光波導(dǎo)原理課件

1、4.1 平板型介質(zhì)光波導(dǎo)4.2 通道型介質(zhì)光波導(dǎo)4.3 光纖第四章 光波導(dǎo)原理光 波 導(dǎo) 原 理4.4 新型光波導(dǎo)1/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖的基本知識(shí)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)光纖的射線光學(xué)分析光纖的物理光學(xué)分析光纖的傳輸特性2/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖（圓柱光波導(dǎo)）光纖是光導(dǎo)纖維的簡寫，是一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維 中的全內(nèi)反射原理而達(dá)成的光傳導(dǎo)工具.前香港中文大學(xué)校長高錕和George A. Hockham首先提出光纖可 以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).光纖一般分為三層：中心高折射率玻璃

2、芯（芯徑一般為50或 62.5m），中間為低折射率硅玻璃包層（直徑一般為125m）， 最外是加強(qiáng)用的樹脂涂層.光纖的基本知識(shí)3/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】傳輸介質(zhì)帶寬衰減系數(shù)dB/km中繼距 離km抗電磁干 擾性能尺寸與 重量敷設(shè) 安裝接續(xù)對(duì)絞線6 MHz2012較差大而重一般方便同軸電纜400 MHz191.6較差一般方便較方便光纖10GHz0.2350不受干擾小而輕方便特殊光 纖 的 優(yōu) 點(diǎn)帶寬極寬，容量極大衰減小，傳輸距離遠(yuǎn)抗電磁干擾，保密性好，傳輸質(zhì)量高 尺寸小重量輕33g/km，便于運(yùn)輸和敷設(shè)原料豐富，節(jié)約金屬光 纖 的 缺 點(diǎn)極易斷裂 彎曲能力差切

3、斷與接續(xù)要求高光纖的基本知識(shí)光纖的優(yōu)缺點(diǎn)4/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】纖芯包層125m涂覆層250m無論何種光纖，其包 層直徑都是一致的涂覆層的主要作用 是為光纖提供保護(hù)纖芯和包層僅在折射率 等參數(shù)上不同，結(jié)構(gòu)上 是一個(gè)完整整體5/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】通信光纖基本結(jié)構(gòu)芯層:SiO2+Ge+F包層:SiO2+F內(nèi)涂覆層:丙烯酸樹脂 外涂敷層:丙烯酸樹脂n1n2光纖的基本知識(shí)光纖的結(jié)構(gòu)按光纖折射率分布分：階躍折射率光纖；漸變折射率光纖按光纖傳輸模式分：單模光纖: 芯徑約10微米, 光在其中幾乎沿軸向傳輸，傳輸帶寬10GHz.

4、多模漸變型光纖: 芯徑約50微米，光的傳輸軌跡近似為正弦型，傳輸帶寬從數(shù)百M(fèi)Hz 到數(shù)GHz.多模階躍型光纖: 芯徑約62.5微米，光傳輸軌跡為“之”字形，傳輸帶寬10MHz到50MHz.按光纖材料分：石英光纖: 損耗小、性能好，常用于通信.塑料光纖: 損耗大、易于耦合、制作容易，用于短距離能量傳導(dǎo)等, 未來 希望向光纖入戶與局域網(wǎng)方向發(fā)展.6/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖的基本知識(shí)光纖的分類光纜是以光纖為主要通信元件，通過加強(qiáng)件和外護(hù)層組合成的整體.光纜是依靠其中的光纖來完成傳送信息的任務(wù)，因此光纜的結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)必須要保證其中的光纖具有穩(wěn)定的傳輸特性.光纖的

5、基本知識(shí)光纖與光纜松套層絞式鎧裝光纜7/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】纖芯直徑2a、包層直徑2b細(xì)要求：1 、成本【光纖直徑應(yīng)盡量小】2 、機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性【石英光纖很脆，粗則易斷】粗要求：對(duì)接耦合【粗則易于耦合，損耗小】平衡要求：總粗小于150典型單模光纖芯徑約10，包層直徑125多模階躍光纖芯徑約62.5，包層直徑125 多模漸變光纖芯徑約50，包層直徑1258/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)直徑于是得N . A. n0 sin0maxn2 n212N.A.代表光纖接收入射光的能力，只有 max的光錐內(nèi)的光才可能在光

6、纖中發(fā)生全反射而向前傳播.對(duì)于波長 1.55m 處典型 值n1 1.46 ，n2 1.455 ，可算得N . A. 0.1211cnn0 sin0max1c1c1 n sin90 n cos n全反射要求： sin1 n2 n 21 2 n2 n212 n1 數(shù)值空間（N.A）光纖可能接受外來入射光的最大受光角( 0max)的正 弦與入射區(qū)折射率的乘積.光纖界面光傳輸情況光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值孔徑9/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】相對(duì)折射率定義為纖芯折射率同包層折射率的差與纖芯折射率之比： n1 n2n1一般n1只略大于n2：單模光纖=0.3% ，多模光纖=1% ，于

