光纤光学_复习ppt课件

光纤光学复习,俞侃onlyfish华中科技大学文华学院信息学部,光纤的分类（按折射率分布）,阶跃型光纤SIOF,光纤,渐变型光纤GIOF,折射率分布,光纤光学的基本方法,几何光学方法d光线射线方程折射/反射定理光线轨迹,波动方程方法d模式波导场方程边值问题模式分布,研究方法,分析思路,光线理论,子午光线：限制在子午平面内传播的光线与纤轴相交,光线分类,倾斜光线：轨迹曲线不限制在一个平面内与纤轴既不相交也不平行,光线轨迹,子午光线,阶跃光纤,时延差的倒数,n1=1.5,=1%,=50ns/km传输带宽:1/=20MHzkm结论1:多模光纤通信容量并不高!,由一点发出的光线不能会聚在另一点结论2:阶跃光纤不适合于传输图像!,轴向运动,GIOF中的最佳折射率分布,模式的基本特征,模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。给定的波导中能存在的模式及其性质是已确定的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式，而不会改变模式的固有性质。,每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件,每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波,模式具有确定的相速群速和横向场分布,本征解模式,模式命名,根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,模式分类,横电磁模(TEM)EzHz0,横电模(TE)Ez0Hz0,横磁模(TM)Ez0Hz0,可以证明，光纤中不可能存在TEM模光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时也出现TE(TM)模,贝塞尔函数,贝塞尔函数,场解的选取,依据：导模场分布特点:在空间各点均为有限值在芯区为振荡形式在包层则为衰减形式导模场在无限远处趋于零贝塞尔函数形式:J呈振荡形式K则为衰减形式本征解选取:在纤芯中选取贝赛尔函数J在包层中选取变态汉克尔函数K,导模,泄漏模,辐射模,导模与辐射模的重要区别,导模对应于分立的本征值；辐射模对应于连续的本征值；离散的导模与连续的辐射模构成了波导的完整正交模系；在这里，我们重点研究的是导模的传输；在光纤损耗和模式耦合的研究中辐射模的性质非常重要；,两种方法的比较,光纤,辐射模,TE/TM模,HE/EH模,折射光线,子午光线,倾斜光线,导模,泄漏模,约束光线,隧道光线,横向传播常数,模式分布,归一化频率V:给定光纤中,允许存在的导模由其结构参数所限定。光纤的结构参数可由其归一化频率V表征:V值越大,允许存在的导模数就越多。导模的“截止”:除了基模之外,其它导模都可能在某一个V值以下不允许存在,这时导模转化为辐射模。使某一导模截止的Vc值称为导模的截止条件。导模的“远离截止“:当导模的本征值n1k0时,导模场紧紧束缚于纤芯中传输,称之为导模的“远离截止”。同样,每一个导模都对应于一合适的V值使其远离截止,称之为导模的“远离截止条件。,色散曲线,单模工作条件,单模条件:Vc（2/0）an12n222.405(仅适用于SIOF！）单模光纤尺寸:ac1.2020/（n12n22）单模光纤截止波长:c（an12n22）/1.202单模光纤截止频率:fc1.202c/（an12n22）仅当c或ffc时方可在光纤中实现单模传输.这时,在光纤中传输的是HE11模,称为基模或主模。紧邻HE11模的高阶模是TE01、TM01模和HE21模,其截止值均为Vc2.405。保证单模传输条件下，V尽量取高值，以避免弯曲损耗.,模式本征值:小结,模式的截止与远离截止:临近截止:W=0,场在包层中不衰减远离截止:W,场在包层中不存在,弱导条件：n1n2nn1n2，一般=0.01%W0，有W定义：在包层中n2k0=n1k0cosz(z)n1k0z0V0,n1k0n2k0场特点：光线理论：光线与纤轴的夹角小；波动理论：芯区对光场的限制较弱；消逝场在包层中延伸较远。,弱导光纤与线偏振模,线偏振模LP-1,m的场分量,LPm=HE+1,m+EH-1,m是这两种精确模式的叠加！