象）方向偏振（以下討論對(duì)象）n 與之正交的與之正交的Ex、Hy、Ez和和Hz 沿沿x方向偏振方向偏振v當(dāng)當(dāng) 0時(shí)，時(shí)，每一個(gè)每一個(gè)LPm模式有模式有四重四重簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并 徑向兩種模式：沿徑向兩種模式：沿x或或y方向偏振方向偏振 角向兩種變化：角向兩種變化：cosf f 或或 sinf fv當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，LP0m模式只有模式只有兩重兩重簡(jiǎn)并簡(jiǎn)并 徑向兩種模式：沿徑向兩種模式：沿x或或y方向偏振方向偏振LPm模：模：沿徑向的亮斑數(shù)為沿徑向的亮斑數(shù)為m沿角向的亮斑數(shù)為沿角向的亮斑數(shù)為2=0，中心為亮斑，中心為亮斑0，中心為暗斑，中心為

9、暗斑光纖的損耗)/(/ )/log(10kmdBLPPinout)/()1 (40kmdBBAsR+光纖損耗譜特性光纖損耗譜特性光纖的色散光纖的色散1、模間色散：、模間色散：2、波導(dǎo)色散：、波導(dǎo)色散：3、材料色散：、材料色散：4、偏振模色散：、偏振模色散：色散一般分為色散一般分為 4 種：種：發(fā)生于多模光纖中由于各模式之間群速度不同而產(chǎn)生的色散，發(fā)生于多模光纖中由于各模式之間群速度不同而產(chǎn)生的色散，即各模式以不同時(shí)刻到達(dá)光纖出射端而使脈沖展寬。即各模式以不同時(shí)刻到達(dá)光纖出射端而使脈沖展寬。由于某一傳播模的群速度對(duì)于光的頻率由于某一傳播模的群速度對(duì)于光的頻率(或波長(zhǎng)或波長(zhǎng))不是常數(shù)，不是常數(shù)，同

10、時(shí)光源的譜線又有一定的寬度，因而產(chǎn)生波導(dǎo)色散。同時(shí)光源的譜線又有一定的寬度，因而產(chǎn)生波導(dǎo)色散。由于光纖材料的折射率隨入射光頻率變化而產(chǎn)生的色散。由于光纖材料的折射率隨入射光頻率變化而產(chǎn)生的色散。一般的單模光纖中都同時(shí)存在兩個(gè)正交模式。若光纖的結(jié)構(gòu)一般的單模光纖中都同時(shí)存在兩個(gè)正交模式。若光纖的結(jié)構(gòu)為完全的軸對(duì)稱，則這兩個(gè)正交偏振模在光纖中的傳播速度為完全的軸對(duì)稱，則這兩個(gè)正交偏振模在光纖中的傳播速度相同，即有相同的群延遲，故無(wú)色散。實(shí)際的光纖必然會(huì)有相同，即有相同的群延遲，故無(wú)色散。實(shí)際的光纖必然會(huì)有一些軸的不對(duì)稱，因而兩正交模有不同的群延遲，這種現(xiàn)象一些軸的不對(duì)稱，因而兩正交模有不同的群延遲

11、，這種現(xiàn)象稱之為偏振模色散。稱之為偏振模色散。在理論討論中不考慮。在理論討論中不考慮。材料色散材料色散波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散 1550nm 1310nm 色色散散 p ps s/ /n nm m k km m 普普通通光光纖纖( (S SM MF F) ) 非非色色散散位位移移光光纖纖（N ND DS SF F，G G. .6 65 52 2） 已已有有光光纖纖的的 9 95 5% % 波波長(zhǎng)長(zhǎng) 色色散散位位移移光光纖纖（D DS SF F, ,G G. .6 65 53 3） 非非零零色色散散位位移移光光纖纖（N NZ ZD DS SF F, ,G G. .6 65 55 5） 1

