现代光电子技术 (全套研究生教学教案)

第一讲光学发展史（3学时）参考书物理学史引言古代光学发展史古希腊欧几里德《几何原本》《反射光学》、托勒密《光学》：几何光学基本现象几何光学时期几何光学的建立开普勒研究折射定律，入射角与折射角不成正比，发现全反射荷兰斯涅尔定律：n1sin1=n2sin2笛卡尔的解释：微粒说，光密中速度快法国费马解释：费马原理，最小（极值）光程原理。光的微粒说与波动说－本性认识微粒说：笛卡尔－牛顿波动说：荷兰惠更斯波动光学时期1801年Tomas.Young贡献：双缝实验。法国Fresnel贡献：惠更斯－菲涅尔原理1818年法国科学院征文，证明光的微粒说，菲涅尔提交论文。法国马吕斯提出偏振：马吕斯定律杨、菲涅尔、阿拉果合作研究偏振光干涉实验，提出光是横波。1850年傅科测量水中光速，波动说最后胜利。物理光学时期麦克斯韦（Maxwell）电磁理论电磁波－矢量亥姆霍兹方程（赫兹实验验证）电磁波谱（长波、中波、短波、微波、红外、可见光、紫外、X射线、射线）菲涅尔公式（电磁场边界条件）B和D法向方向连续，E和H切向方向连续菲涅尔公式以及折射和反射时和振幅（强度）比，n相差越大，反射越多菲涅尔反射：水2%，玻璃4%，钻石15%左右经典光学建立在电磁学丰厚土壤上，9世纪末基本成熟现代光学及现代物理学19世纪末经典物理的成就经典物理学危机迈克尔逊－莫雷实验、黑体辐射实验、光电效应实验等。量子论黑体辐射实验（维恩辐射公式）短波符合（瑞利－金斯公式）长波符合，紫外灾难1900年德国普朗克公式德国普朗克公式的解释－量子假说1905年爱因斯坦光量子假说，解释光电效应康普顿散射实验1913年丹麦玻尔原子模型（电子轨道量子化，能量量子化，频率量子化）量子力学的诞生1923法国德布罗伊波粒二象性（1927年戴维逊－革未实验验证电子衍射）1925年德国海森堡建立矩阵力学（矩阵力学，对易原理，量子力学诞生、测不准原理）1926年奥地利薛定谔创立波动方程（借鉴哈密顿方程）（物质波意义，玻恩统计解释）量子力学应用（激光理论，激光器）相对论的诞生迈克尔逊－莫雷实验的目的及意义（Maxwell方程组不满足协变，x/=x+vt，只适用于绝对参照系－以太）当时认为光速是相对于绝对坐标系的速度（迈克尔逊－莫雷实验测试光速相对地球的速度，但无法测出，即无法证实以太漂移）荷兰洛伦兹贡献－修正坐标变换（洛伦兹变换）（但认为存在绝对时间）法国彭加勒贡献（提出光速在真空中不变，认为绝对运动不存在，但未抛弃以太）爱因斯坦狭义相对论（1905年提出，同年获苏黎世大学博士）（如何统一光速不变原理和相对性原理，绝对时间空间）（四维空间，间隔不变－因果关系）（Sagnac效应证明）爱因斯坦独立创建广义相对论（引力问题，惯性参照系－所有参照系）（广义协变，引力引起时空弯曲）激光的诞生1917年爱因斯坦《关于辐射的量子力学》，预言受激辐射1954年微波量子放大器出现（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）1958年肖洛、汤斯提出激光建议1960年梅曼制作第一台红宝石激光器，激光诞生1961年氦氖激光器（连续运转）1962年半导体激光器1964年氩离子激光器、二氧化碳激光器、钕玻璃激光器激光特点高简并度、高相干性、高亮度、方向性好激光理论原子与光的相互作用经典（偶极子、电磁波）、半经典（原子能级、电磁波）、全量子（原子能级、场振子）现代光学分支仪器光学几何光学为主，以计算机辅助设计为主（CAOD5、Optiwave、Rsoft、Zmax）现代光学仪器：相干检测技术，激光测距仪，光度计、光谱分析仪等薄膜光学波动光学菲涅尔公式增透膜、冷光膜、DWDM及GFF红外光学红外夜视仪、温度传感器微光学（MOMES）MEMES、光纤器件（隔离器、环形器、滤波器等）、纳米技术导波光学、集成光学、光纤光学波导：微波与光，条形波导与光纤；LiNbO3，SiO2，GaAs；Y波导、外调制器、生化（物）及医用光学信息光学及全息术物、像、传递函数，透镜的Fourier变换特性、白光全息术光计算光学双稳态及光开关自适应光学仪器光学与微机电结合，自动反馈及控制非线性光学P与E的非线性，n与E的关系（克尔效应），Stokes光（Raman及Bruion散射）光通信

