光波在光纖波導(dǎo)中傳輸

1、光波在光纖波導(dǎo)中傳輸光波在光纖波導(dǎo)中傳輸光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.1.1 斯奈爾定律和全反射斯奈爾定律和全反射 1. 光的反射和折射光的反射和折射 把筷子傾斜地插入水中，可以看到筷子與水面的相交處發(fā)生把筷子傾斜地插入水中，可以看到筷子與水面的相交處發(fā)生彎折，原來的一根直直的筷子似乎變得向上彎了。這就是光彎折，原來的一根直直的筷子似乎變得向上彎了。這就是光的折射現(xiàn)象的折射現(xiàn)象 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 水下的潛水員在某些位置時，他可以看到岸上的人，如圖入水下的潛水員在某些位置時，他可以看到岸上的人，如圖入射角為射角為 i1 的情況，但是

2、當他離開岸邊向遠處移動時，當入的情況，但是當他離開岸邊向遠處移動時，當入射角等于或大于某一角度射角等于或大于某一角度 c時，他就感到晃眼，什么也看不時，他就感到晃眼，什么也看不見。此時的入射角見。此時的入射角 c我們就叫臨界角。我們就叫臨界角。 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.1.3 光波從折射率較大的介質(zhì)入射進入折射光波從折射率較大的介質(zhì)入射進入折射率較小的介質(zhì)，在邊界反射和折射率較小的介質(zhì)，在邊界反射和折射光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.1.1 斯奈爾定律和全反射斯奈爾定律和全反射t2i1sinsinttBA1221tisinsinn

3、n從幾何光學我們可以得到（見圖左上角小圖）從幾何光學我們可以得到（見圖左上角小圖）或者或者這就是斯奈爾（這就是斯奈爾（Snell）定律，）定律，它表示入射角和折射角與介質(zhì)折射率的關(guān)系。它表示入射角和折射角與介質(zhì)折射率的關(guān)系。該定律由該定律由Fresnel 發(fā)明。發(fā)明。A A BBtiV1tV2t光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.1.4 光波從折射率較大的介質(zhì)以三種不同的入射角光波從折射率較大的介質(zhì)以三種不同的入射角進入折射率較小的介質(zhì)進入折射率較小的介質(zhì),出現(xiàn)三種不同的情況出現(xiàn)三種不同的情況（a） i c 當透射角達到當透射角達到90時，入射光沿交界面向前傳播，如圖

4、（時，入射光沿交界面向前傳播，如圖（b）所示，此時）所示，此時的入射角稱為臨界角的入射角稱為臨界角;當入射角超過臨界角（當入射角超過臨界角（ i c ）時，沒有透射光，只有反射光，這種現(xiàn)）時，沒有透射光，只有反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射，全反射就是光纖波導(dǎo)傳輸光的必要條件。象叫做全反射，全反射就是光纖波導(dǎo)傳輸光的必要條件。 2c1sinnn光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 光纖波導(dǎo)光纖波導(dǎo)傳輸光的原傳輸光的原理理光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.1.2 內(nèi)內(nèi)/外反射外反射1. TE波、波、TM波、消逝波和線偏振波、消逝波和線偏振 在節(jié)中在節(jié)中,已用具有

5、恒定相位波前的光線光學解已用具有恒定相位波前的光線光學解釋了光在介質(zhì)中的反射和折射，但是為了獲釋了光在介質(zhì)中的反射和折射，但是為了獲得反射和折射波的幅度和它們之間的相位關(guān)得反射和折射波的幅度和它們之間的相位關(guān)系，我們必須考慮光波中的電場。該電場必系，我們必須考慮光波中的電場。該電場必須垂直于傳輸?shù)姆较?，如圖所示，并可分解須垂直于傳輸?shù)姆较?，如圖所示，并可分解位與入射平面垂直的電場分量和平行的磁場位與入射平面垂直的電場分量和平行的磁場分量。入射平面是包含入射光線和反射光線分量。入射平面是包含入射光線和反射光線的平面，電場和磁場分量分別有入射波、反的平面，電場和磁場分量分別有入射波、反射波和折射波

6、分量。射波和折射波分量。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.1.5 光波從折射率較大的介質(zhì)進入較小的光波從折射率較大的介質(zhì)進入較小的介質(zhì)介質(zhì),電場與傳輸方向正交電場與傳輸方向正交,并可分解為與入射面并可分解為與入射面垂直的電場分量和平行的磁場分量垂直的電場分量和平行的磁場分量光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 菲涅耳方程菲涅耳方程 利用電磁波從介質(zhì)利用電磁波從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)傳播到介質(zhì)2的邊界條件，我們很的邊界條件，我們很容易獲得反射波和折射波幅度的表達式，這些關(guān)系式容易獲得反射波和折射波幅度的表達式，這些關(guān)系式叫菲涅耳方程。電場的反射和折射系數(shù)是叫

7、菲涅耳方程。電場的反射和折射系數(shù)是21i22i21i22iio,ro,sincossincosnnEEr21i22iiio,to,sincoscos2nEEt這些方程的重要意義在于，反射波和透射波的幅度和相這些方程的重要意義在于，反射波和透射波的幅度和相位可用反射系數(shù)和透射系數(shù)來描述位可用反射系數(shù)和透射系數(shù)來描述. 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 偏振角或布魯斯特（偏振角或布魯斯特（Brewster）角）角 偏振角或布魯斯特角，由下式給出偏振角或布魯斯特角，由下式給出 （）（） 此時的反射光稱為線偏振光，因為此時的光波只此時的反射光稱為線偏振光，因為此時的光波只有在一個確

8、定平面內(nèi)的電場分量，并與入射平面有在一個確定平面內(nèi)的電場分量，并與入射平面和傳輸方向垂直。和傳輸方向垂直。 然而非偏振光的電場卻有無數(shù)個與傳輸方向垂直然而非偏振光的電場卻有無數(shù)個與傳輸方向垂直的電場分量。從許多光源發(fā)射的光，例如鎢燈或的電場分量。從許多光源發(fā)射的光，例如鎢燈或LED二極管是非偏振光。非偏振光可認為是一束二極管是非偏振光。非偏振光可認為是一束光或一些垂直于光傳輸方向隨機發(fā)射的電磁波的光或一些垂直于光傳輸方向隨機發(fā)射的電磁波的集合。集合。12ptannn光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 000.70.10.30.90.50.20.40.81.00.68010 2

