北京理工大学导波光学基础 (11)

1、Optical Fiber 3.7 单模光纤特性与单偏光纤单模光纤特性与单偏光纤 单模光纤的特性单模光纤的特性 l损耗、损耗、 l色散、色散、 l截止波长、截止波长、 l模场直径模场直径、 l偏振特性（偏振模色散）。偏振特性（偏振模色散）。 3.7.1单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长 l当当 c c时，时，VVc c，满足单模传输条件；，满足单模传输条件； l当当 c c时，时，VVc c，出现，出现LP11 11等高阶模，成为多模传输。 等高阶模，成为多模传输。 l则则 c c称为单模光纤的截止波长。称为单模光纤的截止波长。 l同一根光纤在某一波长下是单模光纤，但在另一较短波长上同一根光

2、纤在某一波长下是单模光纤，但在另一较短波长上 则可能是多模传输。则可能是多模传输。 只传输只传输LP01基模的条件基模的条件:VVc2.4048 （3116）404822 22 2 1 1 2 1 2 2 2 1 .)()( annnaV c c 单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长 例：已知一例：已知一SI光纤，光纤，nl=1.487， = 0.37%，2a8.3 ，在，在 = 1550nm、 1310nm和和850nm时，光纤中能传输哪些导模？时，光纤中能传输哪些导模？ 解：解： 1）当）当 =1550nm时，时，V2.152.4048， 只传输只传输LP01模或模或HE11模。模。 2）

3、当）当= 1.31nm时，时，V2.54，2.4048 V3.8317， 可传输标量模可传输标量模LP01和和LP11模，或矢量模模，或矢量模HE11，TE01，TM01和和HE21； 3）当）当 =850nm时，时，V3.92， 3.8317V5.1356， 可传输标量模有可传输标量模有LP01，LP11，LP02，LP21； 或矢量模或矢量模HE11，TE 01，TM 01，HE21，EH 11， HE31和和HE12。 结论：结论：同一光纤，波长越短，传输的模式越多同一光纤，波长越短，传输的模式越多。 m l当当 时，时，VVc，满足单模传输条件；而当，满足单模传输条件；而当 时，时，

4、VVc，必然出现，必然出现LP11等高阶模，成为多模传输。等高阶模，成为多模传输。 l理论上可改变光纤芯径、相对折射率差和理论上可改变光纤芯径、相对折射率差和V值选择截止波长。值选择截止波长。 l实际上光纤芯径和相对折射率差是由弯曲灵敏度、色散补偿实际上光纤芯径和相对折射率差是由弯曲灵敏度、色散补偿 因素决定的，不能任意改变；因素决定的，不能任意改变； l唯一的选择是由唯一的选择是由V值来确定截止波长。给出截止波长、芯径和值来确定截止波长。给出截止波长、芯径和 相对折射率差，就很容易算出光纤的相对折射率差，就很容易算出光纤的V值。值。 l可以说截止波长与可以说截止波长与V值是可互换使用的单模光

5、纤的重要参数。值是可互换使用的单模光纤的重要参数。 单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长 c 截止波长的表达式截止波长的表达式 C C V an 2 c 单模光纤的截止波长单模光纤的截止波长 选择合适的截止波长是一个实际问题：选择合适的截止波长是一个实际问题： l截止波长越长，或曰截止波长越长，或曰V值越接近值越接近2.4048，光纤越接近出现，光纤越接近出现 双模，将使传输特性变坏，称为模式噪声。双模，将使传输特性变坏，称为模式噪声。 l截止波长越短，或曰截止波长越短，或曰V值小于值小于2.4048越多，光纤将光模场越多，光纤将光模场 束缚在芯区的能力越弱，损耗越大。束缚在芯区的能力越弱，损

6、耗越大。 l实用单模光纤的实用单模光纤的V值一般在值一般在1.82.2之间，相应的截止波长之间，相应的截止波长 在在1000nm 1250nm区间。典型的单模光纤区间。典型的单模光纤C1250nm。 l工作波长在工作波长在780900nm的半导体激光器价格便宜，出现的半导体激光器价格便宜，出现 了适用于这一波长区间的单模光纤，其截止波长可以低到了适用于这一波长区间的单模光纤，其截止波长可以低到 C720nm。在特殊通信系统和光纤传感器中已经应用。在特殊通信系统和光纤传感器中已经应用。 3.7.2单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径 模场直径（模场直径（MFD): 直接描述基模直接描述基模LP0