第二讲光的干涉及衍射（3学时）参考书Goodman统计光学波动光学：干涉和衍射衍射理论：惠更斯－菲涅尔原理：光线基本传播规律，物象变换关系波长越短，直线性越好(P)(P/)rzx0、y0x(P)(P/)rzx0、y0x、y（r>>）菲涅尔近似：（＝0，z>>x,y）菲涅尔衍射：除相位因子，象是物的空间傅里叶变换：空间频率，信息光学的基础夫琅和费近似：（相位因子=1）：象是物的二维空间傅里叶变换，透镜的成象夫琅和费单缝圆孔衍射：夫琅和费圆孔衍射：（sin=0.61/RAiry斑84%，衍射极限）：孔径限制分辨率单缝衍射统计特性：几率波光波的相干性（分振幅－时间和分波面－空间）时间相干性迈克尔逊干涉仪（Mach-Zender干涉仪）K1=K2=1时：。为自相干函数。复相干度：0<()<1，复数部分为相位差。由光源时间相干性（光源的光谱）决定光谱对时间相干性的影响对于Gauss线型光源对于Lorentzz线型光源对于矩型光源相干时间及相干长度对于Gauss线型光源对于Lorentzz线型光源对于矩型光源一般定义相干长度为空间相干性Young氏双缝实验QQＰ1r2Ｐ2r1S不考虑时间相干性，考虑非相干光源互相干性的传播（VanCittert-Zernike定理）相干面积光源尺寸越小，距离越远，相干面积越大。分析Young氏双缝实验（光源大小、缝距离、光源与缝的距离）激光的优点具有好的时间相干性和空间相干性第三讲辐射理论（3学时）参考书沈柯《激光原理教程》（一、二、三章）激光发展简介光和物质（原子）的相互作用，电子跃迁引起发光（红外，可见、紫外）理论基础：经典电磁学、原子物理、量子力学1917年爱因斯坦《关于辐射的量子力学》，预言受激辐射，光放大的可能（Laser）1954年微波量子放大器出现（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）1958年肖洛、汤斯提出激光建议1960年梅曼制作第一台红宝石激光器，激光（现代光学）诞生激光理论简介（电磁场和原子的相互作用）经典：偶极子、电磁波。很少用半经典：量子力学（原子能级）、电磁场。常用全量子：量子力学（原子能级）、量子电动力学（电磁场量子化、场振子）。少用速率方程：最常用辐射量度学和光度学的一些概念辐射量度学光度学辐射能量（W）=683lm(.555)光通量（流明lm）辐射强度（W.sr-1）发光强度（坎德拉cd=lm.sr-1）辐射亮度（W.m-2sr-1）光亮度（cd.m-2）（不能提高）辐射照度（W.m-2）光照度（勒克斯lx=lm.m-2）黑体辐射实验及Plank公式光的模式及量子状态（g非常大）波动特性（Maxwell方程的一个解）：由边界条件决定量子状态：（由测不准原理决定）h3为六维空间的一个相格（每个光子的体积）。三维动量空间光子简并度每个状态的平均光子数，服从玻色－爱因斯坦统计（玻色子和费米子），10-3－10-5Plank公式（一定频率范围内的能量分布）光的自发辐射、受激吸收和受激辐射（速率方程）EE2E1h21=E2-E1d21自发辐射（阻尼振荡）－自发辐射速率受激吸收及受激辐射（强迫振荡）－受激吸收（辐射）速率爱因斯坦对Plank公式的解释及爱因斯坦系数的关系光谱线的线型及宽度（共振，受激辐射系数与谱线形状的关系）线型函数（Fourier变换，时域/频域）自然宽度及碰撞加宽（洛伦兹函数）e-t都普勒加宽（高斯函数）均匀加宽和非均匀加宽（所有原子及部分原子）均匀加宽：所有工作物质对光谱线函数都用相同的贡献，例如自然线宽及碰撞加宽都属于均匀加宽，其线型函数为洛伦兹函数。