第五部分光電子的應(yīng)用光纖光學(xué)

第五部分光電子的應(yīng)用光纖光學(xué)第1頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)n2n1n2n1n2n12a2arr=ar=0單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剖面折射率分布2.按纖芯折射率分布階躍折射率光纖梯度折射率光纖3.按傳輸?shù)钠駪B(tài)，單模光纖可分為：a.非偏振保持光纖(非保偏光纖)b.偏振保持光纖

（保偏光纖）單偏振光纖高雙折射光纖低雙折射光纖圓保偏光纖第2頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)階躍折射率分布：梯度折射率分布a--纖芯半徑，=1~當?10時，趨近階躍型當=1時，三角型（色散位移）當=2時，平方律分布在石英光纖中相對折射率差折射率分布的表示第3頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)4.按制造光纖的材料分：(1).高純度熔石英光纖傳輸損耗低(2).多組分玻璃纖維纖芯－包層折射率可在較大范圍內(nèi)變化，易于制造大數(shù)值孔徑的光纖。(3).塑料光纖成本低、材料損耗大、溫度性能差。(4).紅外光纖(5).液芯光纖纖芯為液體(6).晶體光纖纖芯為單晶，可用于制作有源和無源光纖器件。近紅外1～5m，中紅外～10m第4頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)光纜：第5頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)傳輸特性損耗(dB/km)、色散(ps/nm.km)、非線性效應(yīng)等

損耗直接影響中繼距離；

色散將引起光脈沖展寬和碼間串擾，最終影響通信距離和容量。因此，高速長距離信息傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散第6頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)子午光線的傳播n0n1n2子午面：通過光纖中心軸的任何平面。子午線：位于子午面內(nèi)的光線。子午光線的入射光線、反射光線和分界面的法線三者均在子午面內(nèi)。要使光能完全限制在光纖內(nèi)傳輸，則應(yīng)使光線在纖芯－包層分界面上的入射角

大于或等于臨界角

0，即n2sin0＝n1，

≥0＝arcsin[n2/n1]或sin0=1－[n2/n1]2光纖的數(shù)值孔徑（NA）：NA＝n0sin0

＝n1－n222第7頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)光纖的特征參數(shù)1、光纖的數(shù)值孔徑（NA）sin0=NA=n0=n12;=n1－n2