9、050 6030 407090prc/ri入射角相對反射系數(shù)幅度44. 11n00. 12n(度)電場磁場全反射008010 2050 6030 407090-120-60-180-90-30-150301206018090150i入射角pc/44. 11n00. 12n相位變化(度)(度)磁場電場全反射圖圖2.1.6 在內(nèi)反射時由菲涅耳方程得出的反射系數(shù)在內(nèi)反射時由菲涅耳方程得出的反射系數(shù)幅度和相位變化與入射角的關(guān)系幅度和相位變化與入射角的關(guān)系光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.1.7 在外反射在外反射時由菲涅時由菲涅耳方程得耳方程得出的反射出的反射系數(shù)幅度系數(shù)幅度

10、與入射角與入射角的關(guān)系的關(guān)系光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.1.8 入入射角等于射角等于布魯斯特布魯斯特角角 p時只有時只有一個垂直一個垂直于入射平于入射平面的反射面的反射光電場分光電場分量量光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 光強、反射率和透射率光強、反射率和透射率 光強光強I與光波傳輸?shù)乃俣群碗妶龇扔嘘P(guān)與光波傳輸?shù)乃俣群碗妶龇扔嘘P(guān) （）（） 反射率反射率R用反射光的強度和相對應(yīng)入射光的強度之比來度用反射光的強度和相對應(yīng)入射光的強度之比來度量，法線入射的反射率只與介質(zhì)的折射率有關(guān)量，法線入射的反射率只與介質(zhì)的折射率有關(guān)（）（） 因為玻璃的折

11、射率約為因為玻璃的折射率約為1.5，所以光從空氣，所以光從空氣-玻璃界面反射玻璃界面反射將有將有4 %的光被反射回來。的光被反射回來。 （）（）而且反射光和透射光之和必須等于而且反射光和透射光之和必須等于1。2oor21EI22121/nnnnRRR1 2/2124()n nTTTnn光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.1.9 鍍抗反射鍍抗反射膜以減少膜以減少反射光強反射光強度度 當光入射到光電器件的表面時總會有一些光當光入射到光電器件的表面時總會有一些光被反射回來，除增加耦合損耗外，還會對系被反射回來，除增加耦合損耗外，還會對系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，為此需要在器件表面鍍

12、統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響，為此需要在器件表面鍍一層電介質(zhì)材料，以便減少反射。一層電介質(zhì)材料，以便減少反射。 2.1.3 抗反射膜抗反射膜光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 抗反射膜抗反射膜 工作原理工作原理光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.1.4 古斯古斯-漢森相移和分光鏡漢森相移和分光鏡圖圖2.1.10 全反射時反射光線在界面橫移了全反射時反射光線在界面橫移了 z（古斯（古斯-漢森相移）漢森相移）光波從折射率較光波從折射率較大的介質(zhì)以大的介質(zhì)以 的入射角進入折的入射角進入折射率射率 較小的介質(zhì)較小的介質(zhì)時將出現(xiàn)全反射，時將出現(xiàn)全反射，而且開始反射點而且開始反

13、射點就是入射光線與就是入射光線與界面的接觸點，界面的接觸點，如圖的如圖的b光線。光線。但是仔細的觀測但是仔細的觀測發(fā)現(xiàn)，在同樣的發(fā)現(xiàn)，在同樣的入射角下，反射入射角下，反射光線向光線向z方向移動方向移動了一點距離變成了一點距離變成了了c光線，反射光線，反射平面變成了在稀平面變成了在稀疏介質(zhì)中的虛平疏介質(zhì)中的虛平面。面。ci光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.1.11 當介質(zhì)當介質(zhì) B 很薄時很薄時,入射光束從入射光束從 A穿透穿透 B 到達到達C (光學隧道效應(yīng)光學隧道效應(yīng))在圖的全反射情況下，當減小介質(zhì)在圖的全反射情況下，當減小介質(zhì)B的厚度足夠薄時，如圖所示，消逝波穿

14、的厚度足夠薄時，如圖所示，消逝波穿透介質(zhì)透介質(zhì)B，出現(xiàn)在介質(zhì)，出現(xiàn)在介質(zhì)C，這種反射光被部分透射出去的現(xiàn)象稱為光學隧，這種反射光被部分透射出去的現(xiàn)象稱為光學隧道效應(yīng)（道效應(yīng)（Optical Tunneling）。）。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.1.12 光束入射到玻璃棱鏡光束入射到玻璃棱鏡的斜邊發(fā)生全反射的斜邊發(fā)生全反射ir2n入射光反射光21nnciAC1nA光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 ir1n2n入射光反射光21nnciABC1n透射光低折射率薄膜圖圖1.3.13 用光學隧道效應(yīng)阻止用光學隧道效應(yīng)阻止全反射的原理制成的分光鏡全反射

15、的原理制成的分光鏡兩個三角棱鏡兩個三角棱鏡A和和C被一層低被一層低折射率薄膜折射率薄膜B分開，此時分開，此時A中的一些光線中的一些光線穿過薄膜穿過薄膜B進進入入C，然后從，然后從立方棱鏡出去。立方棱鏡出去。由于由于A鏡斜面鏡斜面阻止全反射的阻止全反射的作用，導(dǎo)致產(chǎn)作用，導(dǎo)致產(chǎn)生透射光束，生透射光束，因此入射光束因此入射光束被分成兩束。被分成兩束。兩種光束能量兩種光束能量分配的比例取分配的比例取決于薄膜層厚決于薄膜層厚度和它的折射度和它的折射率。率。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.2 平板介質(zhì)波導(dǎo)平板介質(zhì)波導(dǎo)2.2.1 光波在波導(dǎo)中傳輸?shù)臈l件光波在波導(dǎo)中傳輸?shù)臈l件全反射