非均匀加宽：某一部分工作物质只对光谱线函数中某一频率有贡献，都普勒加宽属于非均匀加宽，其线型函数为高斯函数。非均匀加宽会产生增益烧孔效应，会导致激光器的多模振荡。气体激光器：均匀加宽或都普勒加宽固体及晶体激光器：库伦力引起非均匀加宽晶体激光器：增益和损耗激光实际上是一种光放大：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation光在介质中的损耗：（布格尔定律）原因：受激吸收和受激辐射，自发辐射的影响要小一二个数量级。考虑：v=dz/dt，B12=B21：光在介质中的增益系数：粒子数反转（负温度状态）玻尔兹曼分布粒子数反转率三能级系统和四能级系统两能级系统不可能实现粒子数反转（Ｎ2不可能大于Ｎ1）泵浦、亚稳态（寿命ms量级）、一般激发态（寿命10ns量级）三能级系统E1E2激光下能级激光上能级（亚稳态）E3E1E2激光下能级激光上能级（亚稳态）E3EE3E2E4激光上能级（亚稳态）激光下能级E1四能级系统

比值为100（红宝石），尽量选择四能级系统第四讲光的增益特性（3学时）参考书沈柯《激光原理教程》（第三章）光在物质中的传输增益或吸收由上下能级的粒子数决定通常物质表现为吸收，实现增益必须由外部泵浦打破平衡，实现粒子数反转三能级或四能级系统，泵浦频率要大于辐射频率泵浦方式：光泵浦或电泵浦增益曲线与原子辐射谱曲线相同增益饱和三能级系统的速率方程组：当泵浦光为零时：其中：，完全吸收；，光强不变令：增益/频率曲线，小信号增益系数，饱和光强，增益均匀下降增益由反转粒子数的浓度决定非均匀加宽与增益烧孔效应非均匀加宽情况，Ｎ与有关，将出现增益烧孔现象放大自发辐射（超发射光、ASE光）用途：光纤陀螺、PMD测试、白光干涉仪、滤波器等形成过程：双向过程ＩASE－ＩASE＋ASE－ASE＋泵浦光光强z=0阈值长度最佳长度LＩASE－ＩASE＋ASE－ASE＋泵浦光光强z=0阈值长度最佳长度L正反向荧光光强变化关系（先计算各点粒子数反转率）荧光光强与长度的关系阈值长度。大于阈值长度线性关系。SLD光源PP型半导体N型半导体PN结（有源区）SLD光源为超发射发光二极管，其发光特性介于半导体激光器（LD）和发光二极管（LED）之间。它的光谱特性类似LED，但输出功率要大很多。SLD光源照片及内部结构SLD管脚1、8之间是致冷电阻，2、3为热敏电阻，4、5之间是发光管。主要指标尾纤出纤功率中心波长及光谱宽度光谱调制度（Ripple）在对数坐标下测出光谱曲线上峰值波长与邻近模式极小值处的光强Pmax、Pmin，待测器件的光谱调制度m为：尾纤偏振串音SFS光源ASE光源结构掺铒光纤掺铒光纤980nm激光器IPＩASE＋×WDM1ＩASE－×熔接点熔接点1端2端WDM2×熔接点荧光光强：斜率效率，单向可达10mW光谱：不平坦，1532nm峰值，谱宽5nm，希望20－30nm增益平坦滤波器（GFF）加长周期光栅，反射GFF：薄膜技术，微金属化封装平坦度0.1dB左右，但与泵浦功率有关第五讲激光谐振腔及高斯光束（3学时）参考书周炳琨《激光原理》（第二章）放大自发辐射（ASE）单程放大，属于荧光性质，模式较多谐振腔滤波谐振腔种类：平面平等腔（F－P腔）、共焦腔、高损耗腔、环形腔、复合腔等谐振腔的作用：滤波，减少光的模式谐振腔驻波条件纵模及振荡频率：驻波条件/2谐振腔（反射腔）本征频率环形腔本征频率自由光谱范围（FSR）（FreeSpaceRange）反射腔：环形腔：激光纵模对于Ｌ为1米，FSR＝1.5108Hz，对应，=2/2L=0.0002nm多纵模振荡气体激光器（He-Ne）：=109，L=1m，FSR=1.5108，7纵模固体激光器（红宝石）：=61010，L=3－4半导体激光器：=100nm，=51013，L=0.