7、1模光功率（电场）被束缚范围；模光功率（电场）被束缚范围； l可导出非可导出非SI单模光纤的等效阶跃折射率（单模光纤的等效阶跃折射率（ESI）参数，）参数， l可估算单模光纤的连接损耗、弯曲损耗以及微弯损耗，可估算单模光纤的连接损耗、弯曲损耗以及微弯损耗， l可由模场直径的波长特性估算单模光纤的色散值。可由模场直径的波长特性估算单模光纤的色散值。 LP01模电场沿径向分布模电场沿径向分布 lSI光纤纤芯中为零阶贝塞尔函数，光纤纤芯中为零阶贝塞尔函数， l折射率呈抛物线分布的折射率呈抛物线分布的GI光纤中光纤中 纤芯中呈高斯函数分布。纤芯中呈高斯函数分布。 l在实际问题中把在实际问题中把LP01

8、模光功率分布近似为高斯分布：模光功率分布近似为高斯分布： ) 2 exp()0()( 2 0 2 w r PrP 定义定义：光功率分布的：光功率分布的1e2处直径处直径2w0为模场直径（为模场直径（MFD）。）。 单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径 图图3-32 光功率的高斯分布与单模光纤模场直径的定义光功率的高斯分布与单模光纤模场直径的定义 a) 单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径 MFD直接描述了单模光纤中光功率被束缚的情况，也反映单模的工直接描述了单模光纤中光功率被束缚的情况，也反映单模的工 作状态（远离或靠近截止）。作状态（远离或靠近截止）。 l越接近截止（越接近截止（V值越小）时

9、包层中传输光功率越大；值越小）时包层中传输光功率越大； l越远离截止，包层中光功率越小；越远离截止，包层中光功率越小； l在最远离截止（在最远离截止（V=2.4048）时，仍有）时，仍有16%的光功率在包层中。的光功率在包层中。 l对大部分实用单模光纤，包层中光功率占总功率的对大部分实用单模光纤，包层中光功率占总功率的20%。 l单模光纤单模光纤-MFD，光功率并不完全在芯子中，其束缚程度与芯半径、，光功率并不完全在芯子中，其束缚程度与芯半径、 相对折射率差、折射率分布及工作波长等诸多因数有关。相对折射率差、折射率分布及工作波长等诸多因数有关。 多模光纤多模光纤2a和和 的大小，光功率绝大部分

10、束缚在多模光纤芯子中，的大小，光功率绝大部分束缚在多模光纤芯子中， 这两个参数基本能给出其特性。这两个参数基本能给出其特性。 一般情况下，模场直径并不等于芯直径。对标准一般情况下，模场直径并不等于芯直径。对标准SI单模光纤其芯径与单模光纤其芯径与 模场直径的典型值分别为模场直径的典型值分别为8.3 和和9.3 （1330nm）。）。 mm 单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径 l工作波长有关，波长越短，工作波长有关，波长越短，MFD越小越小 。 图图333 模场直径（模场直径（MFD）与波长的函数关系）与波长的函数关系 anV C C 2 单模光纤的模场直径单模光纤的模场直径 lMFD对单模光

11、纤对接耦合特别有用，此时必须测量对单模光纤对接耦合特别有用，此时必须测量MFD， 由于由于MFD不匹配也会引起附加损耗。不匹配也会引起附加损耗。 2 1 2 2 1 )( 4 log10 MFD MFD MFD MFD LossMFD 3.7.3单模光纤的双折射及偏振模色散单模光纤的双折射及偏振模色散 在平板波导中：在平板波导中： l存在两种偏振态：存在两种偏振态：TE模（模（Ey偏振）和偏振）和TM模（模（Ex偏振），传播常数不同，即偏振），传播常数不同，即 存在模间色散。存在模间色散。 l由于由于x、y方向的非对称基本不变，方向的非对称基本不变，TE模与模与TM模之间几乎不存在相互耦合的模

12、之间几乎不存在相互耦合的 问题，无偏振态演化问题。问题，无偏振态演化问题。 在多模光纤中：在多模光纤中： l各种模式具有不同的偏振态，线偏振、椭圆偏振同时存在，从整体上表现各种模式具有不同的偏振态，线偏振、椭圆偏振同时存在，从整体上表现 不出偏振态问题，不出偏振态问题， l且材料色散、模间色散、波导色散要比偏振色散大的多，因此无须讨论偏且材料色散、模间色散、波导色散要比偏振色散大的多，因此无须讨论偏 振问题。振问题。 单模光纤的双折射及偏振模色散单模光纤的双折射及偏振模色散 讨论单模光纤中的偏振态的演化及其影响讨论单模光纤中的偏振态的演化及其影响 l双折射使两个模式产生偏振模色散（双折射使两个

