《光波技术基础part》PPT课件.ppt

3 3单模光纤 阶跃折射率单模光纤单模光纤的高斯拟合和模场直径单模光纤的主要类型近似方法单模光纤的偏振特性 听说过吗 躺在床上能和外教一对一练英语口语 适合职场中的你 免费体验史上最牛英语口语学习 太平洋英语 三层均匀一维平面光波导 全反射条件 相干加强条件 特征方程 几何光学 波动光学 场分布 边界条件 特征方程 阶跃折射率光纤 Stepindex 单模条件 矢量法 TE0n模 TM0n模 EHmn模 HEmn模 标量法 LPmn模 光波导中模式的普遍性质 完备性 正交性 2的稳定性 横向非均匀性光波导 微扰法 纵向非均匀性光波导 模式耦合 一 阶跃折射率单模光纤 阶跃折射率光纤中的传导模的数量由光纤归一化频率决定 归一化频率 单模条件和截止波长 光纤模式理论 阶跃折射率光纤 最低阶高次模 LP11 TE01 TM01 HE21 的归一化截止频率 单模条件 只传输基模 HE11 LP01 单模工作波长范围 截止波长 c 物理意义 反射定律所得到的最大入射角小于衍射角 a 多模光纤和单模光纤 单模光纤 多模光纤 设计光纤结构 选择工作波长 控制光纤中导模数量 多个导模传输 只传输基模 单模光纤与多模光纤区别 结构 性能 单模光纤 多模光纤 5 10 m 较大 50 m 芯径 较小 剖面 多样性 便于光源耦合 芯径不能太小 模式色散 模式色散较大 传输带宽受限制用于短距离 低速率系统芯径大 便于耦合 设计折射率分布和包层结构SMF DSF DFF DCF NZDF PMF没有模式色散 传输带宽大用于长距离大容量光纤通信系统 场分布 单模光纤中沿y方向偏振的基模场m 0 LP01 功率限制因子 m 0 单模光纤中 特征方程 LP模特征方程 m 0 基模特征方程 近似表述 二 抛物线分布单模光纤 LP01模m 0 n 1 基模的功率分布 单模光纤内光功率衰减到其最大值的1 e的宽度 模场直径 耦合 接续 弯曲损耗 色散 基模场分布 三 单模光纤的高斯近似和模场直径 阶跃折射率单模光纤 横向电磁场径向分布函数 J0 x 抛物型单模光纤 横向电磁场分布函数 Gaussianexp x2 任意折射率剖面光纤 基模场分布函数 近似高斯函数 用高斯函数拟合实际光纤的基模场分布 用拟合得到的高斯函数近似表示实际单模光纤中的场分布 高斯拟合 假定基模场分布为实函数 实际的场分布用高斯函数表示 重叠积分最大 近似精度最高 待定参数 w的最优值 实际场分布 幻灯片54 w拟合结果 折射率分布 阶跃型 抛物型 三角型 误差 0 02 等效归一化频率 阶跃折射率光纤 T V 高斯型场分布的1 e全宽度 2w 场分布向芯区集中 模场直径 MFD 耦合 接续 弯曲损耗 模场直径与光纤芯径 模场直径 有效面积 模场直径的标准定义 近似方法存在误差 原因 实际场分布与高斯型分布差异较大 高斯拟合误差较大 第一种定义 PetermannI光纤中实际场分布 近场 的二阶矩来定义MFD Fresnel衍射理论衍射角较小时 远场分布是近场分布的Hankel变换 MFD远场分布函数的表示 第二种定义 PetermannII实际测量的往往是远场分布函数 Petermann又给出了基于光纤远场分布函数的MFD定义 模场直径的远场定义 近场分布函数的表示 光纤远场分布函数的二阶矩 高斯拟合定义 光纤中的场分布与高斯函数十分接近时 欲与Petermann一致 模场直径定义 一般地 dn df dg 场分布恰好是高斯型 四 单模光纤的主要类型 单模光纤的性能 在单模光纤通信系统中 影响光纤传输距离和传输容量的因素 损耗色散非线性 损耗 色散和非线性对光信号传输的影响 频率 信号畸变 串扰 损耗谱 损耗与放大 色散谱 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 衰减 dB km 1600 1700 1400 1300 1200 1500 1100 波长 nm 色散与损耗 自相位调制SPM交叉相位调制XPM四波混频FWM光脉冲畸变 啁啾 串音 声学声子 受激Brillouin散射SBS光学声子 受激RAMAN散射SRS信号光能量损失 串音 非线性现象 充分利用资源 DWDM系统 