光纖光學(xué)教學(xué)課件第二講

1、 hust 2012 hust 20122021-10-211.1 引言1 1、什么是光纖光學(xué)？、什么是光纖光學(xué)？研究光波在光纖中傳播特性的科學(xué)。研究光波在光纖中傳播特性的科學(xué)。內(nèi)容包括：基本原理、技術(shù)及其相關(guān)的器件內(nèi)容包括：基本原理、技術(shù)及其相關(guān)的器件2 2、什么是光纖？、什么是光纖？介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)，充分約束光波的橫向傳輸（橫向沒介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)，充分約束光波的橫向傳輸（橫向沒有輻射泄漏），縱向?qū)崿F(xiàn)長距離傳輸。有輻射泄漏），縱向?qū)崿F(xiàn)長距離傳輸?；窘Y(jié)構(gòu)：纖芯、包層、套塑層基本結(jié)構(gòu)：纖芯、包層、套塑層 hust 2012 hust 20122021-10-21ntypical dimension

2、 for silica fibers:nsmf: 8 mm core, 125 mm claddingnmmf: 50, 62.5, 100 mm core, 125 mm claddingnindex profile:nstep vs. graded vs. multi-stepcladdingprimary coating(e.g., soft plastic) coresio2 glass hust 2012 hust 20122021-10-21纖芯與包層構(gòu)成光波導(dǎo)纖芯與包層構(gòu)成光波導(dǎo) 光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇?導(dǎo)波光：受到約束的光波 光波導(dǎo)三要素：“芯 / 包”結(jié)構(gòu)凸形折射率分布，

3、n1n2低傳輸損耗 hust 2012 hust 20122021-10-213、光纖光學(xué)所涉及的基本問題 光纖模式的激勵(lì)（光的入射）； 光纖中的模式分布（光線傳播軌跡）； 模式的傳播速度（光線的延遲）： 模式沿橫截面的分布； 光信號的畸變； 傳輸損耗； 模式的偏振特性； 模式的耦合。a.理論研究所涉及到的方面： hust 2012 hust 20122021-10-21b.光纖技術(shù)所涉及到的方面： 參數(shù)測試技術(shù)； 自聚焦、準(zhǔn)直技術(shù)（聚焦透鏡）； 連接、耦合技術(shù)（光纖光纖、半導(dǎo)體器件、耦合器）； 隔離、偏振控制技術(shù)（隔離器、偏振控制器）； 傳感技術(shù)（傳感器）。 hust 2012 hust 2

4、0122021-10-21c.光纖器件所涉及到的方面：自聚焦透鏡； 光纖耦合器； 光學(xué)隔離器、光學(xué)環(huán)形器； 光纖光柵； 光纖放大器與光纖激光器。 hust 2012 hust 20122021-10-21光纖光學(xué)的研究方法幾何光學(xué)方法：幾何光學(xué)方法： 光纖芯徑遠(yuǎn)大于光波波長0時(shí), 可以近似認(rèn)為00，從而將光波近似看成由一根一根光線所構(gòu)成, 因此可采用幾何光學(xué)方法來分析光線的入射、傳播(軌跡) 以及時(shí)延(色散) 和光強(qiáng)分布等特性，這種分析方法即為光線理論。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：簡單直觀，適合于分析芯徑較粗的多模光纖。簡單直觀，適合于分析芯徑較粗的多模光纖。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能解釋諸如模式分布、包層模、模式耦合

5、以及光場分不能解釋諸如模式分布、包層模、模式耦合以及光場分布等現(xiàn)象，分析單模光纖時(shí)結(jié)果存在很大的誤差。布等現(xiàn)象，分析單模光纖時(shí)結(jié)果存在很大的誤差。 hust 2012 hust 20122021-10-21波動(dòng)光學(xué)方法：波動(dòng)光學(xué)方法： 是一種嚴(yán)格的分析方法，從光波的 本質(zhì)特性電磁波出發(fā)，通過求解電磁波所遵從的麥克斯韋方程，導(dǎo)出電磁波的場分布。優(yōu)點(diǎn)：具有理論上的嚴(yán)謹(jǐn)性，未做任何前提近似，因此適用于各種折射率分布的單模和多模光纖。缺點(diǎn)：分析過程較為復(fù)雜。 hust 2012 hust 20122021-10-21光纖光學(xué)的研究方法比較幾何光學(xué)方法波動(dòng)光學(xué)方法適用條件dd研究對象光線模式基本方程射線