7、是n2 n2 n n n n2121121N . A. 歸一化頻率V表示在光纖中傳播模式多少的參數(shù)，定義為01210/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】0V k an2 n2 2 a N . A.與平板波導(dǎo)中的歸一化頻率定義一致.a和 N.A.越小，V越小，在光纖中的傳播模式越少.當(dāng)V2.405 時(shí)，為多模傳輸態(tài).光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)相對(duì)折射率、歸一化頻率纖芯折射率分布n(r)通式為：111/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】a r 2n rn 01 2n(0)為纖芯中心折射率，r取值范圍為0ra，為折射率分布系數(shù).取值不同，折射率分布不同：時(shí)，折

8、射率為階躍型分布2時(shí)，折射率為平方律分布(漸變型分布的一種)1時(shí)，折射率為三角型分布光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)折射率分布平板波導(dǎo)：光軌跡在一個(gè)平面內(nèi)，只要用界面入射角就能描述 光線的方位.光纖：光線可能通過波導(dǎo)軸線(子午光線)而在同一平面內(nèi)傳播， 也可不通過軸線(偏射光線)在不同的平面內(nèi)傳播【光線與界面法 線夾角，與軸線夾角】.子午光線：入射角通過圓柱軸線，且大于臨界角時(shí)，光將在柱面 上不斷發(fā)生反射，形成曲折光線，傳導(dǎo)光線的軌跡始終處于入射 光線與軸線決定的平面(子午面)內(nèi).12/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖芯中的子午光線光纖的射線光學(xué)分析子午光線入射光線不通過圓柱波導(dǎo)

9、軸線時(shí)，傳導(dǎo)光線按空間折線傳播，稱偏射光線.偏射光線的端截面投影被完全被限制在兩個(gè)共軸圓柱面【散焦面】間.兩散焦面之間光波按駐波分布，其 外場沿徑向按指數(shù)衰減.入射角1越大，內(nèi)焦面越逼近外焦光纖端面光線入射面與圓柱面相切， 光纖中的傳導(dǎo)光線為一條與圓柱面 相切的螺線.圓柱介質(zhì)波導(dǎo)中的偏射光線光纖的射線光學(xué)分析偏射光線面【1=90o 時(shí),兩焦面重合】.散焦面13/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】假設(shè)光纖為無限長圓柱系統(tǒng)，芯區(qū)半徑a ，折射率n1；包層沿徑向延伸 至無限遠(yuǎn)【 r，這一假定主要是考慮到實(shí)際的導(dǎo)波模的包層內(nèi)的場隨 r的增加迅速衰減，“看”不到包層的外邊界】，

10、折射率n2（n1 ） ； 1=2=0，無損.Ez滿足的波動(dòng)方程為2 E ( x, y, z) k2n2 E ( x, y, z) 0z0z在圓柱坐標(biāo)系中波動(dòng)方程為2214/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】220z1 k n E ( , r, z) 0zzzr , r, z)E ( , r, z) , r, z) E (1 E (r2r r r 2z2采用分離變量法，令 Ez R r Z z ，則上式可化為三 個(gè)獨(dú)立的方程：光纖的物理光學(xué)分析場方程1 2 Z ( z) 2Zz2221 ( )v 20R(r)r2 2 R(r)r222222 r R(r)k n r v

11、0r光沿z向傳播，考慮無窮遠(yuǎn)處場有限 i zZ z C1e圓柱對(duì)稱性，穩(wěn)定的電磁場沿向的 分布必須是以2為周期的函數(shù)【即正 弦或余弦函數(shù)(虛指數(shù)函數(shù)】2iv C e 22200k n 2 r2 s2r2s2 k 2n2 2d 2d 2 R( )dR( )d 2 2 v2 R( ) 0光纖的物理光學(xué)分析場方程15/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】Bessel函數(shù)根據(jù)Z(z)、 、R r 的表達(dá)式，得出導(dǎo)模的解：z112v1z1reeiv j ziv i zuaraeiv e i z uE C C eeJs r AJv H BJv r az 2z 2reereew aw

12、 aiv i ziv i zE CKv H DKv r a式中A C1C2101202k 2n2 2 2 ak 2n2 au s a w s a 2222012u2 w2 kn na V光纖的物理光學(xué)分析導(dǎo)模的解16/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】以縱向場表達(dá)橫向場，有： 0 Hz rE i Ezk22 rr02 i Ezk2 Hz E rr Ez rH i Hzk22 rr 2zEH i Hz2 k r r將Ez、Hz代入，并考慮邊界連續(xù)條件，得到導(dǎo)模本征方程(色散方程)：1 21222 v v2 v2 vvvvvuJuwKwuJuwKw J uK w J uK

13、 w uw 1 2v2 kk色散方程中主要的參量是、a、k0、n1、n2和.光纖的物理光學(xué)分析導(dǎo)模的解0102u k2n2 2 a, w 2 k 2n2 a17/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】傳 輸 模 數(shù)18/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】階躍多模光纖中傳導(dǎo)模的數(shù)量與V的函數(shù)關(guān)系階躍多模光纖色散曲線階躍多模光纖的色散曲線12V 2 an2 n2 2.4050光纖中傳播的唯一的模式HE11模，光纖為單模傳輸當(dāng) =0時(shí)【子午光線】，可以得到兩套獨(dú)立的分量:一套是Hz、Hr、 E，Z向上只有H分量，稱為TE模; 一套是Ez、Er、H，Z向