16、和相長干涉全反射和相長干涉 為了理解光纖的傳輸理論，我們先來分析光線在對稱平板電為了理解光纖的傳輸理論，我們先來分析光線在對稱平板電介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播，如圖所示。由于波導(dǎo)芯的折射率大于包介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播，如圖所示。由于波導(dǎo)芯的折射率大于包層的折射率，所以光在平面電介質(zhì)波導(dǎo)界面處發(fā)生全反射。層的折射率，所以光在平面電介質(zhì)波導(dǎo)界面處發(fā)生全反射。取電場取電場 E 方向為沿方向為沿 x 軸、平行于界面并垂直于軸、平行于界面并垂直于z 軸。光線以軸。光線以 z 字形沿字形沿 z 軸向前傳播，并在芯和包層界面處（如軸向前傳播，并在芯和包層界面處（如B和和C點）點）全反射。圖中用細實線表示出光線恒定的相位波前

17、，它垂直全反射。圖中用細實線表示出光線恒定的相位波前，它垂直于傳輸方向。于傳輸方向。 光線在光線在C點反射后，反射光線波前正好與在點反射后，反射光線波前正好與在A點的起始光線點的起始光線波前重疊，如果它們不同相，這兩束光線將相消干涉，相互波前重疊，如果它們不同相，這兩束光線將相消干涉，相互抵消。抵消。 因此只有特定的反射角因此只有特定的反射角 能夠發(fā)生相長干涉，由此可見，只能夠發(fā)生相長干涉，由此可見，只有一定的波才能在波導(dǎo)中存在。有一定的波才能在波導(dǎo)中存在。yzxn1d=2an2n2BC n1n2AEkk1光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.2.1 在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠?/p>

18、必須與它自己相在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ū仨毰c它自己相長干涉長干涉,否則相消干涉就不會建立起傳輸光場否則相消干涉就不會建立起傳輸光場光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 滿足波導(dǎo)相長干涉的波導(dǎo)條件式滿足波導(dǎo)相長干涉的波導(dǎo)條件式 很顯然，對于給定的很顯然，對于給定的m，只有一定的，只有一定的 和和 值才值才能滿足式（）能滿足式（）（）（） 與與 有關(guān)，也與光波的偏振態(tài)有關(guān)。因此對于每有關(guān)，也與光波的偏振態(tài)有關(guān)。因此對于每個個m 值，將允許有一個值，將允許有一個 m和一個相對應(yīng)的和一個相對應(yīng)的 m。因因 ， d = 2a， 所以滿足波導(dǎo)相長干所以滿足波導(dǎo)相長干涉的波導(dǎo)條件式（）變成（）涉的

19、波導(dǎo)條件式（）變成（）（）（）112 nk cos)2(21manmm1cosk dm0, 1, 2,m 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.2.2 m = 0基模沿波導(dǎo)基模沿波導(dǎo) y 方向的電場分布，方向的電場分布，通常入射角通常入射角 = 90o，沿，沿 z 軸的相速度最大軸的相速度最大光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.2.3 三種模式的波沿波導(dǎo)三種模式的波沿波導(dǎo)y方向的電場分布，方向的電場分布，m越大光場進入包層越深，消逝波以指數(shù)衰減越大光場進入包層越深，消逝波以指數(shù)衰減 n1n2n2n1n2ym = 0m = 1m = 2E( )y

20、包層包層芯消逝波光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.2.4 光脈沖進入波導(dǎo)后分裂成各種模式的波，光脈沖進入波導(dǎo)后分裂成各種模式的波，以不同的群速度向前傳輸，以不同的群速度向前傳輸，在波導(dǎo)輸出端重新復(fù)合構(gòu)成展寬的輸出光脈沖在波導(dǎo)輸出端重新復(fù)合構(gòu)成展寬的輸出光脈沖n2n2n1n2包層包層芯t光強高階模低階模t光強展寬光脈沖光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 傳輸常數(shù)傳輸常數(shù) ，模數(shù)模數(shù)m 由式（）顯然可見，只有一定反射角的光線才能在波導(dǎo)內(nèi)由式（）顯然可見，只有一定反射角的光線才能在波導(dǎo)內(nèi)傳輸。而且大的傳輸。而且大的 m 值產(chǎn)生小的值產(chǎn)生小的 m角。每個不

21、同的角。每個不同的m值將產(chǎn)值將產(chǎn)生不同的由式（）決定的傳輸常數(shù)生不同的由式（）決定的傳輸常數(shù) 。m值稱為模數(shù)。值稱為模數(shù)。 沿波導(dǎo)傳輸?shù)墓獠捎孟率絹砻枋鲅夭▽?dǎo)傳輸?shù)墓獠捎孟率絹砻枋?（）（） 對于給定的對于給定的m ，電場在沿，電場在沿 z 傳輸?shù)倪^程中沿傳輸?shù)倪^程中沿 y 的分布，如的分布，如圖所示。圖所示。 圖表示三種模式的波沿波導(dǎo)圖表示三種模式的波沿波導(dǎo) y 方向的電場分布，方向的電場分布，m 越大光越大光場進入包層越深，在包層靠近界面的消逝波以指數(shù)形式沿場進入包層越深，在包層靠近界面的消逝波以指數(shù)形式沿 y 衰減。整個電場沿衰減。整個電場沿 z 軸以各自的傳輸常數(shù)軸以各自的傳輸常數(shù)

22、 m傳輸。傳輸。 圖表示光脈沖進入波導(dǎo)后分裂成各種模式的波，以不同的圖表示光脈沖進入波導(dǎo)后分裂成各種模式的波，以不同的群速度向前傳輸，高階模傳輸最慢，低階模最快，在波導(dǎo)群速度向前傳輸，高階模傳輸最慢，低階模最快，在波導(dǎo)輸出端重新復(fù)合構(gòu)成展寬的輸出光脈沖。輸出端重新復(fù)合構(gòu)成展寬的輸出光脈沖。ztyEtzyEmmcos)(2,光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.2.2 單模和多模波導(dǎo)單模和多模波導(dǎo)-V 參數(shù)參數(shù) 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 基模、截止波長、基模、截止波長、TE0模傳輸?shù)臈l件模傳輸?shù)臈l件 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪

23、邱琪 2.2.3 TE模、模、TM模和模和HE模模 入射波包含兩種可能的電場分量入射波包含兩種可能的電場分量E 和磁場分量和磁場分量B ，它們均與，它們均與入射平面垂直；入射平面垂直； 其他垂直于入射光波，在任何方向的電場可以分解為沿其他垂直于入射光波，在任何方向的電場可以分解為沿E/ 和和 E 方向傳播的電場分量；方向傳播的電場分量； 與與E （或（或Ex）有關(guān)的模式被稱為橫電模（）有關(guān)的模式被稱為橫電模（TE），用），用TEm表示，表示，因為因為E 垂直于傳播方向垂直于傳播方向 z，所以稱，所以稱“橫橫”模。模。 與橫電模相對應(yīng)，垂直于傳播方向伴隨與橫電模相對應(yīng)，垂直于傳播方向伴隨E/場產(chǎn)

24、生的磁場場產(chǎn)生的磁場B 的的模式稱為橫磁模（模式稱為橫磁模（TM），用），用TMm表示表示 ir入射光反射光/BBzByEzyOxir入射光反射光/EEzEyB光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 光纖中傳輸?shù)墓饫w中傳輸?shù)腍E模和模和EH模模 在光纖中傳輸?shù)墓獠?，在傳輸方向上既有電場分在光纖中傳輸?shù)墓獠?，在傳輸方向上既有電場分量，也有磁場分量，它是一種混合模，用量，也有磁場分量，它是一種混合模，用HE?；蚰；駿H模表示，可以看作是傳播方向上不同的平面波模表示，可以看作是傳播方向上不同的平面波的合成。的合成。 HE?；蚰；駿H模的差異，主要由電磁場在傳輸模的差異，主要由電磁場在傳

25、輸 z方向方向上的投影分量的大小來決定。如上的投影分量的大小來決定。如 z 方向上磁場分方向上磁場分量占優(yōu)勢，則為量占優(yōu)勢，則為HE模；如模；如z方向上電場分量占優(yōu)方向上電場分量占優(yōu)勢，則為勢，則為EH模。模。 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 LP01 模模光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.3 光線光學分析光纖傳光原理光線光學分析光纖傳光原理 在在2.2節(jié)中我們已介紹了平面電介質(zhì)波導(dǎo)傳光的節(jié)中我們已介紹了平面電介質(zhì)波導(dǎo)傳光的原理，只要作一定的修正，這種導(dǎo)波傳輸?shù)囊辉?，只要作一定的修正，這種導(dǎo)波傳輸?shù)囊话愀拍钜部梢詰?yīng)用到階躍折射率光纖中；般概念也可

26、以應(yīng)用到階躍折射率光纖中； 光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸光纖是一種纖芯折射率比包層折射率高的同軸圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo)圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo); 根據(jù)光纖橫截面上折射率的徑向分布情況，光根據(jù)光纖橫截面上折射率的徑向分布情況，光纖分為階躍型和漸變型兩種纖分為階躍型和漸變型兩種; 作為信息傳輸波導(dǎo)，實用光纖有兩種基本類型，作為信息傳輸波導(dǎo)，實用光纖有兩種基本類型，它們是多模光纖和單模光纖。它們是多模光纖和單模光纖。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 光纖是一種光纖是一種纖芯折射率纖芯折射率比包層折射比包層折射率高的同軸率高的同軸圓柱形電介圓柱形電介質(zhì)波導(dǎo)質(zhì)波導(dǎo) 階躍階躍(SI，St

27、ep Index)多模光纖折多模光纖折射率射率 n1在纖在纖芯保持不變，芯保持不變，到包層突然到包層突然變?yōu)樽優(yōu)?n2階躍光纖結(jié)構(gòu)階躍光纖結(jié)構(gòu)光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 漸變漸變(GI, Graded Index)多模多模光纖折射率光纖折射率不像階躍多不像階躍多模光纖是個模光纖是個常數(shù)，而是常數(shù)，而是在纖芯中心在纖芯中心最大，沿徑最大，沿徑向往外按拋向往外按拋物線形狀逐物線形狀逐漸變小，直漸變小，直到包層變?yōu)榈桨鼘幼優(yōu)?n22. 漸變多模光纖漸變多模光纖光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.3.1 漸變多模光纖傳光原理漸變多模光纖傳光原理 階躍多模

28、光纖的主要缺點是存在大的模間色散，階躍多模光纖的主要缺點是存在大的模間色散，光纖帶寬很窄；光纖帶寬很窄； 而單模光纖沒有模間色散，只有模內(nèi)色散，所而單模光纖沒有模間色散，只有模內(nèi)色散，所以帶寬很寬。以帶寬很寬。 但是隨之出現(xiàn)的問題是，因單模光纖芯徑很小，但是隨之出現(xiàn)的問題是，因單模光纖芯徑很小，所以把光耦合進光纖很困難。所以把光耦合進光纖很困難。 那么是不是制造一種光纖，既沒有模間色散，那么是不是制造一種光纖，既沒有模間色散，帶寬較寬，芯徑較大，又使光耦合容易，我們帶寬較寬，芯徑較大，又使光耦合容易，我們說這就是如圖（說這就是如圖（b）所示的漸變折射率多模光）所示的漸變折射率多模光纖，簡稱漸變

29、多模光纖。纖，簡稱漸變多模光纖。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.3.1 漸變型（漸變型（GI）多模光纖）多模光纖減小模間色散的原理減小模間色散的原理（a）漸變多模光纖由折射率恒定不變的許多同軸圓柱薄層）漸變多模光纖由折射率恒定不變的許多同軸圓柱薄層na、nb和和nc等組成等組成 （b）光線從一層傳輸?shù)搅硪粚?，當光線經(jīng)多次折射后，總會找到一點，其折射率滿足全反射）光線從一層傳輸?shù)搅硪粚?，當光線經(jīng)多次折射后，總會找到一點，其折射率滿足全反射條件條件 (c）漸變多模光纖的折射率是連續(xù)變化的，所以光線從一層傳輸?shù)搅硪粚右彩沁B續(xù)的，當光）漸變多模光纖的折射率是連續(xù)變化的，所