谐振腔内的增益与损耗－激光建立开始：稳定：均匀加宽：单纵模振荡非均匀加宽：多纵模振荡谐振腔内的光场－衍射的自再现菲涅尔－基尔霍夫衍射积分自再现条件方形镜腔内光场（直角坐标系下分离变量法）－横模的概念：高斯光束厄米－高斯函数（TEMmn）基模高斯函数（TEM00）TEMTEM00TEM10TEM01TEM01TEM11高阶横模（TEMmn）圆形镜腔内光场（柱坐标系下分离变量法）拉盖尔－高斯函数TEMTEM00TEM02TEM20TEM01TEM10高阶横模（TEMmn）基模高斯光束传输－远场发散角zrzrL=2F0光场分布（沿z方向传输）腰的传播变粗、腰越大，发散角越小。如何理解高斯光束：光场分布高斯光束的变换矩阵光学：几何光学，偏振态（Jones矩阵），薄膜光学，高斯光束（比较几何光学）自由空间矩阵：，薄透镜矩阵：ABCD定律：高斯光束的自由空间的变换薄透镜对基模高斯光束的变换物象关系l=时：l/=F；l=F时：l/=F高斯光束的聚焦及准直（望远系统）光斑越小，角度越大；反之亦然第六讲激光功率及光谱特性（3学时）参考书周炳琨《激光原理》激光器的阈值PPth（Ith）PP（I）阈值条件（增益大于损耗）阈值反转粒子数密度（光强观点）阈值反转粒子数密度（光子观点）红宝石激光器：1017/cm-3；钕玻璃激光器：1018/cm-3；YIG激光器：1016/cm-3三能级系统阈值功率只和工作物质有关，四能级系统阈值功率还和损耗有关阈值电流，饱和功率（光强）激光的建立源于自发辐射，1个光子－2个光子－4个光子，在谐振腔中实现放大；通过模式竞争，最后为单模或多个模式。建立过程为ns量级。激光器的光谱特性自发辐射谱宽（线型函数g()）谐振腔自由光谱范围FSR无源谐振腔的谱宽激光器（有源腔）的谱线宽度有源谐振腔理想谱线宽度应为零谱宽由自发辐射引起，增益小于损耗，有限波列长度（阻尼振荡）He-Ne激光器为10-3Hz量级，为线宽极限FP半导体激光器（1nm/100GHz）、DFB激光器（0.1nm/10GHz－10MHz）、DBR激光器（<1M）光纤激光器kHz与谐振腔本征模宽度（增加腔长）平方成正比，与输出功率成反比单模激光器的输出功率00I+I-ILG=3.0G=3.0300.20.40.60.81.0TIo/Is21=0=0.1=0.2=0.3=0.5输出光功率与透过率之间的关系0.30246810GTm0.20.1=0.1=0.005=0.01=0.05最佳透过率与增益和损耗之间的关系激光器的最佳透过率激光器的噪声相位噪声：强度噪声：散粒噪声（ShotNoise）和拍频噪声噪声由自发辐射引起激光的注入锁定选模技术横模选择减小菲涅尔数（N=S/L），加光阑，非稳腔纵模选择减小腔长，加入复合腔（F-P腔），加滤波器、注入锁定等环形激光陀螺（RLG）Sagnac效应对于0.01/h陀螺，f约0.02Hz。cwcwccw模合理论，越接近，耦合系数越大。激光陀螺的“死区”及模式耦合模式耦合：对于环形腔激光器，正反行波频率接近一定程度时，频率会完全相同。偏频技术：机械抖动、磁光偏频激光器的调Q技术为了获得超短脉冲（武器、测距、空间通信）调整腔内损耗（Q值），得到大量反转粒子数，突然减小损耗，ns量级兆瓦级脉冲。调Q方法电光调Q（改变折射率及偏振方向）、声光调Q（衍射，改变方向，电压低，但速度慢）调Q时间极限（L/C）：ns量级，由腔长决定激光器的锁模技术达到ps至fs量级千兆瓦级超短脉冲，时间为振荡周期量级使个纵模的相位保持确定关系锁模方式：振幅调制（f=v/2L）、相位调制第十一讲平面介质波导（3学时）参考书秦秉坤孙雨南《介质光波导及其应用》波导源于微波。传输及束缚。平面波导、条形波导（带状波导）和圆柱形波导（光纤）光线理论和波动理论（为主）。