13、模式产生偏振模色散（PMD），成为单模光纤的色散极），成为单模光纤的色散极 限。限。 l在光纤传感应用中，可利用光纤中偏振态的变化来感测压力、温度、在光纤传感应用中，可利用光纤中偏振态的变化来感测压力、温度、 电流等许多物理量。电流等许多物理量。 单模光纤中：单模光纤中： 一个基模一个基模LP01模，两个矢量模，即两个独立的、方向正交的线偏振模式。模，两个矢量模，即两个独立的、方向正交的线偏振模式。 在光纤结构严格对称的理想情况下，两模式传播常数相等，即简并。在光纤结构严格对称的理想情况下，两模式传播常数相等，即简并。 实际的单模光纤总是存在一定的椭圆度、折射率分布及应力的非对称性，实际的单模

14、光纤总是存在一定的椭圆度、折射率分布及应力的非对称性， 两个模式的传播常数不再相等，光学中称之为双折射。两个模式的传播常数不再相等，光学中称之为双折射。 单模光纤的双折射及偏振模色散单模光纤的双折射及偏振模色散 Core z n 1 x / x n 1 y / y E y E x E x E y E = Pulse spread Input light pulse Output light pulse t t Intensity Suppose that the core refractive index has different values along two orthogonal di

15、rections corresponding to electric field oscillation direction (polarizations). We can take x and y axes along these directions. An input light will travel along the fiber with Ex and Ey polarizations having different group velocities and hence arrive at the output at different times 1999 S.O. Kasap

16、, Optoelectronics (Prentice Hall) 单模光纤的双折射及偏振模色散单模光纤的双折射及偏振模色散 l单模光纤的双折射可以等效为单光轴晶体的双折射。单模光纤的双折射可以等效为单光轴晶体的双折射。 设两个正交偏振态的传播常数分别为设两个正交偏振态的传播常数分别为 x x和和 y y ，传播一段路程，传播一段路程z以后产生的以后产生的 附加位相差为：附加位相差为： 相位差相位差变化变化2，偏振态变化一个周期。把，偏振态变化一个周期。把变化变化2时，偏振态变化一个时，偏振态变化一个 周期的长度称作光纤的拍长，用周期的长度称作光纤的拍长，用Lb b表示表示: z xy )(

17、)/(2 xyb L )( xy nn 说明了光纤双折射的程度，说明了光纤双折射的程度，Lb越短，说明双折射越严重；越短，说明双折射越严重；波长越长，拍长波长越长，拍长 越长。越长。 有时也用归一化双折射有时也用归一化双折射B表示：表示： 2/ )( xy xy B 单模光纤的双折射及偏振模色散单模光纤的双折射及偏振模色散 l偏振消光比偏振消光比ER： )dB()log(10 x y P P ER l描述了偏振模在这段单模光纤中的保持能力。双折射越描述了偏振模在这段单模光纤中的保持能力。双折射越 高，偏振模保持能力越强，偏振消光比高，偏振模保持能力越强，偏振消光比ER越高。这对制造越高。这对制

18、造 偏振保持光纤很有意义。目前偏振保持光纤的偏振保持光纤很有意义。目前偏振保持光纤的ER在在20 30dB。 单模光纤的双折射及偏振模色散单模光纤的双折射及偏振模色散 用时延差表示单模光纤的偏振模色散，在弱导条件下有：用时延差表示单模光纤的偏振模色散，在弱导条件下有： 两正交偏振模的群时延差为：两正交偏振模的群时延差为： )( xyxy nn c c nn d dn d dn cc nn d d xy x yxy )( )( PMD 单模光纤的双折射及偏振模色散单模光纤的双折射及偏振模色散 为本征色散，为本征色散，L为传输距离，为传输距离， 为相关长度（两正交偏振分量能保持相关为相关长度（两正

19、交偏振分量能保持相关 的长度），典型值在的长度），典型值在10m量级。若量级。若L0.1km，则可认为，则可认为 ，于是有，于是有 1/)/exp()(2)( 22 PMD 22 PMD cccPMD lLlLl l单模光纤中的双折射变化是随机的，使得两正交偏振分量的传输时延趋向单模光纤中的双折射变化是随机的，使得两正交偏振分量的传输时延趋向 于相等，必须对整个于相等，必须对整个随机过程取平均随机过程取平均，用，用 的的均方根值表征均方根值表征PMD： PMD c l Llc LDLlc PMDPMD 2 lDPMD是偏振模色散系数，一般在是偏振模色散系数，一般在0.50.2 之间，最小之间，