30、以光線從一層傳輸?shù)搅硪粚右彩沁B續(xù)的，當光線經(jīng)多次折射后，總會找到一點，其折射率滿足全反射條件線經(jīng)多次折射后，總會找到一點，其折射率滿足全反射條件光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.3.2 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑和受光范圍和受光范圍 光纖傳輸電磁波的條件除滿足光線在纖芯和包層界面上的光纖傳輸電磁波的條件除滿足光線在纖芯和包層界面上的全反射條件外，還需滿足傳輸過程中的相干加強條件。全反射條件外，還需滿足傳輸過程中的相干加強條件。 光線在光纖端面以不同角度光線在光纖端面以不同角度 從空氣入射到纖芯，不是所從空氣入射到纖芯，不是所有的光線能夠在光纖內(nèi)傳輸，只有一定角度范圍內(nèi)的光線有的光

31、線能夠在光纖內(nèi)傳輸，只有一定角度范圍內(nèi)的光線在射入光纖時產(chǎn)生的透射光線才能在光纖中傳輸。假如在在射入光纖時產(chǎn)生的透射光線才能在光纖中傳輸。假如在光纖端面的入射角是光纖端面的入射角是 ，在波導(dǎo)內(nèi)光線與垂直于光纖軸線，在波導(dǎo)內(nèi)光線與垂直于光纖軸線的夾角是的夾角是 。此時，入射角大于臨界角的光線將發(fā)生全反。此時，入射角大于臨界角的光線將發(fā)生全反射，而小于臨界角的光線將進入包層泄漏出去。于是，為射，而小于臨界角的光線將進入包層泄漏出去。于是，為了光能夠在光纖中傳輸，入射角了光能夠在光纖中傳輸，入射角 必須要能夠使進入光纖必須要能夠使進入光纖的光線在光纖內(nèi)發(fā)生全反射而返回纖芯，并以曲折形狀向的光線在光纖

32、內(nèi)發(fā)生全反射而返回纖芯，并以曲折形狀向前傳播。由圖可知，最大的前傳播。由圖可知，最大的 角應(yīng)該是使入射角等于臨界角應(yīng)該是使入射角等于臨界角。角。 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 (NA) 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 NA表示光纖接收和傳輸光的能力表示光纖接收和傳輸光的能力 NA (或或sin max)越大，光纖接收光的能力越越大，光纖接收光的能力越強。強。 從光源到光纖的耦合效率越高。對無損耗從光源到光纖的耦合效率越高。對無損耗光纖，在光纖，在 max 內(nèi)的入射光都能在光纖中傳內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。輸。NA 越大，纖芯對光

33、能量的束縛越強，越大，纖芯對光能量的束縛越強，光纖抗彎曲性能越好。光纖抗彎曲性能越好。 但但 NA 越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的輸出信越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的輸出信號展寬越大，因而限制了信息傳輸容量。號展寬越大，因而限制了信息傳輸容量。所以要根據(jù)使用場合，選擇適當?shù)乃砸鶕?jù)使用場合，選擇適當?shù)?NA。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.3.3 光線光學分析光纖模式光線光學分析光纖模式 平板介質(zhì)波導(dǎo)截面被限制在一維（平板介質(zhì)波導(dǎo)截面被限制在一維（y）平面內(nèi)，所平面內(nèi)，所以只在以只在y方向發(fā)生反射，此時波的相長干涉產(chǎn)生一方向發(fā)生反射，此時波的相長干涉產(chǎn)生一些標記為些標記為m的特

34、有模式，如圖所示。的特有模式，如圖所示。 而光纖波導(dǎo)橫截面是二維（而光纖波導(dǎo)橫截面是二維（r和和 ）尺寸，反射從）尺寸，反射從所有表面，即從與所有表面，即從與y 軸成軸成 角的任意半徑方向所角的任意半徑方向所碰到的界面發(fā)生反射，如圖（碰到的界面發(fā)生反射，如圖（a）所示。因為任意）所示。因為任意方向的半徑均可以用方向的半徑均可以用x和和y來表示，所以波的相長來表示，所以波的相長干涉包括干涉包括x方向和方向和y方向的反射，因此我們用兩個方向的反射，因此我們用兩個整數(shù)整數(shù)l和和m來標記所有可能在波導(dǎo)中存在的行波或來標記所有可能在波導(dǎo)中存在的行波或?qū)！?dǎo)模。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮

35、 邱琪邱琪 圖圖2.3.3 光線以法線和斜射入射時光線以法線和斜射入射時在纖芯內(nèi)以不同的路經(jīng)傳輸在纖芯內(nèi)以不同的路經(jīng)傳輸光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 子午光線子午光線 和非軸線入射的斜射光線和非軸線入射的斜射光線 在平板介質(zhì)波導(dǎo)中，我們也已經(jīng)知道，以光線傳在平板介質(zhì)波導(dǎo)中，我們也已經(jīng)知道，以光線傳輸?shù)膶?dǎo)波沿波導(dǎo)曲折前進，所有這些光線均必須輸?shù)膶?dǎo)波沿波導(dǎo)曲折前進，所有這些光線均必須通過波導(dǎo)的軸平面，而且所有這些波不是橫電波通過波導(dǎo)的軸平面，而且所有這些波不是橫電波（TE），就是橫磁波（），就是橫磁波（TM）（見節(jié)）。）（見節(jié)）。 而階躍折射率光纖和平板波導(dǎo)的顯著區(qū)別是，沿

36、而階躍折射率光纖和平板波導(dǎo)的顯著區(qū)別是，沿光纖曲折傳輸?shù)墓饩€，除通過軸線入射的子午光光纖曲折傳輸?shù)墓饩€，除通過軸線入射的子午光線外（每個反射光線也通過光纖軸線），如圖線外（每個反射光線也通過光纖軸線），如圖（a）所示，還有非軸線入射的斜射光線，此時所示，還有非軸線入射的斜射光線，此時反射光線沒有通過軸線，而是圍繞軸線螺旋式前反射光線沒有通過軸線，而是圍繞軸線螺旋式前進，如圖（進，如圖（b）所示。）所示。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 TE波、波、TM波和混合模波和混合模-HE模模 在階躍多模光纖中，入射的法線光線和斜射光線在階躍多模光纖中，入射的法線光線和斜射光線都產(chǎn)生沿