波导截面很小（大与小），不可忽略波动性Maxwell方程组（适于所的波导），边界条件求解。平面波导：一维边界条件。条形波导：二维直角坐标。光纤：二维柱坐标。求解传播常数、模式、截止波长等全反射cn2n1k1=n1k0k2=n2k0Gauss-Heisson位移数值孔径NA（入射、出射光的角度，与耦合效率有关）波矢量k：空间传播特性（E=E0exp[j(t-kr)]）（纵向）传播常数（模式传播速度、色散）折射定律另一形式：（纵向）传播常数相同（n1sin1=n2sin2）。越大：越平行光轴横向传播常数Gauss-Heisson位移：类似量子力学势阱贯穿，光纤理论及耦合理论基础平面介质波导d为m量级，n1>n2>n3。全反射条件：ddn2n1k1=n1k0k2=n2k0n3xzyk3=n3k0p和q分别为两侧衬底的衰减系数。1/p和1/q分别为两侧衬底的穿透深度，为波长量级。为连续解，根据Maxwell方程组及边界条件可得到分立解。Maxwell方程组均匀折射率波导中，得到矢量Helmholtz方程直解坐标系求解E=Ex+Ey+Ez，H=Hx+Hy+Hz，/y＝0TE模与TM模→TE模（Ey、Hx、Hz：Ex=Ez=Hy=0）和TM模（Hy、Ex、Ez：Hx=Hz=Ey=0，）EEHTExz0d直角坐标分量：TE模：边界条件：x=0及x=d处，Ey和Hz（Ey/x）连续。得到特征方程：TE模特征方程驻波条件，菲涅尔公式计算全反射相移ddn2n1n3TE0TE1TE2数值解法。h、p、q均为和k0（）的函数，波导结构及确定后即可解出。分立解（TEn）特征方程（-方程）TE2TE1TE0cn2k2n1TE2TE1TE0cn2k2n1k0截止条件截止方程：截止波长：对称波导截止波长（基模截止波长为）截止厚度：对称波导单模条件：TM模特征方程第十二讲光纤原理（3学时）参考书秦秉坤孙雨南《介质光波导及其应用》（第二章）条形波导种类：LiNbO3（LiTaO3）、SiO2、GaAs。制作工艺：光刻工艺，集成光学Ti扩散工艺、质子交换工艺芯/包层结构：芯（core）、包层（clading）TETEMxmnTEMxmnXTEMymnTEMymnY模式：TEMxmn，TEMymn，基模：TEMx00，TEMy00。光纤简介发展：1966年高锟博士论文，1970年美国Corning公司结构：芯/包层/涂敷层结构，圆柱型对称纤芯（core）：6－9；包层（cladding）：125；涂覆层（coating）：250；250250125（n2）8（n1）种类：单模光纤、多模光纤（塑料光纤、阶跃渐变）、特种光纤（保偏、耐高温、抗辐照）制造工艺：制预制棒（MCVD、OVD、VAD）（SiO2、GeO2），拉丝光线理论子午光线与空间光纤空间光线：模数越高，离中心越远数值孔径NA（入射、出射光的角度，与耦合效率有关）单模光纤：(0.003-0.01)，NA(0.1-0.2),5-10；多模光纤：(0.01-0.03)，NA(0.2-0.4)；通信单模光纤：NA(0.11-0.12)、6.3、1.458/1.463、0.003、85.3保偏光纤：NA(0.17-0.18)、9.8、1.458/1.468、0.007、83.3光纤矢量解矢量Helmholtz方程算符分解为轴向和横向分量场分解为轴向和横向分量只有z分量满足矢量Helmholtz方程，解Ez，Hz。Er、E、Hr、H可通过z分量导出分离变量法：得到：，m：角方向模式数归一化参数（结构参数）：其中：边界条件求解：解U、W（）r=a处，切向分量E和H连续，特征方程只能通过数值计算求解精确波型m=0，TE、TM模（E、H可分离开）TE：E、Hr、Hz；TM：H、Er、Ez；子午光线m0：E、H无法分离开，六个分量，HE0n、EH0n模模式定义：m、n分别为切向及径向的量子数HEmn、EHmn（HE11、HE2l、EH11、EH12……截止条件（无法满足全反射）随着减小，U增加，W减小。