第四章-光纖傳輸?shù)奈锢砘A(chǔ)

第四章光纖傳輸?shù)奈锢砘A(chǔ)激光大氣傳輸，會有水份和空氣的吸收，水滴和煙霧的散射，限制其應(yīng)用。目前用于短距離和宇宙空間的光通訊光纖傳輸，低損耗低色散的光纖可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離寬帶傳輸4.1光纖的導(dǎo)波原理1.階躍折射率光纖結(jié)構(gòu) 兩層：纖芯n1，包層n2，n1>n2

全反射條件sin>n2/n1，滿足:導(dǎo)波，不滿足：泄漏波

圓柱對稱光纖，纖芯內(nèi)以角全反射前進(jìn)的光線，是一平面波，波矢k0n1,分解為 軸向傳播常數(shù)＝k0n1cos

橫向傳播常數(shù)=k0n1sin2.模式 軸向平面波分量沿纖芯均勻向前傳播 橫向分量和界面相位漂移疊加在一起恰好形成駐波條件，稱為模式

纖芯直徑2a,全反射相位變化-，N階數(shù)N為駐波波節(jié)數(shù)目，也就是模的階數(shù)。N=0時為基模。光場分布(與激光橫模光場分布計較）N越高越大光程S越長通過光纖的時間變長脈沖展寬3.梯度折射率光纖能使任一方向入射的子午光線在一周期內(nèi)的平均軸向速度相等子午面ABCD內(nèi)，等折射率線n(r),隨r增大n(r)減小由斯涅爾定律n(r)sin=const=n(r)cosn(0)cos0=n(r)cos某點(diǎn)切線斜率要平均軸向速度相等，由費(fèi)馬定理這就是梯度折射率型光纖折射率分布應(yīng)滿足等光程條件4.雙曲正割型折射率分布光纖L為路徑的一周期的軸向長度。令雙曲正割型折射率分布光纖，對不同入射角，光線是等光程的。自聚焦光纖sech(r)級數(shù)展開自聚焦光纖的折射率從軸沿半徑方向近似成拋物線狀梯度下降。5.梯度折射率光纖中傳輸?shù)淖游绻饩€的路徑是正弦曲線。近軸光線在光纖中沿正弦曲線傳輸時,光線的折射率分布必然是呈拋物線分布6.令這是拋物線型分布另一表達(dá)式,Δ為梯度折射率光纖相對折射率差,對階躍折射率光纖纖芯半徑a和相對折射率差Δ一定,則正弦曲線路徑的空間周期L一定梯度折射率光纖無(很少)模式色散7.光纖的模式及傳播特性的波動理論分析

1)各向同性理想光纖中,波動方程 ①在纖芯內(nèi),r<a,n1

②在包層內(nèi),r>a,n2纖芯內(nèi)模的場分布為駐波場,包層內(nèi)衰減,必須u≥0,w≥0,得出導(dǎo)模傳輸條件 2)由邊界條件,纖芯與包層的界面r=a處,E,H切向分量連續(xù),得到β的本征方程

由此式可得到不同的m值下的β值,進(jìn)而可以分析不同的m值下所對應(yīng)的模式波形

m=0時,對應(yīng)Ez=0TE0n模,橫電模;

Hz=0TM0n模,橫磁模

m≠0時,同時存在EzHz

Ez強(qiáng),Hz弱EHmn模

Ez弱,Hz強(qiáng)HEmn模,HE11模為基模3)令

V稱為歸一化頻率,描述波導(dǎo)的重要參數(shù).

β-V關(guān)系圖.每根曲線對應(yīng)一個特定的解,即模式.隨著V的增加,β值由k0n2增加到k0n1,即每根曲線所表示的模式速度ω/β由大變小

引入光纖數(shù)值孔徑,定義為光纖能夠接收的光線的最大角度的正弦,表示光纖入射端面接收入射光的能力.