光纤中光功率增大 光子与光子之间 光子与声子之间 四波混频 FWM 色散抑制四波混频 解决方案 性能均衡优化 宽谱范围内 综合优秀品质 色散斜率 小 色散 适当 有效面积 大 非线性 带宽资源 DWDM系统 光纤放大器 色散补偿 均衡技术 长距离传输 Pause C波段 1530 1565nm 和L波段 1565 1625nm NZ DSF光纤的衰减和色散特性 在工作波长范围内 具有非零但较小色散 具有很低损耗利用色散补偿技术 补偿信号经历光纤传输后的总色散利用光纤放大技术 补偿光传输后的幅度衰减 单模光纤折射率剖面 单模光纤折射率剖面 采用内包层 n2 外包层 n3 的作用 减小基模损耗单模条件要求V 2 405 但此时LP01模的能量将显著扩大至包层 百分之十几 为了减小基模在包层里的损耗 在纤芯外需要一层高纯度 低损耗的内包层 n1 n2 n3 n1 n2 n3 2 得到纤芯半径较大的单模光纤实现单模传输的主要途径是减小纤芯或数值孔径 但细的纤芯和小的数值孔径会加剧非线性效应的影响 采用多层结构 如W型光纤 可使LP01模保持低的传输损耗而LP11模则有很大的传输损耗 可缓和这一矛盾 在近截止状态下 LP11模的大部分能量存在于包层中 如果内包层很薄 光场可以从折射率较低的内包层渗入折射率较高的外包层 反之很难 而被很快衰减 单模光纤折射率剖面 采用内包层 n2 外包层 n3 的作用 续 3 增大有效面积 或MFD 外包层可以把光场从中心吸引出来一部分 从而增大有效面积 大有效面积 LEAF 光纤折射率分布 三角形纤芯和内环的作用是将零色散波长移向1550nm CorningLeafIndexProfile 几种新型光纤 康宁LEAF光纤 LEAF LargeEffectiveAreaFiber SumitomoPureGuideIndexProfile 住友纯波导光纤 LucentTruewaveIndexProfile 朗讯真波光纤 武汉长飞大保实光纤 ITU T关于单模光纤的技术规范 G 652 零色散波长 1300nm1550色散 16 17ps nm km模场直径 8 6 9 5um有效面积 60 m2G 653 零色散波长 1550nm模场直径 7 8 8 5um有效面积 60 m2G 655 1550nm色散 2 6ps nm km模场直径 8 9um有效面积 60 m2LEAF 1550nm色散 2 6ps nm km模场直径 9 2 11um有效面积 72 m2 DCF1550nm色散 80ps nm km有效面积 20 m2 常用单模光纤的主要参数 几种常用光纤的特性 五 近似方法 一 高斯近似 变分法 二 等效阶跃折射率光纤近似 单模光纤近似解法 基本构想 1 对于单模弱导光纤 阶跃折射率分布时 无界抛物线分布时 均有 Ez Hz可忽略 尽管折射率分布相差极大 但场的r向分布函数相差不大 均是钟罩形 可见 基模场分布函数对折射率分布不敏感 2的稳定性表明 对场分布函数也不敏感 但并不意味着 2 2也不敏感 2 我们有理由 可以用已知解析解的单模弱导光纤去近似任意折射率分布的单模弱导光纤 用无界抛物线分布的解时 称为高斯近似 用阶跃分布时的解时 称为等效阶跃折射率光纤近似 单模光纤近似解法 高斯近似 一 判据问题 任何一种近似首要考虑的就是判据问题 不同判据将导致不同的结果高斯近似的任务 确定模场半径w和 对于w至少可能采用三种判据 它们本身并不限于高斯近似 1 2稳定性判据 由确定w 再带回 2表示式确定 2 最大激发效率判据 恰当选择w 使高斯场与实际场分布达到最佳匹配 即用该高斯光束激励光纤中的基模 应达到最大激发效率 关键 先求得实际场 用数值法 等同于前述的高斯拟合 3 波动方程判据 选择w使标量波动方程左边接近零 对于 总满足 将已确定的w 即模场分布 代入该式即可确定 单模光纤近似解法 高斯近似 二 稳定性判据解 1 变分形式的 表达式 圆柱坐标系下 基模场 令 有 代入折射率分布表达式 通用 单模光纤近似解法 高斯近似 由得 根据 折射率分布 由上式确定模场半径w 然后代入 A 式确定传播常数 单模光纤近似解法 高斯近似 对于无界抛物线光纤 有 与精确解一致 三 用已知结果验证 对于阶跃光纤 