全反射条件：W＝0。m=0，TE、TM模：截止方程TE01，TM01TE02，TM02TE03，TM03U（V）2.405.528.65意义：V>U时，该模才有可能出现m>0，且m1，HE模HE21HE31HE41HE22U（V）2.403.835.135.52m=1，HE模HE11*（基模）HE12HE13U（V）03.837.01m>0，EH模EH11EH21EH31EH12U（V）3.835.136.387.01矢量模总结EH11模没有截止，是光纤的基模V>2.4048时，出现二阶模HE21、TE01、TM01，V<2.4048是单模光纤要满足的条件考虑偏振，每个模包括两个简并模从全反射理解模式：截止处，W=0，全反射临界角，光线角度最大。一个模刚出现时，角度最大（包层能量最大），随着V增加（芯径增加），角度变小（能量集中至纤芯）。小至一定程度，下一个模出现。线偏振模（LP模LinearPolarization、标量模）Gloge等人提出，对于光通信，不考虑振动方向，只考虑传播速度。弱导（n1n1）近似下，光纤模式近似TEM模，可按直角坐标分解。Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz特征方程（r=a场分量连续）：截止方程（W=0）：矢量模与线偏振模的对应关系V值范围LPmn模矢量模模式数02.4048LP01HE1122.40483.8317LP11TE01、TM01、HE2143.83175.1356LP02、LP02HE12、HE31、EH1165.13565.5201LP31HE41、EH2145.52016.3802LP12TE02、TM02、HE2246.38027.0156LP41HE51、EH3147.01567.5883LP22、LP03HE13、HE3267.58838.4172LP51EH41、HE614第十三讲单模光纤（3学时）参考书廖延彪《光纤光学》单模光纤的特征参数数值孔径（NumericalAperture）影响光纤的弯曲特性测试方法：远场扫描MFD数值孔径（ModeFieldDiameter）采用高斯近似，光强下降为中心最大值1/e2处直径MFD与波长有关，越大，MFD越大。1/e1/e2r=01Ir=ar=-aMFD=2ac处，MFD略大于几何芯径。Fibercore公司掺铒光纤参数DF1500F-980Cut-offWavelength900nm－970nmNumericalAperture0.22－0.24ModeFieldDiameter3.5m（980nm），5.9m（1550截止波长c（CutoffWavelength）工作波长应大于c，c一般略小于工作波长。测试方法：波长扫描几何参数CladdingDiameter1251m/801CoreCladdingConcentricity<1CoatingDiameter24010m/160测试方法：远场扫描、近场扫描、变孔径、横向位移等机械参数ProofTest＞1%（100kpsi)单模光纤的损耗（attenuation）0.2dB/km吸收（本征吸收、红外吸收、紫外吸收、重金属吸收、OH－吸收）、瑞利散射（天空颜色）、波导缺欠等损耗的定义及计算：3dB/50%；10dB/10%。目前水平：0.2dB/km@1550nm、0.3dB/km@1300nm光纤的色散（dispersion）速度延迟，决定通信系统带宽模色散多模光纤中最主要的色散材料色散n=n()：增大，n变小，速度增加。波导色散=()：增大，变小，速度变小。材料色散和波导色散可以相互抵消，1.3m零色散（色散系数B单位：ps/km.nm，通常为2～20。减小谱宽可以减小色散色散位移技术，G655光纤，损耗小及利用EDFA技术偏振模色散（PMD）：由双折射引起特点：与光源谱宽无关，随机性。