6、方程波導(dǎo)場方程研究方法折射/反射定理邊值問題研究內(nèi)容光線軌跡模式分布 hust 2012 hust 20122021-10-211.2 光纖的分類光纖的分類 按用途進(jìn)行分類 按纖芯的折射率分布進(jìn)行分類 按光纖中的傳輸模式進(jìn)行分類 hust 2012 hust 20122021-10-21光纖按用途分類： 通信用光纖通信用光纖 高速率高速率dwdmdwdm系統(tǒng)、低速率的局域網(wǎng)系統(tǒng)、低速率的局域網(wǎng) 有源光纖、高非線性光纖、色散管理光纖、大有源光纖、高非線性光纖、色散管理光纖、大有效面積光纖、光子晶體光纖、多包層光纖有效面積光纖、光子晶體光纖、多包層光纖 非通信用的光纖非通信用的光纖 傳感光纖、傳光

7、光纖、傳像光纖、特殊用途光傳感光纖、傳光光纖、傳像光纖、特殊用途光纖纖 hust 2012 hust 20122021-10-21acrylate-coatinglow index silica-air claddinghigh index silica core hust 2012 hust 20122021-10-21acrylate-coatingbendgap silica-air claddinglow index air core hust 2012 hust 20122021-10-21multi-stack mirror is 1d photonic bandgap devic

8、ecartoon picture of light guidance in bgfnlownhighbragg law(1st order)2 sin constructive interference total reflection for centred around judicious choice of nlow, nhigh and1915 hust 2012 hust 20122021-10-21forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles cartoon picture of

9、 light guidance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles cartoon picture of light guidance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles cartoon picture of light gui

10、dance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles cartoon picture of light guidance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21bragg conditions fulfilled bragg conditions unfulfilledbragg conditions fulfilledthe structure of the cladding an

11、d its scale dictate the “colour” and spectral width of the guided light output end of different hc-pcfs illuminated with white lightcartoon picture of light guidance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21光纖按纖芯折射率分布分類：a. 階躍折射率分布光纖（siof）n( r ) = n1 ( 0 r a ) n2 ( r a ) （纖芯中）（包層中）b. 漸變折射率分布光纖（giof）n( r )

12、 = )0(121211arang)(2arn12112221222122212nnnnnnnnnn其中是相對折射率差，g是折射率參數(shù)，g：階躍光纖，g=2：平方分布光纖。21121garn2122212nnn hust 2012 hust 20122021-10-21basic step-index (si) fiberrefractiveindex (n)diameter (r)claddingprimary coating(e.g., soft plastic) core1.4801.460sio2 glass140 mm100 mm hust 2012 hust 20122021-10

13、-21corerefractive indexeffectivecladdingfundamental modehigher-order mode hust 2012 hust 20122021-10-21gradient-index (gi) fiber1.4751.460nr hust 2012 hust 20122021-10-21什么是光纖的模式？什么是光纖的模式？光場在光纖橫截面上的分布。光場在光纖橫截面上的分布。橫模橫模光纖傳輸模式分類：單模光纖：只允許一個(gè)模式傳輸?shù)墓饫w；多模光纖：光纖中允許兩個(gè)或更多的模式傳播。傳輸?shù)哪Ｊ娇倲?shù)：2)2(2vggmv為歸一化頻率，221022210

14、nannakv階躍單模光纖的的確切判據(jù)：v 2.405 hust 2012 hust 20122021-10-21single-mode fiber (smf) step-index type with very small core most common design: 9/125 mm or 10/125 mm, na 0.1 bitrate x distance product: up to 1000 gb/s km(limited by cd and pmd - see next slides)nr1.4651.460 hust 2012 hust 20122021-10-21光纖的