12、8 0 D DW WD DM M 波波長(zhǎng)長(zhǎng)范范圍圍 正常色散區(qū)正常色散區(qū)反常色散區(qū)反常色散區(qū)光有源器件光有源器件定義：發(fā)生電子光子、光子電子、或者光子光子轉(zhuǎn)換過(guò)程的光電子器件 半導(dǎo)體光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL) 半導(dǎo)體光探測(cè)器(PD,PIN,APD） 光纖激光器（OFL:單波長(zhǎng)、多波長(zhǎng)） 光放大器(SOA,EDFA) 光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器(XGM,XPM,FWM) 光調(diào)制器（EA） 光路由器光無(wú)源器件光無(wú)源器件定義：不存在電子光子、光子電子、或者光子光子等轉(zhuǎn)換過(guò)程光電子器件 光纖連接器（固定、活動(dòng),FC/PC,FC/APC） 光纖定向耦合器/分支器 光分插復(fù)用器（OADM)

13、光波分/密集波分復(fù)用器（WDM/DWDM) 光衰減器（固定、連續(xù)） 光濾波器（帶通、帶阻） 光纖隔離器與環(huán)行器（偏振有關(guān)、無(wú)關(guān)） 光偏振態(tài)控制器、光纖延遲線、光纖光柵電線光纖調(diào)制器光調(diào)制器電阻光衰減器三通（多通）光耦合器二極管光隔離器混頻器光波分復(fù)用器放大器光放大器頻率轉(zhuǎn)換器光波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器濾波器光濾波器電源光源電接插件光連接器探頭光探測(cè)器開(kāi)關(guān)光開(kāi)關(guān)集成電路集成光路準(zhǔn)直準(zhǔn)直聚焦聚焦準(zhǔn)直聚焦準(zhǔn)直聚焦光纖定向耦合器光纖定向耦合器(Coupler)光纖定向耦合器光纖定向耦合器(Coupler)v 耦合長(zhǎng)度：當(dāng)功率100%耦合時(shí)最小光纖長(zhǎng)度： Lc=p/2Kv 當(dāng)發(fā)生耦合作用的光纖長(zhǎng)度等于耦合長(zhǎng)度的奇數(shù)倍

14、時(shí)，即獲得100%的耦合；v 故可通過(guò)控制平行光纖的長(zhǎng)度以及兩光纖間距來(lái)控制耦合比；v 耦合效率和耦合長(zhǎng)度依賴于兩光纖的間距d。間距越大，耦合長(zhǎng)度越大。2D2Ddn2n1n2n1n2工作原理工作原理v消逝場(chǎng)耦合。v如果用一個(gè)1:1 Y-分支來(lái)耦合兩個(gè)信號(hào)，信號(hào)可以被合路，但是每個(gè)信號(hào)是它原來(lái)的一半功率 (3dB)Noticev波長(zhǎng)相同時(shí)(1=2)，不可能實(shí)現(xiàn)完全的分離與合成，對(duì)于1:1的耦合器，必定要引起3dB的損耗；v當(dāng)兩波長(zhǎng)不同時(shí)(12)，可以通過(guò)改變 耦合器的長(zhǎng)度L或者選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)，使1與2的光功率達(dá)到接近全分波或合波；v如果1與2很接近時(shí)，需要增加耦合器的長(zhǎng)度L,才能使1與2的光功率

15、達(dá)到完全分波或合波。 偏振器隔離器的工作原理 法拉弟旋轉(zhuǎn)器偏振器反射光阻塞入射光SOP一種與輸入光的偏振態(tài)無(wú)關(guān)的隔離器 光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWPSOP光纖輸入(a)光纖輸出SWP半波片法拉弟旋轉(zhuǎn)器SWP光纖輸入(b)光環(huán)形器光環(huán)形器基本原理：工作原理等同于隔離器，光傳送順序：12 3 4 （三端口，四端口，多端口）主要特性： 插入損耗 隔離度 價(jià)格圖圖 衰減器的工作原理衰減器的工作原理(a)(b)(c)PinPout反射鏡反射鏡PoutPin透射光透射光光吸收材光吸收材料料PoutPin固定式光衰減器固定式光衰減器光纖拉錐型固定式光衰減器光纖拉錐型固定式光衰減器p2,bbzzdzd對(duì)單光纖進(jìn)行熔融拉錐，當(dāng)融錐區(qū)對(duì)單光纖進(jìn)行熔融拉錐，當(dāng)融錐區(qū)光纖半徑變化較快時(shí)，將激勵(lì)起高光纖半徑變化較快時(shí)，將激勵(lì)起高階模式，引起損耗。階