光纖數(shù)值孔徑只與折射率有關(guān),即與光纖材料有關(guān),與光纖尺寸無關(guān)

多模光纖中,V越大,同時傳輸模式數(shù)N越大 當(dāng)V>10時,N=V2/2;

當(dāng)V<2.4,只有HE11,單模光纖 單模光纖中,電場隨r呈高斯函數(shù)變化,有一部分?jǐn)U展到包層中指數(shù)衰減. P包層/P隨V變化 理想單模光纖中,偏振方向保持不變,不同偏振方向的光波間沒有能量耦合,可以做多路復(fù)用.4.2光纖的傳輸特性

損耗特性→能量損耗→需要中繼站 色散→脈沖畸變或展寬→信息容量減小4.2.1傳輸損耗 (dB)

低損耗單模光纖損耗與波長的關(guān)系曲線 1.吸收損耗

1)本征吸收

a.紅外,8-12μm,峰尾延伸到1.3-1.7μm,主要由Si-O分子振動引起

b.紫外,0.16μm,峰尾延伸到1μm附近,由帶間電子躍遷引起

2)雜質(zhì)損耗

a.過渡族金屬原子吸收,現(xiàn)<10-8 b.OH-離子吸收,峰2.7μm,諧波1.38μm、0.95μm、0.72μm,現(xiàn)<10-9 c.原子缺陷吸收,加熱或強(qiáng)烈的輻射,材料會產(chǎn)生原子的缺陷,產(chǎn)生損耗. 2.瑞利損耗 決定光纖損耗的下限,在低損耗光纖中占主要地位 拉制過程中,熱擾動和固化溫度不均勻→纖芯介質(zhì)密度的微小起伏→折射率不均勻→光散射(瑞利散射)

∝1/4,增加→減小,對石英光纖=1.55μm,損耗0.2db/km

非線性散射:布里淵散射(熱聲子)拉曼散射(原子振動和旋轉(zhuǎn)能級的吸收和再輻射)3.反射損耗 菲涅爾反射損耗 正入射或小角度入射R=(n1-n0)2/(n1＋n0)2

斜入射，θ>30o

s分量（偏振垂直于入射面），隨著θ增大，R增大

p分量（偏振平行于入射面），隨著θ增大，R先減小后增大4.彎曲損耗

1)微彎曲損耗 界面不平整、彎曲、隨機(jī)應(yīng)力應(yīng)變等，成為散射源，產(chǎn)生損耗

α∝a6，

a↘,Δ↗

→α↘ 2)宏觀彎曲損耗 彎曲時，θ>θc，泄漏

4.2.2色散特性

色散：窄脈沖射入光纖，出射時光脈沖發(fā)生畸變與展寬 模式色散Δτm：模式間群速度不同引起 材料色散Δτn：材料折射率隨波長變化 波導(dǎo)色散Δτg：傳播常數(shù)β和群速度υ隨ν變化

Δτ=Δτm+Δτn+Δτg

色散系數(shù)D＝dτ/dλ 1.模式色散

N階模的群速度

N↗→θN↗→υg↘?模式越多,色散越大 光纖內(nèi)，以臨界角反射傳播時間最長，軸向傳播時間最短

梯度折射率光纖和單模光纖無（很少）模式色散 2.材料色散

n~λ,υ=c/n~λ

光脈沖有不同的波長，以不同的速度傳播，產(chǎn)生脈沖展寬 1）用波長色散小的材料，石英，1.27μm 2）用窄譜線寬度的光源 3.波導(dǎo)色散 某一模式，不同頻率，傳播常數(shù)β和群速度υ不同，產(chǎn)生脈沖展寬。 階躍折射率光纖，b=1-U2/V2

第一項(xiàng)為材料色散，第二項(xiàng)為波導(dǎo)色散。

1）單模傳輸，波導(dǎo)色散比材料色散小一個數(shù)量級以上。選擇合適的材料和波長,使dn/dλ＝0，只有波導(dǎo)色散。

2）多模傳輸光纖，模式色散為主，選擇梯度折射率光纖，再同上傳輸帶寬B=1/Δτ,隨傳輸距離變化光纖階躍梯度單模階躍B~L1/L0.5~0.61/L0.751/L損耗和色散特性對光纖傳輸?shù)挠绊憮p耗色散距離容量大短小大短小小小長大4.3光纖壓縮光脈沖纖芯SiO2材料屬于克爾型非線性介質(zhì)光纖中傳輸光脈沖,其中電場很強(qiáng),折射率發(fā)生非線性變化,引起相位移動(自相位調(diào)制SPM)光場相位隨光強(qiáng)調(diào)制,相位調(diào)制實(shí)質(zhì)也是頻率調(diào)制.頻率移動光脈沖不同部分光強(qiáng)不同,則頻移隨光脈沖成一種分布狀態(tài),稱為啁啾(chirp)

脈沖前部→→→ 脈沖后部