（牢记）HE+1,m模式与EH-1,m色散曲线相近两者简并，本征值相同旋向相反，合成线偏振光在直角坐标系中求解，各分量具有固定的偏振方向LPm模只有四个不为零的场分量：Ey、Hx、Ez和Hz沿y方向偏振（以下讨论对象）与之正交的Ex、Hy、Ez和Hz沿x方向偏振,线偏振模LPm的简并,当0时，每一个LPm模式有四重简并径向两种模式：沿x或y方向偏振角向两种变化：cosf或sinf当=0时，LP0m模式只有两重简并径向两种模式：沿x或y方向偏振,LP模式的简并,导模场分布的一般规律,LP45,LPm模：沿径向的亮斑数为m沿角向的亮斑数为2=0，中心为亮斑0，中心为暗斑,光纤的损耗,损耗的定义：单位长度(km)光纤光功率衰减分贝数光纤损耗的来源：光纤材料的吸收与散射损耗光纤的微弯与宏弯损耗光纤的连接与耦合损耗重要数据:-0.5dB0.9;-1dB0.8;-2dB0.6;-3dB0.5;-10dB0.1-20dB0.01,散射损耗,瑞利散射(漫反射)机制：在光纤中由于某种远小于波长的不均匀性（例如折射率不均匀，掺杂浓度不均匀等）引起光的散射;是一种线性损耗，与在光纤中传输光强度无关A、B是与石英和掺杂材料有关的常数01.55m时0.16dB/km；01.3m时0.32dB/km特点：不可能消除的损耗,光纤损耗谱特性,光纤的色散,1、模间色散：,2、波导色散：,3、材料色散：,4、偏振模色散：,色散一般分为4种：,发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散，即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。,由于某一传播模的群速度对于光的频率(或波长)不是常数，同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。,由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。,一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结构为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必然会有一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟，这种现象称之为偏振模色散。在理论讨论中不考虑。,材料色散,波导色散,波导色散,总色散,三种光纤色散情况比较,正常色散区,反常色散区,光有源器件,定义：发生电子光子、光子电子、或者光子光子转换过程的光电子器件半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光探测器(PD,PIN,APD）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光放大器(SOA,EDFA)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光调制器（EA）光路由器,光无源器件,定义：不存在电子光子、光子电子、或者光子光子等转换过程光电子器件光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅,光器件与电器件的类比,自聚焦透镜,GRIN透镜的应用：准直-聚焦,准直,聚焦,准直聚焦,不同节距自聚焦透镜的传播轨迹,光纤定向耦合器(Coupler),光纤定向耦合器(Coupler),耦合长度,耦合长度：当功率100%耦合时最小光纤长度：Lc=p/2K当发生耦合作用的光纤长度等于耦合长度的奇数倍时，即获得100%的耦合；故可通过控制平行光纤的长度以及两光纤间距来控制耦合比；耦合效率和耦合长度依赖于两光纤的间距d。间距越大，耦合长度越大。,工作原理,消逝场耦合。,PutthecorescloseenoughtogethertogetacouplingeffectAllnowdependsonthelengthofthecouplingsection,双向对称性,100mw,50mw,50mw,50mw,50mw,50mw,50mw,如果用一个1:1Y-分支来耦合两个信号，信号可以被合路，但是每个信号是它原来的一半功率(3dB),Iftwomixedsignals(ofdifferentwavelengths)areinjectedintoacouplerthepowertransferbetweenthewaveguideshasadifferentperiodforeachwavelength.Thecouplinglengthsarestronglywavelengthdependent!,Notice,波长相同时(1=2)，不可能实现完全的分离与合成，对于1:1的耦合器，必定要引起3dB的损耗；当两波长不同时(12)，可以通过改变耦合器的长度L或者选择适当的波长，使1与2的光功率达到接近全分波或合波；如果1与2很接近时，需要增加耦合器的长度L,才能使1与2的光功率达到完全分波或合波。,一种与输入光的偏振态无关的隔离器,光纤输出,SWP,半波片,法拉弟旋转器,SWP,SOP,光纤输入,(a),光纤输出,SWP,半波片,法拉弟旋转器,SWP,光纤输入,(b),光环形器,基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送顺序：1234（三端口，四端口，多端口）主要特性：插入损耗隔离度价格,三端口光环行器,四端口光环行器,图