15、設(shè)計(jì)與制作 hust 2012 hust 20122021-10-21如何改善光纖的傳輸特性：減少如何改善光纖的傳輸特性：減少ohoh- - ，降低損耗；，降低損耗； 改變芯經(jīng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，色散位移；改變芯經(jīng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，色散位移； 改變折射率分布，降低非線性。改變折射率分布，降低非線性。石英為基本材料：纖芯摻入geo2和p2o5 n 增加 纖芯摻入b2o3 n 減少設(shè)計(jì)問題： （1）折射率剖面分布 （2）摻雜濃度 （3）纖芯與包層尺寸并綜合考慮：損耗、色散、色散斜率、有效面積、宏彎特性、pmd等 hust 2012 hust 20122021-10-211、制備預(yù)制棒、制備預(yù)制棒方法：改進(jìn)的化學(xué)

16、汽相沉積法modified chemical-vapor deposition(mcvd) 軸外汽相沉積法 outside-vapor deposition(ovd) 軸向汽相沉積法vapor-axial deposition(vad) 等離子體化學(xué)汽相沉積法plasma chemical-vapor deposition(pcvd) hust 2012 hust 20122021-10-21改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法 (mcvd)(mcvd)貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，可用于制造低損耗梯度折射率光纖貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，可用于制造低損耗梯度折射率光纖 玻璃粉層沉積玻璃粉層沉積初步燒結(jié)初步燒結(jié)加強(qiáng)

17、熱成實(shí)心棒加強(qiáng)熱成實(shí)心棒燒結(jié)后，纖芯由汽相沉積材料構(gòu)成，包層由原始的石英管構(gòu)成燒結(jié)后，纖芯由汽相沉積材料構(gòu)成，包層由原始的石英管構(gòu)成反應(yīng)物質(zhì)金屬鹵化物蒸汽+氧氣粉塵狀生成物排氣口sio2餌管 燒結(jié)后的玻璃粉層沉積物來回移動(dòng)的噴燈h-o hust 2012 hust 20122021-10-21mcvd光纖預(yù)制棒設(shè)備 hust 2012 hust 20122021-10-21等離子體活性化學(xué)汽相沉積法 (pcvd)熔融石英管sicl4 + o2 + 參雜物質(zhì)反應(yīng)物質(zhì)排氣口低壓工作的等離子體玻璃層快速來回移動(dòng)的微波諧振腔 (2.45 ghz，8米/分鐘)10001200度飛利浦提出1978年應(yīng)用于

18、量產(chǎn)直接玻璃沉積不需高溫?zé)Y(jié)反應(yīng)管不易變形可快速移動(dòng)，沉積厚度減少，有利于控制折射率分布 hust 2012 hust 20122021-10-21汽相氧化法：外部汽相氧化法汽相氧化法：外部汽相氧化法 (ovpo)(ovpo)o2+sicl4+gecl4蒸汽餌棒粉層狀預(yù)制棒噴嘴玻璃微粒粉層沉積粉狀預(yù)制棒剖面芯包層粉狀預(yù)制棒加熱爐 1400度玻璃預(yù)制棒預(yù)制棒燒結(jié)拉制光纖加熱爐玻璃預(yù)制棒1970年 康寧 第一根損耗小于20 db/km的光纖 hust 2012 hust 20122021-10-21汽相軸向沉積法汽相軸向沉積法 (vad)(vad)推進(jìn)機(jī) 馬達(dá)馬達(dá)輸送桿透明預(yù)制棒容器環(huán)狀加熱器疏松的預(yù)制棒真空泵紅外熱成像儀玻璃微粒反應(yīng)室 噴燈口優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1. 預(yù)制棒不再具有空洞預(yù)制棒不再具有空洞2. 預(yù)制棒可以任意長預(yù)制棒可以任意長3. 沉積室和熔融室緊密沉積室和熔融室緊密 相連，可以保證制作相連，可以保證制作 環(huán)境清潔環(huán)境清潔4. 沒有使用氫氧焰，單沒有使用氫氧焰，單 模光纖所含的模光纖所含的oh- 較較 低，因此損耗較低在低，因此損耗較低在 0.20.4 db/km1977年日本開發(fā) hust 2012 hust 20122021-10-21 hust 2012 hust 20122021-10-212、 拉絲拉絲heat (2000c-2200c