光電子學(xué)與光電器件4

1、47光纖的損耗與色散一、光纖的損耗即便是在理想的光纖中都存在損耗本征損耗。光纖的損耗限制了光信號(hào)的括：吸收損耗散射損耗彎曲損耗距離。這些損耗主要包吸收損耗由制造光纖材料本身 (如SiO2) 的特性所決定，即便波導(dǎo)結(jié)構(gòu)非常完美而且材料不含任何雜質(zhì)也會(huì)存在本征吸收 ，包括電子躍遷、晶格振動(dòng)、多聲子過程等。本征吸收：材料吸收損耗是一種固有損耗，不可避免。只能選擇固有損耗較小的材料來做光纖。石英在紅外波段內(nèi)吸收較小，是優(yōu)良的光纖材料。本征吸收(1) 紫外吸收光纖材料的電子吸收入射光能量躍遷到高的能級，同時(shí)引起入射光的能量損耗，一般發(fā)生在短波長范圍晶格(2) 紅外吸收光波與光纖晶格相互作用，一部分光波能

2、量傳遞給晶格，使其振動(dòng)加劇，從而引起的損耗Ex光方向kz非本征吸收:光纖制造過程引入的有害雜質(zhì)OH和過渡金屬離子，如鐵、鈷、鎳、銅、錳、鉻等解決方法：(1) 光纖材料化學(xué)提純，比如達(dá)到 99.9999999%的純度;(2) 制造工藝上改進(jìn)，如避免使用氫氧焰加熱 ( 汽相軸向沉積法)散射損耗由于光纖制作工藝上的不完善，例微氣泡、雜質(zhì)等引起不均勻，光能在這些地方會(huì)發(fā)生散射，使光纖損耗增大；線性散射損耗與模式功率成線性關(guān)系，光的頻率在散射過沒有變化。不均勻周期小于：散射散射散射波導(dǎo)在小于光波長尺度上的不均勻：分子密度分布不均勻摻雜分子導(dǎo)致折射率不均勻?qū)е虏▽?dǎo)對入射光產(chǎn)生本征散射。散射一般發(fā)生在短波長

3、散射導(dǎo)致的原因是范圍較大的不均勻性(仍小于1mm的要求)波導(dǎo)缺陷纖芯和包層的界面不完備圓度不均勻殘留氣泡和裂痕等目前的制造工藝基本可以克服散射。非線性散射發(fā)生在以足夠強(qiáng)的光電場入射到光纖的情況，只有當(dāng)入射功率大于一定的閾值才會(huì)產(chǎn)生非線性散射。由于非線性散射，損耗的功率是線性函數(shù)。光功率的非在散性過會(huì)發(fā)生出射頻率的改變，典型的非線性散射有受激散射和受激散射。如果想避免非線性散射發(fā)生，就要提高閾值電平，如用寬光譜光源以及多模光纖等。彎曲損耗彎曲處曲率半徑越小，損耗越大；波長越長，損耗越大。場分布消逝場 cRCladdingCore損耗的表示光信號(hào)在光纖中的時(shí)候，其功率隨距離 L 的增加呈指數(shù)衰減：

4、光纖的損耗系數(shù)(衰減常數(shù)），距離的衰減光纖的三個(gè)低損“窗口”：850nm、1310 nm、1550 nm。二、光纖的色散不同頻率或不同模式成分具有不同的群速度，在傳輸過彼此散開，造成信號(hào)的變形。芯包層脈沖展寬，導(dǎo)致脈沖間的“搭接”，使信號(hào)在目的端產(chǎn)生碼間干擾，給信號(hào)的最后造成，已經(jīng)成為制約光纖通信能力的主要。1、群速度與時(shí)延差 色散的度量光波載頻f0,信號(hào)帶寬f, f0.001nm定義材料色散系數(shù)：則：光源頻譜寬度定義材料的群指數(shù)那么時(shí)延和時(shí)延差可分別表示為：材料色散引起的時(shí)延差實(shí)現(xiàn)零色散的條件：d2n/d2=0。零色散波長降低材料色散的途徑：反常色散區(qū)使用光譜寬度窄的光源；工作在零色散波長附

5、近；使用波長較長的光源。正常色散區(qū)3、波導(dǎo)色散光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)：包括纖芯尺寸、幾何形狀、相對折射率差等波導(dǎo)參量不同。由于入射角不同導(dǎo)致不同頻率的光波在光纖中傳輸?shù)膶?shí)際路程不同，而引起時(shí)延差。影響：光纖尺寸：越小，色散越嚴(yán)重；工作波長：越長，色散越嚴(yán)重。 變化參量：a/4、模間色散多模光纖中，材料色散和波導(dǎo)色散的影響相對較小，模間色散成為主要的影響。模間色散的成因：最簡單的情況：同一頻率的光以不同的角度入射到光纖，形成不同的模式；每種模式有不同的軸向速度，同時(shí)出發(fā)的不同模式，到達(dá)輸出端的時(shí)間不同；模間色散的成因：實(shí)際信號(hào)，包含多種頻率，每種頻率又有多種模式；把不同頻率形成的同一模式歸成一類，每一模式有一個(gè)群速度；模式間群速度不同，造成