2n12222、歸一化頻率V＝2a1

＝2a1n1

23、衰減系數(shù)＝10LlogPiP0dB/Km4、色散特性n1－n222n1－n222≈n1－n2n1相對折射率差：模間色散模式色散材料色散波導(dǎo)色散第8頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)光纖的損耗光纖的損耗吸收損耗散射損耗雜質(zhì)離子的吸收過渡族離子金屬OH－離子本征吸收紫外吸收紅外吸收制作缺陷本征散射及其他折射率分布不均勻芯－涂層界面不理想氣泡、條紋、結(jié)石瑞利散射布里淵散射喇曼散射第9頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)第三傳輸窗口第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)光纖損耗譜特性第10頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)外界因素引起的光纖系統(tǒng)的損耗1、彎曲引起的光纖損耗光纖的宏彎損耗微彎引起的光纖損耗2、光纖和光源的耦合損耗3、多模光纖和多模光纖的耦合損耗4、光纖種類不同對耦合損耗的影響光纖芯徑不同折射率不同5、單模光纖和單模光纖直接耦合的損耗第11頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)光纖與光源的耦合第12頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)光纖的色散在光纖中傳輸?shù)墓饷}沖，受到由光纖的折射率分布、光纖材料的色散特性、光纖中的模式分布以及光源的光譜寬度等因素決定的“延遲畸變”，使光脈沖波形在通過光纖后發(fā)生展寬。1、多模色散：2、波導(dǎo)色散：3、材料色散：4、偏振模色散：色散一般分為4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，即各模式以不同時刻到達光纖出射端而使脈沖展寬。由于某一傳播模的群速度對于光的頻率（或波長）不是常數(shù)，同時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。一般的單模光纖中都同時存在兩個正交模式。若光纖的結(jié)構(gòu)為完全的軸對稱，則這兩個正交偏振模在光纖中的傳播速度相同，即有相同的群延遲，故無色散。實際的光纖必然會有一些軸的不對稱，因而兩正交模有不同的群延遲，這種現(xiàn)象稱之為偏振模色散。第13頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)光纖器件光纖耦合器當兩光纖纖芯相互充分靠近時，通過包層中消逝場的互相滲透而產(chǎn)生光纖間能量的耦合，其中一部分變?yōu)閭鬏斈?，這就使得功率可以互易地從一根光纖轉(zhuǎn)換到另一根光纖中去，功率轉(zhuǎn)移比由纖芯距離和相互作用長度決定。制作光纖耦合器的方法：熔拉法和磨拋法磨拋型單模光纖定向耦合器第14頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)光纖偏振控制器利用彈光效應(yīng)改變光纖中的雙折射，以控制光纖中光波的雙折射。當光纖在x-z平面內(nèi)彎曲時，由于應(yīng)力作用，光纖折射率發(fā)生變化，n=nx－ny=－0.133[a/R]2a：為光纖半徑，R：為光纖彎曲半徑快軸位于彎曲平面內(nèi)，慢軸垂直于彎曲平面。因此利用彎曲光纖的雙折射效應(yīng)，可以制成波片，對于彎曲半徑為R的N圈光纖，如適當選擇N，R使得n2NR＝/m(m＝1，2，3……)則該光纖圈即成為/m波片

第15頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)PZT3dB耦合器3dB耦合器LL+L1243Mach-Zehnder光纖濾波器M－Z的傳輸特性:T1-3=cos2[/2]，T1-4=sin2[/2]，=2Lnf1C若有兩個頻率分別為f1和f2的光波從1端輸入，且f1和f2分別滿足：1＝2Lnf11C2＝2Lnf21C＝2m＝2[m＋1/2]m＝1,2,3,……則有：T1-3＝1，T1-4＝0f＝f1T1-3＝0，T1-4＝1f＝f2頻率間隔：fc＝2nLC＝(12)/(2nL)或：第16頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)Fabry－Perot光纖濾波器(fiberFabry-Perotfilter)PZT光纖PZT光纖光纖PZT光纖光纖光纖F－P腔(a)(b)(c)光纖波導(dǎo)腔FFPF光纖兩端面直接鍍高反射膜，腔長一般為厘米到米量級，因此自由譜區(qū)小?？諝庀肚籉FPF腔長一般小于10m，因此自由譜區(qū)較大。插入損耗也比較大。改進型波導(dǎo)腔FFPT可通過中間光纖波導(dǎo)段的長度來調(diào)整其自由譜區(qū)，其光纖長度一般為100m到幾厘米。第17頁，共19頁，2023年，2月20日，星期三光電子技術(shù)的主要應(yīng)用光纖光學(xué)FFPT一般用4個指標來衡量其性能：1、自由譜區(qū)(FSR,freespectrumrange)光濾波器的相鄰兩個透過峰之間的譜寬，既是光纖濾波器的調(diào)諧范圍。FSR＝1－2。2、細度N細度定義為：

FSR/。為光纖濾波器透過峰的半寬度。3、插入損耗反映了入射光波經(jīng)光纖濾波器后衰減的程度，損耗值為－10lg(P2/P1),P1,P2分別為入射和出射光功率。4、峰值透過率在光纖濾波器的峰值波長處測量的輸入光功率和輸出光功率之比。細度N的峰值透過率的表達式N=(1－)R1－(1－)R＝1－R－A1－R＋RA：反射鏡的吸收與散色因子，R：反射率，：腔內(nèi)損耗（包括光纖的吸收與反射損耗、彎曲損耗、光纖兩端面與反射鏡之間的耦合損耗等）。第18頁，共19