单模光纤近似解法 高斯近似 代入上式有 精确值 单模光纤近似解法 高斯近似 最大激发效率判据等同于前述的高斯拟合 波动方程判据 略 详见 导波光学 范崇澄编 四 讨论1 高斯近似仅针对基模 所以不能解出邻近高阶模的归一化截止频率Vc 从而无法确定光纤的单模工作范围2 实际上的圆截面弱导单模光纤 无论其纤芯折射率及本征函数的分布如何 在包层远区的场分布函数总是比高斯函数的变化要慢的多 因而 在讨论到与消逝场有关的波导现象 如导波间消逝场的耦合 弯曲损耗等 时 高斯近似将引入很大的误差 单模光纤近似解法 等效阶跃折射率光纤近似 一 基本思路 找到一个等效阶跃折射率光纤 它的归一化频率Ve 芯半径ae应使其对应的基模 LP01 传播常数 e 消逝场 模场半径we以及相邻高阶模 LP11 的截止波长 ce与实际渐变折射率光纤的基模相应参数尽量接近 至少在常用的波长范围 0 8V Vc 0 67 内是如此 任务 选择Ve和ae 其它参数可以由此参数求出 单模光纤近似解法 等效阶跃折射率光纤近似 二 特点1 能考虑消逝场有关的各种效应 因为阶跃光纤包层区场变化规律正是2 基于光纤之间的等效 能够解出相邻高阶模 LP11 的截止频率Vc 所以能确定光纤的单模工作范围 三 基本公式 实际光纤和等效阶跃光纤的传播常数分别满足 有 单模光纤近似解法 等效阶跃折射率光纤近似 由于 对场分布不敏感 可以取一阶近似 即用 0e代替 0 有 详见微扰法证明过程 对于圆对称光纤 折射率只与半径有关 上式化为 上式并不限于基模 对其它模也成立 当然 随着模阶的增高 对场分布变得敏感 一阶近似的误差将增大 用LP11模的场分布代替基模场分布 可用于求LP11模的截止频率Vc 单模光纤近似解法 等效阶跃折射率光纤近似 四 热诺姆 Jeuhomme 判据 1 近似条件 热诺姆 法国科学家 指出 应选择Ve和ae使得最小 为研究方便 折射率分布重新定义如下 满足 可以导出 实际光纤 等效阶跃光纤 代入上述基本公式有 最小 单模光纤近似解法 等效阶跃折射率光纤近似 LP01模 LP11模 近似 严格求解复杂 芯区 等式左边a 右边ae 包层 弱导近似下 n1 n2 n1e 单模光纤近似解法 等效阶跃折射率光纤近似 2 剃度渐变型 g型 光纤的解 代入前式有 对应于 由 单模光纤近似解法 等效阶跃折射率光纤近似 3 中心凹陷型光纤的解 代入前式有 单模光纤近似解法 等效阶跃折射率光纤近似 4 LP11模的截止频率 单模条件 令Ve 2 4048 对应的V值即为光纤的截止频率 5 模场半径w 等效阶跃折射率近似本身没有模场直径的概念 可借用高斯拟合中的结果 阶跃型 求出实际光纤的模场半径 五 斯奈德 萨木特判据 选取等效参数使基本公式中的 取最大值 由于给定V下基模具有最大的传播常数 详见 导波光学 范崇澄编著 六 单模光纤的偏振特性 光的偏振 幅度差 相位差 线偏振 圆偏振 椭圆偏振 E Ex Ey 迎着k方向观察逆时针 左旋 y x0 三种偏振状态 单模光纤的偏振 一般的轴对称单模光纤 可以同时传输两个线偏振正交模式 LP01 或两个圆偏振正交模式 HE11 若光纤是完全的轴对称形式 几何形状为理想圆 折射率分布沿轴处处对称 两个正交模式简并 即传播常数完全相同 x y 因而传播过程中偏振态不变 实际光纤总存在一定的不完善 如 导致光纤内部产生双折射现象 正交的两个LP01模不再简并 即 x y 工艺中固有的不完善使光纤偏离理想圆对称 光纤弯曲随机应力 各向异性 单模光纤的偏振 普通单模光纤B 10 5 6 低双折射光纤B 10 9 高双折射光纤 保偏光纤 B 10 3 输入线偏振光 经光纤传输距离L后 偏振态经历一个周期变化 对于高双折射光纤 习惯用拍长L来表征其模双折射 模双折射 或归一化双折射 B 一般单模光纤双折射定义为 双折射对传输特性的影响 LPx01 LPy01具有不同的传输速度 产生偏振模色散PMD 限制光通信容量的最终杀手 光纤纵向随机不均匀性 引起LPx01 LPy01之间功率耦合 如果两模的传输损耗不同 将引起接收光场功率随机波动 影响系统性能 LPx01 LPy01具有不同的传输速度 电磁波不能保持其线偏振态 偏振状态沿光纤传输方向周期性变