光纤光学光纤特性课件.pptx

1、12可以将具有波粒二象性的特定波段电磁波以一定特有形式在其中传播的硅基介质材料Optical Fiber光导纤维3用介质光波导可以实现对光的空间约束与定向引导1841，Daniel Colladonlens451880年 贝尔发明了光电话亚历山大贝尔光通信光通信传输介质传输介质光源光源6Light Pipe1881，William Wheeler71960，Theodore Maiman世界上第一台激光器81966年，高锟博士就光纤传输的前景发表了划时代意义的论文，指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,奠定

2、了现代光通信光纤通信的基础。提出了低损耗光纤的预测。Charles K.Kao91927年，第五届索尔维会议10Albert Einstein11Werner Heisenberg12Erwin Schrdinger13Michael Faraday141970年美国康宁公司用高纯石英生产出世界上第一根低耗损率光纤,损耗为20dB/km15康宁的未来生活 I康宁的未来生活 II161970年，美国Corning，OVD，20dB/km，4dB/km 1974年，美国AT&T，MCVD，性能更优越1976年，荷兰Philips，PCVD，性能相当1979年，整体水平：0.33dB/km 1.31

3、微米,0.2dB/km 1.55微米1988年，大西洋海底光缆铺设并开通172005 年，FTTH(Fiber To The Home)光纤入户2012年，中国的光纤产能已达到1亿2千万芯公里18v损耗损耗低低v传输容量传输容量大大v重量轻，体积重量轻，体积小小v成本低成本低v抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，保密性抗电磁干扰，不易串音，抗雷击，保密性强强v柔性结构柔性结构光光 纤纤 优优 势势19光纤技术有源无源器件光纤通信干线光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM 位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度可以测量70 多个物理化学量 广告显示牌 激光手

4、术刀 仪表照明 工艺装饰 电力输送 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜 光子集成 光电子集成 集成光路 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块信息获取信息传输信息处理其它应用课程内容20主要参考书21廖延彪，廖延彪，光纤光学原理与应用光纤光学原理与应用，清华大学出版社，清华大学出版社，2001刘德明等，光纤光学（第二版），北京：科学出版社，2008G.P.Agrawal,Nonlinear Fiber Optics.2001,New York:Academic Press22光纤的结构光纤的分类光纤的模式光纤的数值孔径光纤的损耗光纤的色散光纤的双折射（偏振）特性23光纤的结构光纤的结构231

5、)位置：光纤的中心部位2)尺寸：直径d1=4 50 m3)材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯折射率(n1)，以传输光信号纤芯纤芯24包层包层1)位置：位于纤芯的周围2)尺寸：直径d2=125 m3)材料：高纯度SiO2，极少量掺杂剂(如B2O3)的作用则是 适当降低包层折射率(n2)，使之略低于纤芯折射 率，使得光信号能约束在纤芯中传输251)位置：位于光纤的最外层2)尺寸：涂覆后的光纤外径约为250900 m3)结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a)一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b)缓冲层一般为性能良好的填充油膏(防

6、水)c)二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物4)作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用涂覆层涂覆层26光纤的结构光纤的分类光纤的模式光纤的数值孔径光纤的损耗光纤的色散光纤的双折射（偏振）特性27光纤的分类光纤的分类 光纤按纤芯和包层材料性质分：石英光纤、塑料光纤、特殊材料光纤 按传播模式分：多模光纤和单模光纤 按折射率分：阶跃型和渐变型ITU-T官方定义G.651光纤(渐变型多模光纤)G.652光纤(常规单模光纤)G.653光纤(色散位移光纤)G.654光纤(衰减最小光纤)G.655光纤(非零色散位移光纤)28光纤的结构光纤的分类光纤

7、的模式光纤的数值孔径光纤的损耗光纤的色散光纤的双折射（偏振）特性29光纤的模式光纤的模式单模光纤(Single Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式传播什么样的模式可以存在？30James Clerk Maxwell1831-1879英国 爱丁堡31上述场在边界条件下的分布与边值关系静电场有源变化的电场可以产生磁场磁场是无源的变化的磁场可以产生感应电场1232高等光学高等光学33电磁波导模式0BDDJHBEtt麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组光纤中没有电流和自由电荷光纤中没有电流和自由电荷00BDDHBEttE 电场强