单位：ps/km1/2限制通信带宽的最后瓶颈，对目前2.5G系统影响不大光纤的带宽（Bandwidth）2.5G、10G、40G、160G单模光纤的连接：熔接：单模－多模（单向）；单模－单模（双向），光纤熔接机活动连接：FC/PC/APC、SC、ST单模光纤的偏振特性本征模：圆偏振模（HE11及HE-11）和线偏振模HE11x及HE11y）理想单模光纤具有线偏振及圆偏振的保持能力双折射（birefringence）及偏振串音实际光纤由自身缺欠及外界影响，无法保持偏振态低双折射光纤尽量圆，各向同性（理想球）PandaBow-TiePandaBow-TieEllipticalcoreEllipticalJaccket高双折射光纤（保偏光纤PolarizationMaintaining）大的各向异性（自身双折射），远大于处界影响单偏振光纤大的几何不对称，弯曲性能不同偏振串音：代表保偏光纤的偏振保持能力。当线偏振光沿光纤的一个光轴入射时，当传输一定距离后，光功率串扰到另一光轴的大小叫偏振串音。定义为：Py为串扰功率，P0为总功率。偏振串音单位是dB，始终是负值。拍长（Beatlength）：第十四讲光纤无源器件（3学时）参考书廖延彪《光纤光学》（第四章）光纤无源器件原理及工艺有源器件：光源（光发射机）、探测器（光接收机）、光放大器无源器件：种类很多（耦合器、WDM、DWDM、隔离器、环形器、偏振器、消偏器、滤波器、光开关、调制器、光纤光栅等）主要工艺：熔烧拉锥法、集成光学法、微光学法（MOMES，MEMS）梯度透镜（GrinLens）（1/4节自聚焦透镜）－微光学（鼓状透镜）光纤耦合器（Coupler）ininout1out2耦合理论（由波导的畸变引起，由微扰理论解出，理想波导无耦合）考虑同种光纤（相等传播常数），并考虑边界条件，可得：保偏光纤耦合器：匹配型光纤，打结工艺，平烧工艺波分复用器（WDMWaveDivisionMultipler）：耦合系数与波长有关主要用于通信和EDFA（980/1550、1480/1550、1310/1550）光纤滤波器（Filter）：耦合系数对波长敏感优点：全光纤结构、损耗小；缺点：精度低，不便批量生产，无法实现窄带光纤隔离器（Isolator）－Farady效应（非互易）梯度透镜梯度透镜梯度透镜偏振器偏振器YIG晶体磁场偏振相关型偏振无关型梯度透镜梯度透镜梯度透镜偏振器偏振器YIG晶体磁场光纤环形器（二向：AB、BC；三向：AB、BC、CA）偏振相关和偏振无关型光纤偏振器单模光纤偏振器石英底座石英底座光纤SiO2MgOAl2O3保偏光纤偏振器（研磨型、线圈型和微光集成型）光纤消偏器Lyot消偏器，对光谱平均和超出相干长度长度2：1主要对矩形光源，45非常敏感相位调制器－集成光学（损耗大）保偏光纤保偏光纤单模光纤波导电极光源调制（2.5G）－啁啾现象（Chirp折射率受到调制）10G、40G需外调制集成光学工艺（钛扩散、质子交换）－改变折射率LiNbOLiNbO3TiTi钛扩散工艺：（清洗、甩胶、光刻、坚膜、镀膜、扩散、制作电极）质子交换工艺：（苯甲酸中反应）光开关机械式光开关（速度慢、寿命短）原理：通过电磁继电器切换光通道波导波导电极电光式光开关（集成光学工艺、速度快、损耗大、寿命长）原理：通过Kerr光电效应切换光通道磁光式光开关（速度较快、损耗较小、寿命较长）原理：通过Farady效应切换光通道光纤布拉格光栅折射率周期畸变折射率周期畸变紫外光敏光纤，紫外曝光，产生折射率周期用于滤波、温度、应力传感、光纤通信等第十五讲光纤传感技术（3学时）光纤陀螺光纤陀螺的检测精度说明：和c是真空中的光波长和光速，与介质折射率无关。单位：（rad/s），S（rad）。对于1.3m波长，S=0.01611*L*D*（rad）假设L=500m，D=85m