20、最小0.1 ， 远小于单模光纤中的波长色散的时延差。远小于单模光纤中的波长色散的时延差。 l工作在单模光纤零色散波长附近、长距离传输的高速光纤通信系统，工作在单模光纤零色散波长附近、长距离传输的高速光纤通信系统，PMD 则是限制其通信容量的重要因素。则是限制其通信容量的重要因素。 km/pskm/ps 单模光纤的双折射及偏振模色散单模光纤的双折射及偏振模色散 l PMD与与 成比例，成比例， 而不是与而不是与L成线性关系，成线性关系， 这是这是PMD所固有的随机所固有的随机 特性造成的。特性造成的。 lPMD对系统传输距离对系统传输距离 的限制还要取决于系统的限制还要取决于系统 的传输速率。一

21、般采用的传输速率。一般采用 的原则，的原则， 其中其中T为为1bit的周期。的周期。 距距离离 （km） 传传输输速速率率 （Gbit/s） ） 图图3-33 PMD与传输速率及传输距离之间的关系与传输速率及传输距离之间的关系 L T1 . 0 PMD 当光纤温度、应力等外界环境发生微小扰动时，接收端当光纤温度、应力等外界环境发生微小扰动时，接收端HE11 模的偏振态无法稳定，甚至发生剧烈变化。模的偏振态无法稳定，甚至发生剧烈变化。 单模光纤中偏振态演化的影响：单模光纤中偏振态演化的影响： l长距离传输线路中，偏振模色散也会限制信息传输的速率；长距离传输线路中，偏振模色散也会限制信息传输的速率

22、； l相干光通信系统中采用光外差接收机，要求接收信号光与本相干光通信系统中采用光外差接收机，要求接收信号光与本 机振荡信号光具有相同的偏振态，否则会降低灵敏度。机振荡信号光具有相同的偏振态，否则会降低灵敏度。 l许多集成光学光波导器件，如电光波导调制器、光波导开关许多集成光学光波导器件，如电光波导调制器、光波导开关 等，对输入光偏振态也有选择性。等，对输入光偏振态也有选择性。 l许多光纤传感器或光纤计量测量也要求稳定的偏振态。许多光纤传感器或光纤计量测量也要求稳定的偏振态。 3.7.4偏振保持光纤偏振保持光纤 偏振保持光纤偏振保持光纤 第二类第二类：加大单模光纤的非对称性，增加双折射，把两个偏

23、振模分开，：加大单模光纤的非对称性，增加双折射，把两个偏振模分开， 只能传输一个偏振模。称作高双折射（只能传输一个偏振模。称作高双折射（HB）光纤，习惯上称为偏振保持）光纤，习惯上称为偏振保持 （PM）光纤，简称保偏光纤。）光纤，简称保偏光纤。 解决方法：解决方法： 第一类第一类：减小单模光纤的不完善性（椭圆度和内部残余应力），使双折：减小单模光纤的不完善性（椭圆度和内部残余应力），使双折 射最小射最小,称为低双折射（称为低双折射（LB）光纤。）光纤。 l提高光纤圆度已使偏振模的减小到提高光纤圆度已使偏振模的减小到10o/m； l采用特殊材料减小芯包层间热膨胀系数之差，使采用特殊材料减小芯包层

24、间热膨胀系数之差，使 %的单模光的单模光 纤的纤的 降到降到2.6o/m（相应拍长（相应拍长Lb=138m）；）； l用坩埚法拉制的自旋光纤已实现用坩埚法拉制的自旋光纤已实现 0.4o0.6o/m（Lb= 600 800m），）， 每公里偏振模色散群时延差每公里偏振模色散群时延差 ps。02. 0 PMD 0.34 图图3-34 几种几种PM光纤结构光纤结构 领结型；熊猫型；内椭圆包层；领结型；熊猫型；内椭圆包层； 椭圆芯型；矩形应力包层型。椭圆芯型；矩形应力包层型。 偏振保持光纤偏振保持光纤 HB保偏光纤：保偏光纤： 增大光纤结构或光纤内应力增大光纤结构或光纤内应力 的非对称性，提高光纤的双