8、度；D 电感矢量；H 磁场强度；B 磁感强度J 电流密度；自由电荷密度各项同性介质各项同性介质D=eEB=mH34简化的波动方程02222EEcn0112022222222EEEEEknz柱坐标系下柱坐标系下选择选择Ez作为独立分量作为独立分量 ziimFAEzexpexp citi2exp0EE单色光单色光022220222FmknddFdFdanann21贝塞尔函数的微分形式贝塞尔函数的微分形式 mmCCFNJ21通解通解2122021kn aFmJ aKFm2120222kn35模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征按分布形式，模式可以分为以下几种类型：1.横电模横电模(TE)：z方向上

9、的电场分量为0，或电场分量垂直于z2.横磁模横磁模(TM)：z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z3.混合模混合模(HE or EH)：z方向上的电场和磁场都不为0 HE(Ez Hz)相反 EH(Ez Hz)3637传播常数 传播常数是描述光纤中各模式传输特性的一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。k0n2 k0n1 当k0n2时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模截止。当=k0n2时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。3838光纤单模的条件光纤单模的条件VVc=2.45639当V

10、2.405时，光纤只支持一个模式，即单模。减小 V 的一个途径就是减小光纤半径 a。故单模光纤半径比多模光纤小。22210nnakV0 1 2 3 4 5 6 n1/k0 n2HE11TE01HE12HE41HE31TE01HE21HE22EH11TM01TM02EH2140光纤的结构光纤的分类光纤的模式光纤的数值孔径光纤的损耗光纤的色散光纤的双折射（偏振）特性41数值孔径（数值孔径（NA）：）：光线能进入纤芯的最大圆锥的半顶角的正弦，乘以圆锥顶所在介质的折射率。00sinnNANA是衡量光纤的主要参数。它表示无论光源发射功率多大，只有2c张角内的光才能被光纤接收、传播(全反射)；入射角超出这

11、个范围，进人光纤的光线便会进人包层而散失。数值孔径42光纤的结构光纤的分类光纤的模式光纤的数值孔径光纤的损耗光纤的色散光纤的双折射（偏振）特性43光纤的损耗光纤的损耗 光纤的损耗决定了光信号在光纤中被增强之前可传输的最大距离最大距离。光纤光纤 即便是在理想的光纤中都存在损耗本征损耗。44光纤损耗固有损耗使用损耗材料损耗波导损耗工艺缺陷本征吸收：纯SiO2吸收使用阶段（使用附加损耗）成缆阶段（光缆附加损耗）杂质吸收瑞利散射：微观不均匀性其它有用掺杂有害掺杂模式损耗:场分布不集中在纤芯层耦合损耗:模式耦合成辐射模或高次模应力微弯芯包截面不规则折射率纵向不均匀微裂纹气泡纵向横向微裂纹应力微弯附加损耗

12、外力弯曲温度变化水侵蚀红外吸收紫外吸收45吸收损耗原子缺陷吸收：由于光纤材料的原子结构的不完整造成非本征吸收：由金属离子和氢氧根离子(OH)等杂质对光 的吸收而产生的损耗本征吸收：材料本身(如SiO2)的特性决定，即便波导结 构非常完美而且材料不含任何杂质也会存在 本征吸收 46原子缺陷吸收光纤晶格很容易在光场的作用下产生振动光纤制造过程中，光纤材料受到某种热激励或光辐射时发生某个共价键断裂导致原子缺陷。吸收光能，引起损耗47光纤制造过程引入的有害杂质带来较强的非本征吸收解决方法：解决方法：(1)光纤材料化学提纯，比 如达到 99.9999999%的 纯度OH和金属离子，如铁、钴、镍、铜、锰、