37、光纖傳輸?shù)膶?dǎo)模，每一個都具有一個沿都產(chǎn)生沿光纖傳輸?shù)膶?dǎo)模，每一個都具有一個沿 z 方向的傳輸常數(shù)方向的傳輸常數(shù) 。 法線光線在光纖內(nèi)產(chǎn)生法線光線在光纖內(nèi)產(chǎn)生TE波和波和TM波；波； 斜射光線產(chǎn)生的導(dǎo)模既有橫電場分量，又有橫磁斜射光線產(chǎn)生的導(dǎo)模既有橫電場分量，又有橫磁場分量，因此既不是場分量，因此既不是TE波，也不是波，也不是TM波，而是波，而是HE波或波或EH波，這兩種模的電場和磁場都具有沿波，這兩種模的電場和磁場都具有沿z方向的分量，所以稱為混合模，如圖（方向的分量，所以稱為混合模，如圖（c）所示。）所示。HE模的磁場分量比電場分量強，而模的磁場分量比電場分量強，而EH模卻相反。模卻相反。光

38、子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 光纖傳輸?shù)墓馐蔷€性偏振光（光纖傳輸?shù)墓馐蔷€性偏振光（LP） 當光纖的折射率差當光纖的折射率差 1時，稱這種光纖為時，稱這種光纖為弱導(dǎo)光纖。通常階躍型光纖弱導(dǎo)光纖。通常階躍型光纖 = 0.01，所以，所以它是弱導(dǎo)光纖。這種光纖的導(dǎo)模幾乎是平它是弱導(dǎo)光纖。這種光纖的導(dǎo)模幾乎是平面偏振行波，它們具有橫電場和橫磁場，面偏振行波，它們具有橫電場和橫磁場，即即E和和B互相垂直，且垂直于互相垂直，且垂直于z軸，類似于平軸，類似于平面波的場方向，但是場強在平面內(nèi)不是常面波的場方向，但是場強在平面內(nèi)不是常數(shù)，稱這些波為線性偏振（數(shù)，稱這些波為線性偏振（LP），

39、即具有），即具有橫電場和橫磁場的特性。橫電場和橫磁場的特性。 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.3.4 LP01 (HE11)模模電力線和磁力線在光纖波導(dǎo)中的分布電力線和磁力線在光纖波導(dǎo)中的分布 電力線磁力線zyr( )x圖表示階躍光圖表示階躍光纖的基模纖的基模（E01）電場）電場分布，它零次分布，它零次模，模，N = 0。該場在纖芯的該場在纖芯的中心（光纖軸）中心（光纖軸）最大，由于消最大，由于消逝波的存在，逝波的存在，有部分場進入有部分場進入包層，其大小包層，其大小與與V參數(shù)有關(guān)參數(shù)有關(guān) 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 與光纖與光纖軸垂直軸

40、垂直的橫截的橫截面的電面的電場分布場分布和強度和強度分布分布 消逝波E01r包層纖芯ELP11LP21LP01LP01y2a光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.4 導(dǎo)波光學分析光纖傳輸原理導(dǎo)波光學分析光纖傳輸原理 光纖是導(dǎo)電率為零的電介質(zhì)。在光纖中傳輸?shù)墓夤饫w是導(dǎo)電率為零的電介質(zhì)。在光纖中傳輸?shù)墓獠ㄊ请姶挪ǎ溥\動規(guī)律仍遵守麥克斯韋波動方波是電磁波，其運動規(guī)律仍遵守麥克斯韋波動方程，它是一種微分方程。在均勻和線性介質(zhì)中，程，它是一種微分方程。在均勻和線性介質(zhì)中，即相對介電常數(shù)（即相對介電常數(shù)（ ）在所有方向都相同（即與）在所有方向都相同（即與電場無關(guān)），麥克斯韋波動方程描

41、述的電場電場無關(guān)），麥克斯韋波動方程描述的電場E由由式（）表示。式（）表示。 由光纖結(jié)構(gòu)決定的邊界條件，對麥克斯韋方程求由光纖結(jié)構(gòu)決定的邊界條件，對麥克斯韋方程求解，便可把光的傳播用電磁波表示。只有滿足邊解，便可把光的傳播用電磁波表示。只有滿足邊界條件所決定的某一相位匹配條件之電磁波，才界條件所決定的某一相位匹配條件之電磁波，才能被封閉在纖芯內(nèi)傳輸能被封閉在纖芯內(nèi)傳輸, 這就是傳輸模式。這就是傳輸模式。 解波動方程可以得到光纖模式特性、場結(jié)構(gòu)、傳解波動方程可以得到光纖模式特性、場結(jié)構(gòu)、傳輸常數(shù)和截止條件等。輸常數(shù)和截止條件等。 r光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 V 參數(shù)參

42、數(shù)歸一化芯徑或叫歸一化頻率歸一化芯徑或叫歸一化頻率 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.4.1 幾種幾種 LP 模的歸一化傳輸常數(shù)與歸一化頻率模的歸一化傳輸常數(shù)與歸一化頻率V的關(guān)系，隨著的關(guān)系，隨著V 的增加，光纖傳輸?shù)哪Ｊ揭苍黾拥脑黾?，光纖傳輸?shù)哪Ｊ揭苍黾?基?；P01對對所有所有V數(shù)都數(shù)都存在，在任存在，在任何光纖中都何光纖中都存在，是永存在，是永不截止的模，不截止的模，稱為基?；蚍Q為基?；蛑髂?。主模。 而而LP11在在V=2.045 截截止止 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 V 2.045 單模光纖的傳輸條件單模光纖的傳輸條件 當當V

43、1 0因因所所以以N=0N圖圖2.6.1 多模光纖模式色散多模光纖模式色散光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 光纖色散光纖色散光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.6.2 光纖衰減光纖衰減光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.6.2 引起衰減的原因引起衰減的原因 光纖是熔融光纖是熔融SiO2制成的，光信號在光纖中傳輸時，由于吸收、制成的，光信號在光纖中傳輸時，由于吸收、散射和波導(dǎo)缺陷等機理產(chǎn)生功率損耗，從而引起衰減。散射和波導(dǎo)缺陷等機理產(chǎn)生功率損耗，從而引起衰減。 吸收損耗是可以改善的吸收損耗是可以改善的目前由于超純石英光纖工藝的改

