光纤光学教学课件第二讲

1、 hust 2012 hust 20122021-10-211.1 引言1 1、什么是光纤光学？、什么是光纤光学？研究光波在光纤中传播特性的科学。研究光波在光纤中传播特性的科学。内容包括：基本原理、技术及其相关的器件内容包括：基本原理、技术及其相关的器件2 2、什么是光纤？、什么是光纤？介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。基本结构：纤芯、包层、套塑层基本结构：纤芯、包层、套塑层 hust 2012 hust 20122021-10-21ntypical dimension

2、 for silica fibers:nsmf: 8 mm core, 125 mm claddingnmmf: 50, 62.5, 100 mm core, 125 mm claddingnindex profile:nstep vs. graded vs. multi-stepcladdingprimary coating(e.g., soft plastic) coresio2 glass hust 2012 hust 20122021-10-21纤芯与包层构成光波导纤芯与包层构成光波导 光波导：约束光波传输的媒介 导波光：受到约束的光波 光波导三要素：“芯 / 包”结构凸形折射率分布，

3、n1n2低传输损耗 hust 2012 hust 20122021-10-213、光纤光学所涉及的基本问题 光纤模式的激励（光的入射）； 光纤中的模式分布（光线传播轨迹）； 模式的传播速度（光线的延迟）： 模式沿横截面的分布； 光信号的畸变； 传输损耗； 模式的偏振特性； 模式的耦合。a.理论研究所涉及到的方面： hust 2012 hust 20122021-10-21b.光纤技术所涉及到的方面： 参数测试技术； 自聚焦、准直技术（聚焦透镜）； 连接、耦合技术（光纤光纤、半导体器件、耦合器）； 隔离、偏振控制技术（隔离器、偏振控制器）； 传感技术（传感器）。 hust 2012 hust 2

4、0122021-10-21c.光纤器件所涉及到的方面：自聚焦透镜； 光纤耦合器； 光学隔离器、光学环形器； 光纤光栅； 光纤放大器与光纤激光器。 hust 2012 hust 20122021-10-21光纤光学的研究方法几何光学方法：几何光学方法： 光纤芯径远大于光波波长0时, 可以近似认为00，从而将光波近似看成由一根一根光线所构成, 因此可采用几何光学方法来分析光线的入射、传播(轨迹) 以及时延(色散) 和光强分布等特性，这种分析方法即为光线理论。优点：优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。缺点：缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合

5、以及光场分不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。 hust 2012 hust 20122021-10-21波动光学方法：波动光学方法： 是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发，通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此适用于各种折射率分布的单模和多模光纤。缺点：分析过程较为复杂。 hust 2012 hust 20122021-10-21光纤光学的研究方法比较几何光学方法波动光学方法适用条件dd研究对象光线模式基本方程射线

6、方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题研究内容光线轨迹模式分布 hust 2012 hust 20122021-10-211.2 光纤的分类光纤的分类 按用途进行分类 按纤芯的折射率分布进行分类 按光纤中的传输模式进行分类 hust 2012 hust 20122021-10-21光纤按用途分类： 通信用光纤通信用光纤 高速率高速率dwdmdwdm系统、低速率的局域网系统、低速率的局域网 有源光纤、高非线性光纤、色散管理光纤、大有源光纤、高非线性光纤、色散管理光纤、大有效面积光纤、光子晶体光纤、多包层光纤有效面积光纤、光子晶体光纤、多包层光纤 非通信用的光纤非通信用的光纤 传感光纤、传光

7、光纤、传像光纤、特殊用途光传感光纤、传光光纤、传像光纤、特殊用途光纤纤 hust 2012 hust 20122021-10-21acrylate-coatinglow index silica-air claddinghigh index silica core hust 2012 hust 20122021-10-21acrylate-coatingbendgap silica-air claddinglow index air core hust 2012 hust 20122021-10-21multi-stack mirror is 1d photonic bandgap devic

8、ecartoon picture of light guidance in bgfnlownhighbragg law(1st order)2 sin constructive interference total reflection for centred around judicious choice of nlow, nhigh and1915 hust 2012 hust 20122021-10-21forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles cartoon picture of

9、 light guidance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles cartoon picture of light guidance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles cartoon picture of light gui

10、dance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles cartoon picture of light guidance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21bragg conditions fulfilled bragg conditions unfulfilledbragg conditions fulfilledthe structure of the cladding an