13、铬等(2)制造工艺上改进，如避 免使用氢氧焰加热(汽 相轴向沉积法)非本征吸收48散射损耗光纤的密度和折射率分布不均及结构上的不完善导致散射现象1.波导散射-纤芯和包层的界面不完备-圆度不均匀-残留气泡和裂痕等2.瑞利散射（本征散射）波导在小于光波长尺度上的不均匀：-分子密度分布不均匀-掺杂分子导致折射率不均匀导致波导对入射光产生本征散射49瑞利散射在光纤损耗测量中的应用50光纤损耗的计算LinoutePP光信号在均匀光纤中传播时，其功率随距离L的增加呈指数衰减：可以通过损耗系数来衡量光纤链路的损耗特性：其中L为光纤长度。dB/kmlog10outindBPPL51523dB50%3dB耦合器

14、100%50%50%10dB常用的损耗值常用的损耗值90%20dB 99%30dB 99.9%53OH-吸收峰各个波长光的传输损耗各个波长光的传输损耗54弯曲损耗宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲消逝场 cR CladdingCore场分布55弯曲损耗与模场直径的关系P包层1 P包层2Loss模场直径小 Loss模场直径大Loss低阶模 Loss高阶模5556微弯：微米级的高频弯曲微弯的原因：光纤的生产过程中的带来的不均成缆时受到压力不均使用过程中由于光纤各个部分热胀冷缩的不同导致的后果：造成能量辐射损耗高阶模功率损耗低阶模功率耦合到高阶模与宏弯的情况相同，模场直径大的模式容易发生宏弯损耗

15、5657光纤的结构光纤的分类光纤的模式光纤的数值孔径光纤的损耗光纤的色散光纤的双折射（偏振）特性58色散几列波在媒质中传播，它们的频率不同，传播速度亦不同，这种现象叫色散，在物理学中，把凡是与波速、波长有关的现象，叫作色散。59光纤在光纤中传输的光脉冲，受到光纤的折射率分布，光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素影响，产生“延迟畸变”，使得该脉冲波形在通过光纤后发生展宽，这一效应称为“光纤的色散”。模式色散，材料色散，波导色散，偏振模色散模式色散，材料色散，波导色散，偏振模色散59光纤的色散60材料色散在同一介质中，不同波长的光行进速度不同61波导色散信号光处于纤芯的部分和处于包层的部分具有

16、不同的传播速度光纤总色散是波导色散和材料色散的总和光纤总色散是波导色散和材料色散的总和62模式色散多模光纤中不同模式具有不同的传播路径导致的色散t1t2t3t06350m125mnrnrn1阶跃型阶跃型(step-index)光纤光纤渐变型渐变型(graded-index)光纤光纤50m125m64横截面2a2brn折射率分布纤芯包层AitAot(a)输入脉冲光线传播路径输出脉冲50 mm125mmrnAitAot(b)10 mm125mmrnAitAot(c)65偏振模色散（PMD）单模光纤能够维持沿x，y两个正交方向偏振的简并模。双折射效应导致了偏振模色散光纤的双折射的变化是光纤的双折射的

17、变化是随机随机的，群速度也是随机变化的，因此的，群速度也是随机变化的，因此脉冲在光纤输出端变宽，这种现象称为脉冲在光纤输出端变宽，这种现象称为偏振模色散偏振模色散（PMD）66光纤的结构光纤的分类光纤的模式光纤的数值孔径光纤的损耗光纤的色散光纤的双折射（偏振）特性67光纤产生双折射的原因纤芯的椭圆度引起的双折射68应力引起的双折射弯曲引起的双折射扭曲引起的双折射外场引起的双折射69保偏光纤69在光纤中引入在光纤中引入大量大量双折射，因此微小的，随机的双双折射，因此微小的，随机的双折射引起的折射率起伏不会严重影响光的偏振。折射引起的折射率起伏不会严重影响光的偏振。基于应力双折射效应70基于几何双折射效应71学期作业学期作业1.找自己的导师或者同组的师兄，深入了解组内的研究方向和研究成果。2.将所整理的研究方向和研究成果制作成PPT（素材太多可以选择感兴趣的成果）。3.在课堂上做Presentation，要求，英文演讲，每人1015分钟。4.时间：12月2号开始72Matt Might为什么读研究生，为什么要搞科研为什么读研究生，为什么要搞科研University of Utah 73747576777879808182838485