44、進，已消除了這一波長附近的目前由于超純石英光纖工藝的改進，已消除了這一波長附近的損耗峰，使損耗峰，使(1 3501 450)nm波段的損耗也降低到波段的損耗也降低到0.3 dB/km左左右，該波段就是光纖傳輸?shù)牡谖鍌€窗口，它位于第二個窗口和右，該波段就是光纖傳輸?shù)牡谖鍌€窗口，它位于第二個窗口和第三個窗口之間。這種能夠在第三個窗口之間。這種能夠在1200 1650nm整個范圍內(nèi)都可整個范圍內(nèi)都可用來進行用來進行DWDM光纖通信的光纖就是全波光纖光纖通信的光纖就是全波光纖入射端光纖和器件耦合時的損耗吸收吸收損耗材料密度不均勻引起折射率不均勻瑞利散射損耗.。輸入光光光彎曲泄露彎曲產(chǎn)生的損耗對接損耗和

45、器件耦合時的損耗光纖對接出射端輸出光光光雜質(zhì)。界面不規(guī)則場分布光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 瑞利瑞利（18771919） 瑞利散瑞利散射發(fā)明射發(fā)明家家 1904年年獲得諾獲得諾貝爾獎貝爾獎光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.6.3 典型光纖衰減譜典型光纖衰減譜8001000120014001600 衰衰減減( (d dB B/ /k km m) )波波長長( (n nm m) ) 單單模模光光纖纖8 85 50 0n nm m 1 1. .8 81 1d dB B/ /k km m1 13 30 00 0 0 0. .3 35 5d dB B/

46、 /k km m1 15 55 50 0 0 0. .1 19 9d dB B/ /k km m10.00.11.00.20.30.52.03.05.0單單模模光光纖纖G GI I多多模模光光纖纖S SI I多多模模光光纖纖O OH H吸吸收收峰峰光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.6.3 光纖比特率光纖比特率 在數(shù)字通信中，沿光纖傳輸?shù)耐ǔＪ谴硇畔⒃跀?shù)字通信中，沿光纖傳輸?shù)耐ǔＪ谴硇畔⒌墓饷}沖。在發(fā)射端，信息首先被轉(zhuǎn)變成脈沖的光脈沖。在發(fā)射端，信息首先被轉(zhuǎn)變成脈沖形式的電信號，如圖所示，代表信息的數(shù)字比形式的電信號，如圖所示，代表信息的數(shù)字比特脈沖通常都很窄。電脈沖

47、驅(qū)動光發(fā)射機（如特脈沖通常都很窄。電脈沖驅(qū)動光發(fā)射機（如LD）使其在二進制）使其在二進制“1”碼時發(fā)光，碼時發(fā)光，“0”碼時碼時不發(fā)光，然后耦合進光纖，經(jīng)光纖傳輸后到達不發(fā)光，然后耦合進光纖，經(jīng)光纖傳輸后到達光接收機，再還原成電脈沖，最后從中解調(diào)出光接收機，再還原成電脈沖，最后從中解調(diào)出信息。信息。 數(shù)字通信工程師感興趣的是光纖能夠傳輸?shù)淖顢?shù)字通信工程師感興趣的是光纖能夠傳輸?shù)淖畲髷?shù)字速率。這個速率稱為光纖的比特率容量大數(shù)字速率。這個速率稱為光纖的比特率容量B （bit/s），它直接與光纖的色散特性有關(guān)。），它直接與光纖的色散特性有關(guān)。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖

48、2.6.4 最大比特速率由色散引起的脈沖展寬決定最大比特速率由色散引起的脈沖展寬決定光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.6.4光纖帶寬光纖帶寬 由于光纖色散，光脈沖經(jīng)光纖傳輸后使輸由于光纖色散，光脈沖經(jīng)光纖傳輸后使輸出脈沖展寬，從而影響到光纖的帶寬。出脈沖展寬，從而影響到光纖的帶寬。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 1光纖帶寬光纖帶寬圖圖2.6.5 傳輸模擬信號的光纖線路及光纖的傳輸帶寬傳輸模擬信號的光纖線路及光纖的傳輸帶寬光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 3 dB 光帶寬光帶寬光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪

49、2. 光纜段總帶寬光纜段總帶寬光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.7 光纖衰減的補償光纖衰減的補償摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA） 光電探測器半導(dǎo)體材料，吸收入射光子能量后，把光信光電探測器半導(dǎo)體材料，吸收入射光子能量后，把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，產(chǎn)生光生電流。號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，產(chǎn)生光生電流。 摻鉺光纖放大器（摻鉺光纖放大器（EDFA），同樣是半導(dǎo)體材料鉺離子），同樣是半導(dǎo)體材料鉺離子吸收光子能量，但不同的是，鉺離子吸收泵浦光后從基吸收光子能量，但不同的是，鉺離子吸收泵浦光后從基態(tài)躍升到高能態(tài)，然后從高能態(tài)返回到基態(tài)，將其能量態(tài)躍升到高能態(tài)，然后從高能態(tài)返回到基態(tài)，將

50、其能量差轉(zhuǎn)換為信號光子，使信號光放大、獲得增益。差轉(zhuǎn)換為信號光子，使信號光放大、獲得增益。 使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光纖使用鉺離子作為增益介質(zhì)的光纖放大器，稱為摻鉺光纖放大器放大器(EDFA)。這些離子在光纖制造過程中被摻入光。這些離子在光纖制造過程中被摻入光纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，提供光增益。纖芯中，使用泵浦光直接對光信號放大，提供光增益。 放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。摻放大器的特性，如工作波長、帶寬由摻雜劑所決定。摻鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的鉺光纖放大器因為工作波長在靠近光纖損耗最小的1.55 m 波長區(qū)，它比其它光放大器

51、更引人注意。波長區(qū)，它比其它光放大器更引人注意。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.7.1 EDFA的構(gòu)成的構(gòu)成 光纖放大器的關(guān)鍵部件是摻鉺光纖和高功率泵浦光纖放大器的關(guān)鍵部件是摻鉺光纖和高功率泵浦源，作為信號和泵浦光復(fù)用的波分復(fù)用器源，作為信號和泵浦光復(fù)用的波分復(fù)用器（WDM），以及為了防止光反饋和減小系統(tǒng)噪聲），以及為了防止光反饋和減小系統(tǒng)噪聲在輸入和輸出端使用的光隔離器。在輸入和輸出端使用的光隔離器。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 EDFA產(chǎn)品產(chǎn)品光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 EDFA各部分作用各部分作用 (1) 摻鉺光