14、上只 有E分量，稱為TM模. 0【偏射光線】，Z向上既有Ez分量，又有Hz分量，稱之為混合 模. Z向上的Ez分量比Hz分量大，稱為 EH模, 若Z向上的Hz分量比 Ez分量大，稱為HE模.是貝塞爾函數(shù)的階數(shù)，稱為方位角模數(shù)，它表示纖芯沿方位角 繞一圈場變化的周期數(shù); 是貝塞爾函數(shù)的根按從小到大排列的序 數(shù)，稱為徑向模數(shù)，它表示從纖芯中心（r=0）到纖芯與包層交界 面（r=a）場變化的周期數(shù).19/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖的物理光學(xué)分析模式分析混合模【HE /EH】：越大，場越集中于邊界20/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光

15、纖中幾個(gè)低階模式的場圖TE0和TM0模式： 場沿向分布沒有變化光纖的物理光學(xué)分析場分布現(xiàn)象：光信號(hào)經(jīng)過一定距離的光纖傳 輸后要產(chǎn)生衰減和畸變【因而輸出信 號(hào)和輸入信號(hào)不同：光脈沖信號(hào)不僅幅度要減小，而且波形要展寬】.光纖的傳輸特性危害：損耗和色散是光纖的最 主要的傳輸特性，它們限制了系統(tǒng)的傳輸距離和傳輸容量.原因：是光在光纖中傳輸時(shí) 存在損耗和色散等性能劣化.造成光纖損耗的原因是吸收損耗【與光纖材料有關(guān)】、散射損耗 【由材料不均勻性引起】和輻射損耗【由光纖幾何形狀的微觀 和宏觀擾動(dòng)引起】.21/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖的吸收損耗包括本征吸收損耗和非本征吸

16、收損耗.本征吸收是由材料中的固有吸收引起的. 材料中存在著紫外光 區(qū)域光譜吸收和紅外光區(qū)域光譜吸收. 吸收損耗與光波長有關(guān)【紫外吸收帶是由于原子躍遷引起的；紅外吸收是由分子振 動(dòng)引起的】.SiO2的光纖材料中含有一定的摻雜劑（如鍺Ge，硼B(yǎng)，磷P 等）和躍遷金屬雜質(zhì)（如鐵Fe，銅Cu，鉻Cr等）. 這些成分 的存在把紫外吸收尾部轉(zhuǎn)移到更長的波長上去【非本征吸 收】. 所含的雜質(zhì)離子，在相應(yīng)的波長段內(nèi)有強(qiáng)烈的吸收. 雜 質(zhì)含量越多，損耗越嚴(yán)重. 除了躍遷金屬雜質(zhì)吸收外，氫氧 根離子（OH-）的存在也產(chǎn)生了大的吸收.22/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖的吸收損耗瑞

17、利散射損耗: 是由于光纖內(nèi)部的密度不均勻引起的. 瑞利散射損耗的大 小與1/4 成正比.波導(dǎo)散射損耗: 由于光纖在制造過程中的的某些缺陷引起的散射損耗. (dB/ km) (nm)1300140015001600瑞利散射外紫吸收紅外吸收85023/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】13101550光纖的散射損耗光纖受到某種外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定曲率半徑的彎曲. 彎曲后的光 纖可以傳光，但會(huì)使光的傳播途徑改變.一些傳輸模變?yōu)檩椛淠?，引?能量的泄漏，這種由能量泄漏導(dǎo)致的損耗稱為輻射損耗.光纖的輻射損耗24/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖

18、中的色散可分為材料色散、模式間色散、波導(dǎo)色散和偏振 模色散等.材料色散：由于材料本身折射率隨頻率而變，于是信號(hào)各頻率 的群速度不同，引起色散.模式間色散：在多模傳輸下，光纖中各模式在同一光源頻率下 傳輸系數(shù)不同，因而群速度不同而引起色散.波導(dǎo)色散：它是模式本身的色散.對(duì)于光纖中某一模式本身， 在不同頻率下，傳輸系數(shù)不同，群速不同，引起色散.偏振模色散：輸入光脈沖激勵(lì)的兩個(gè)正交的偏振模式之間的群 速度不同而引起的色散.25/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖的色散單模光纖和多模光纖中色散構(gòu)成不同材料色散和波導(dǎo)色散是發(fā)生在同一模式內(nèi)，所以稱之為模內(nèi)色散；而模式間色散和偏振模色散，可稱之為模間色散.對(duì)于多模傳輸，模間色散占主導(dǎo)，材料色散相對(duì)較小，波導(dǎo)色散一般可以忽略.對(duì)于單模傳輸，材料色散占主導(dǎo)，波導(dǎo)色散較小. 由于光源不 是單色的，總有一定的譜寬，這就增加了材料色散和波導(dǎo)色散 的嚴(yán)重性.26/28光電子技術(shù) 第四章光波導(dǎo)原理2015-11-10【17】光纖的色散偏振模色散主要是由于