25、的非对称性，提高光纤的双 折射，使两个偏振模的传播折射，使两个偏振模的传播 常数和的差距拉大。这样既常数和的差距拉大。这样既 使光纤结构或外部环境发生使光纤结构或外部环境发生 微小扰动时，两个偏振模之微小扰动时，两个偏振模之 间也不能产生耦合，使其中间也不能产生耦合，使其中 一个偏振模保持主导地位，一个偏振模保持主导地位， 从而得到单模、单偏振传输。从而得到单模、单偏振传输。 PM光纤的拍长可短到光纤的拍长可短到 2.55.0mm（1550nm ）。）。 FIBER MANUFACTURE Protective polymerinc coating Buffer tube: d = 1mm C

26、ladding: d = 125 - 150 m Core: d = 8 - 10 m n r The cross section of a typical single-mode fiber with a tight buffer tube. (d = diameter) n1 n2 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) FIBER MANUFACTURE 预制棒拉丝预制棒拉丝 FIBER MANUFACTURE Left: The soot rod fed into the consolidation furnace for si

27、ntering. Right: Glass preform fed into the fiber drawing furnace. (Courtesy of Corning.) FIBER MANUFACTURE 五种光纤预制棒制造工艺技术：五种光纤预制棒制造工艺技术： lOVD -Outside Vapor Deposition， 管外气相沉积技术管外气相沉积技术 lVAD -Vapor-phase Axial Deposition， 轴向气相沉积技术轴向气相沉积技术 lMCVD Modified Chemical Vapor Deposition， 改进的化学气相沉积技术改进的化学气相沉积

28、技术 lPCVD Plasma-activated Chemical Vapor Deposition 等离子化学气相沉积技术等离子化学气相沉积技术 lIVD- Integrated Vapor Deposition， 综合气相沉积技术综合气相沉积技术 FIBER MANUFACTURE MCVD原理示意图原理示意图 MCVD工艺系统包括：原料供应单元，原材料汽化工艺系统包括：原料供应单元，原材料汽化/气体控制单元，沉积气体控制单元，沉积 单元，工艺单元，工艺PC控制单元，废气控制单元，废气/粉末收集单元和废气处理单元等。粉末收集单元和废气处理单元等。 黄色黄色 FIBER MANUFACTU

29、RE MCVD沉积单元沉积单元 FIBER MANUFACTURE PCVD原理示意图原理示意图 PCVD与与MCVD比较：比较： l同样是管内壁沉积称为管内法；同样是管内壁沉积称为管内法； l化学反应能量来源不同喷灯加热化学反应能量来源不同喷灯加热/微波激发混合气体，形成等离子体，微波激发混合气体，形成等离子体， 高温达高温达60,000，离开等离子区即直接形成，离开等离子区即直接形成SiO2； 优点：优点：无粉末过程，化学反映效率高（无粉末过程，化学反映效率高（100）；每层厚度约）；每层厚度约1微米，微米， 适合复杂折射率分布。适合复杂折射率分布。 FIBER MANUFACTURE O

30、VD原理示意图原理示意图 OVD流程：流程： l水解反应与水解反应与SiO2（白色粉末）（白色粉末） 沉积；沉积； l脱水：脱水： 高温下物理去处表面绝大高温下物理去处表面绝大 部分水和少部分部分水和少部分OH； 再升温再升温(Cl2+N2+Ar)混混 合气体合气体+一定压力，与一定压力，与OH反反 应生成应生成HCl+O2，送废气处理，送废气处理 系统，去处残余系统，去处残余OH； l烧结：烧结： 1650下白色下白色SiO2粉末变粉末变 成透明石英棒。成透明石英棒。 FIBER MANUFACTURE Vapors: SiCl 4 + GeCl4 + O2 Rotate mandrel (

31、 (a a) ) Deposited soot Burner Fuel: H2 Target rod Deposited Ge doped SiO 2 ( (b b) ) Furnace Porous soot preform with hole Clear solid glass preform Drying gases ( (c c) ) Furnace Drawn fiber Preform Schematic illustration of OVD and the preform preparation for fiber drawing. (a) Reaction of gases

32、in the burner flame produces glass soot that deposits on to the outside surface of the mandrel. (b) The mandrel is removed and the hollow porous soot preform is consolidated; the soot particles are sintered, fused, together to form a clear glass rod. (c) The consolidated glass rod is used as a preform in fiber drawing. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall) FIBER MANUFACTURE OVD主机外形主机外形 FIBER MANUFACTURE VAD原理示意图原理示意图 lVAD原理与原理与OVD完全相同；完全相同； l