52、纖摻鉺光纖光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，因光纖放大器的關(guān)鍵部件是具有增益放大特性的摻鉺光纖，因而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。而使摻鉺光纖的設(shè)計最佳化是主要的技術(shù)關(guān)鍵。EDFA的增的增益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及益與許多參數(shù)有關(guān)，如鉺離子濃度、放大器長度、芯徑以及泵浦光功率等。泵浦光功率等。 (2) 泵浦源泵浦源對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大對泵浦源的基本要求是高功率和長壽命。它是保證光纖放大器性能的基本因素。幾個波長可有效激勵摻鉺光纖。器性能的基本因素。幾個波長可有效激勵摻鉺光纖。 最先使用最先使用1480 nm的的

53、 InGaAs 多量子阱多量子阱(MQW)激光器，其輸激光器，其輸出功率可達出功率可達 100 mW，泵浦增益系數(shù)較高。，泵浦增益系數(shù)較高。 隨后采用隨后采用980nm 波長泵浦，效率高波長泵浦，效率高, 噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。噪聲低，現(xiàn)已廣泛使用。光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 980 nm泵浦泵浦LD 雙光纖布拉格光柵波長穩(wěn)定雙光纖布拉格光柵波長穩(wěn)定 600 mW輸出功率輸出功率光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 (3) 波分復(fù)用器波分復(fù)用器其作用是使泵浦光與信號光進行復(fù)合。對它的其作用是使泵浦光與信號光進行復(fù)合。對它的要求是插入損耗低，因而適用的要

54、求是插入損耗低，因而適用的WDM器件主器件主要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。要有熔融拉錐形光纖耦合器和干涉濾波器。 (4) 光隔離器光隔離器在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路在輸入、輸出端插入光隔離器是為了抑制光路中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪中的反射，從而使系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、降低噪聲。對隔離器的基本要求是插入損耗低、反向聲。對隔離器的基本要求是插入損耗低、反向隔離度大。隔離度大。EDFA各部分作用各部分作用光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 2.7.2 EDFA工作工作原理及其特性原理及其特性在摻鉺離子的能級圖中，在摻鉺離子的能級圖中，E1是基態(tài)，是基

55、態(tài)， E2 是中間能是中間能級，級，E3代表激發(fā)態(tài)。代表激發(fā)態(tài)。若泵浦光的光子能量等若泵浦光的光子能量等于于 E3 與與 E1之差，鉺離子之差，鉺離子吸收泵浦光后，從吸收泵浦光后，從E1升升至至 E3。但是激活態(tài)是不。但是激活態(tài)是不穩(wěn)定的，激發(fā)到穩(wěn)定的，激發(fā)到E3 的鉺的鉺離子很快返回到離子很快返回到 E2。若信號光的光子能量等若信號光的光子能量等于于 E2 和和 E1 之差，則當之差，則當處于處于 E 2的鉺離子返回的鉺離子返回E1 時則產(chǎn)生信號光子，這時則產(chǎn)生信號光子，這就是受激發(fā)射，結(jié)果使就是受激發(fā)射，結(jié)果使信號光得到放大。信號光得到放大。1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大

56、后放大后的信號光的信號光.1E2E3E信號光信號光1550nm1550nm0能級能級 3rE0.80eV1.27eV鉺離子能級圖鉺離子能級圖光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 泵浦光是如何泵浦光是如何將能量轉(zhuǎn)移給將能量轉(zhuǎn)移給信號的信號的 為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā)為了提高放大器的增益，應(yīng)盡可能使基態(tài)鉺離子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級態(tài)能級 E3。 從以上分析可知，能級從以上分析可知，能級 E2 和和 E1 之差必須是需要放大信號光之差必須是需要放大信號光的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基的光子能量，而泵浦光的光子能量也必須保證使鉺離子從基態(tài)態(tài)

57、E1 躍遷到激活態(tài)躍遷到激活態(tài) E3。 EDFA的增益特性與泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)。的增益特性與泵浦方式及其光纖摻雜劑有關(guān)。 可使用多種不同波長的光來泵浦可使用多種不同波長的光來泵浦 EDFA，但是，但是 0.98 m 和和 1.48 m的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵的半導(dǎo)體激光泵浦最有效。使用這兩種波長的光泵浦浦 EDFA 時，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達時，只用幾毫瓦的泵浦功率就可獲得高達 30 40 dB 的放大器增益。的放大器增益。1530nm980nm980nm泵浦光泵浦光放大后放大后的信號光的信號光.1E2E3E信號光信號光1550nm1550nm0能級能級

58、3rE0.80eV1.27eV鉺離子能級圖鉺離子能級圖光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖圖2.7.2 摻鉺光纖放大器的工作原理摻鉺光纖放大器的工作原理（a）硅光纖中鉺離子）硅光纖中鉺離子的能級圖的能級圖 （b） EDFA的吸收和增的吸收和增益頻譜益頻譜 光子學與光電子學光子學與光電子學 原榮原榮 邱琪邱琪 圖表示輸出信號功率圖表示輸出信號功率與泵浦功率的關(guān)系。與泵浦功率的關(guān)系。由圖可見，能量從泵由圖可見，能量從泵浦光轉(zhuǎn)換成信號光的浦光轉(zhuǎn)換成信號光的效率很高，因此效率很高，因此EDFA很適合作功率很適合作功率放大器。放大器。泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸泵浦光功率轉(zhuǎn)換為輸出信號光功率的效率出信號光功率的效率為為 92.6 %，60 mW功率泵浦時，吸收效功率泵浦時，吸收效率為率為 88 %。(信號輸信號輸出功率出功率 信號輸入功信號輸入功率率) / 泵浦功率泵浦功率008020406020406080泵浦功率泵浦功率輸輸出出信信號號功功率率轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率92.6%(mW)(mW)圖圖2.7.3 輸出信號功率與泵浦功率