11、d its scale dictate the “colour” and spectral width of the guided light output end of different hc-pcfs illuminated with white lightcartoon picture of light guidance in bgf hust 2012 hust 20122021-10-21光纤按纤芯折射率分布分类：a. 阶跃折射率分布光纤（siof）n( r ) = n1 ( 0 r a ) n2 ( r a ) （纤芯中）（包层中）b. 渐变折射率分布光纤（giof）n( r )

12、 = )0(121211arang)(2arn12112221222122212nnnnnnnnnn其中是相对折射率差，g是折射率参数，g：阶跃光纤，g=2：平方分布光纤。21121garn2122212nnn hust 2012 hust 20122021-10-21basic step-index (si) fiberrefractiveindex (n)diameter (r)claddingprimary coating(e.g., soft plastic) core1.4801.460sio2 glass140 mm100 mm hust 2012 hust 20122021-10

13、-21corerefractive indexeffectivecladdingfundamental modehigher-order mode hust 2012 hust 20122021-10-21gradient-index (gi) fiber1.4751.460nr hust 2012 hust 20122021-10-21什么是光纤的模式？什么是光纤的模式？光场在光纤横截面上的分布。光场在光纤横截面上的分布。横模横模光纤传输模式分类：单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。传输的模式总数：2)2(2vggmv为归一化频率，221022210

14、nannakv阶跃单模光纤的的确切判据：v 2.405 hust 2012 hust 20122021-10-21single-mode fiber (smf) step-index type with very small core most common design: 9/125 mm or 10/125 mm, na 0.1 bitrate x distance product: up to 1000 gb/s km(limited by cd and pmd - see next slides)nr1.4651.460 hust 2012 hust 20122021-10-21光纤的

15、设计与制作 hust 2012 hust 20122021-10-21如何改善光纤的传输特性：减少如何改善光纤的传输特性：减少ohoh- - ，降低损耗；，降低损耗； 改变芯经和结构参数，色散位移；改变芯经和结构参数，色散位移； 改变折射率分布，降低非线性。改变折射率分布，降低非线性。石英为基本材料：纤芯掺入geo2和p2o5 n 增加 纤芯掺入b2o3 n 减少设计问题： （1）折射率剖面分布 （2）掺杂浓度 （3）纤芯与包层尺寸并综合考虑：损耗、色散、色散斜率、有效面积、宏弯特性、pmd等 hust 2012 hust 20122021-10-211、制备预制棒、制备预制棒方法：改进的化学

16、汽相沉积法modified chemical-vapor deposition(mcvd) 轴外汽相沉积法 outside-vapor deposition(ovd) 轴向汽相沉积法vapor-axial deposition(vad) 等离子体化学汽相沉积法plasma chemical-vapor deposition(pcvd) hust 2012 hust 20122021-10-21改进的化学汽相沉积法改进的化学汽相沉积法 (mcvd)(mcvd)贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤 玻璃粉层沉积玻璃粉层沉积初步烧结初步烧结加强

17、热成实心棒加强热成实心棒烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成反应物质金属卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口sio2饵管 烧结后的玻璃粉层沉积物来回移动的喷灯h-o hust 2012 hust 20122021-10-21mcvd光纤预制棒设备 hust 2012 hust 20122021-10-21等离子体活性化学汽相沉积法 (pcvd)熔融石英管sicl4 + o2 + 参杂物质反应物质排气口低压工作的等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 ghz，8米/分钟)10001200度飞利浦提出1978年应用于

18、量产直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形可快速移动，沉积厚度减少，有利于控制折射率分布 hust 2012 hust 20122021-10-21汽相氧化法：外部汽相氧化法汽相氧化法：外部汽相氧化法 (ovpo)(ovpo)o2+sicl4+gecl4蒸汽饵棒粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉 1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒1970年 康宁 第一根损耗小于20 db/km的光纤 hust 2012 hust 20122021-10-21汽相轴向沉积法汽相轴向沉积法 (vad)(vad)推进机 马达马达输送杆透明预制棒容器环状加热器疏松的预制棒真空泵红外热成像仪玻璃微粒反应室 喷灯口优点：优点：1. 预制棒不再具有空洞预制棒不再具有空洞2. 预制棒可以任意长预制棒可以任意长3. 沉积室和熔融室紧密沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作相连，可以保证制作 环境清洁环境清洁4. 没有使用氢氧焰，单没有使用氢氧焰，单 模光纤所含的模光纤所含的oh- 较较 低，因此损耗较低在低，因此损耗较低在 0.20.4 db/km1977年日本开发 hust 2012 hust 20122021-10-21 hust 2012 hust 20122021-10-212、 拉丝拉丝heat (2000c-2200c