光電子學(xué)(第四章10)

1、 湖南大學(xué)物理與微電子科學(xué)學(xué)院，王玲玲2016 年 3 月物理與微電子科學(xué)學(xué)院物理與微電子科學(xué)學(xué)院School of Physics and MicroelectronicsScience 光電子學(xué) 第四章 光輻射在介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播 第十六講問(wèn)題一：功率分配主要說(shuō)明什么問(wèn)題？問(wèn)題一：功率分配主要說(shuō)明什么問(wèn)題？ 纖芯及包層傳輸功率占總功率比； 功率因數(shù)功率因數(shù)，功率在纖芯集中程度。 )3264( )()()(1)1 ()()()(1 112221122222uJuJuJVuKKKuVPPmmmmmm總芯功率因數(shù) 遠(yuǎn)離截止模式：遠(yuǎn)離截止模式：Jm(u)=0，V， 1，功率集中芯里；截止態(tài)：截止態(tài)：

2、 0， )3364()()()(112mmKKKm=0，m=1，m1三種： m=0，1低階膜，傳輸功率完全轉(zhuǎn)移到包層， 0， m1高階，功率部分轉(zhuǎn)移，階越高，留在芯越多，功率因數(shù)高（V越高） 問(wèn)題二：?jiǎn)文９饫w的極化說(shuō)明什么問(wèn)題？問(wèn)題二：?jiǎn)文９饫w的極化說(shuō)明什么問(wèn)題？ u Ey與Ex傳播v差別，合成矢量方向隨光波傳播不斷變化，色散現(xiàn)象極化色散；極化色散； )4564(2xyL拍長(zhǎng)L?。?y- x大），雙折射嚴(yán)重。慢軸：模n大軸 快軸：模n小軸 450線偏振光在雙折射光纖中偏振態(tài)演變 光輻射在介質(zhì)波導(dǎo)中的傳播 44-6 光纖中電磁波模式理論 4-4 矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念 4-3 平板波導(dǎo)的電磁理論

3、4-2 介質(zhì)平板光波導(dǎo)的射線分析方法 4-1 光在介質(zhì)分界面上的反射與折射 4-8 光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 4-5 光纖中的射線分析（上、下） 4-7 光纖損耗與色散 本節(jié)介紹思路： 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用首：光各種損耗：吸收，耗散，彎曲損耗；定義及產(chǎn)生原因； 然：損耗表示； 后：光纖色散，含：群速度與時(shí)延差，材料、波導(dǎo)、模間 色散，單模光纖色散特性，定義及產(chǎn)生原因； 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-

4、2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用p 光纖通信問(wèn)題：盡可能 光纖損耗，實(shí)用。 p 20世紀(jì)70年代前，損耗100dB/km（高錕高錕預(yù)言20dB/km）；）； p 70年代來(lái)，幾十dB/km 1dB/km，0.5-0.2dB/km，近理論極限； p 損耗： 單位長(zhǎng)度衰減；單位dB/km p 光纖損耗是通信距離固有限制，影響傳輸、或中繼站間隔距離，了解并 損耗光纖通信意義重大。 損耗 依賴： p 工藝 和 p 石英（芯）材料。 4-1光在介質(zhì)分界面

5、上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 u 影響損耗因素： 吸收損耗、 散色損耗（光纖，波導(dǎo)）、 彎曲損耗。 p 光纖和雜質(zhì)對(duì)光能吸收，光能熱能消耗于光纖，含： 物質(zhì)固有吸收固有吸收引起。 光纖在紅外及紫外區(qū)有吸收帶，兩頻帶，固有吸收本征吸收； 紫外區(qū)紫外區(qū)吸收：電子躍遷電子躍遷引起； p 吸收強(qiáng)，躍遷中心 0.16 m，吸收光譜線延伸1 m， 對(duì)0.85 m 有吸收； 紅外區(qū)紅外區(qū)吸收：晶

6、格振動(dòng)晶格振動(dòng)及多聲子過(guò)程多聲子過(guò)程引起； p 近紅外 0.8-3 m (780-2526nm)，本征吸收振動(dòng)引起；如 SiO2 p 中紅外中紅外 3-5 mp 遠(yuǎn)紅外 9-12 m，振動(dòng)吸收，邊緣達(dá)通信 （0.8-1.6 m）； 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 物質(zhì)本征吸收損耗物質(zhì)本征吸收損耗 過(guò)渡金屬正離子和水的氫氧根負(fù)離子 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散

7、 1. 吸收損耗吸收損耗 2. 耗散損耗 熔融石英玻璃含水時(shí) 原子缺陷吸收損耗 對(duì)光纖損耗影響大：材料雜質(zhì)，雜質(zhì)，引起損耗成分： 光纖含躍遷金屬躍遷金屬Fe，Cu，Mn，Mg，Cr，Ni，Co，離子形式存在材料，各吸收峰和吸收帶隨價(jià)態(tài)不同。p Fe離子吸收最嚴(yán)重，吸收帶0.7-1.3 m； p Cu離子吸收帶0.6-1.0 m； p 躍遷金屬離子吸收引起光纖損耗取決濃度。 OH產(chǎn)生吸收損耗，基本吸收（中心）2.8 m，吸收帶 0.5-1.0 m；純石英光纖（芯），雜質(zhì)引損耗不考慮。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基

8、本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 物質(zhì)本征吸收損耗 過(guò)渡金屬正離子和水的氫氧根負(fù)離子過(guò)渡金屬正離子和水的氫氧根負(fù)離子 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗吸收損耗 2. 耗散損耗 熔融石英玻璃含水時(shí) 原子缺陷吸收損耗 離子含量多，吸收損耗嚴(yán)重； 損耗，工藝 金屬離子含量， 希望損耗值1dB/km， 金屬離子含量1 10-9 表4-7-1 光纖水與金屬離子含量限制表（峰值損耗1dB/km） p 70年代，損耗幾十 1dB/km p 達(dá)0.5-0.2dB/km 4-

9、1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 物質(zhì)本征吸收損耗 過(guò)渡金屬正離子和水的氫氧根負(fù)離子過(guò)渡金屬正離子和水的氫氧根負(fù)離子 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗吸收損耗 2. 耗散損耗 熔融石英玻璃含水時(shí) 原子缺陷吸收損耗 離子名稱離子名稱吸收峰吸收峰 (m)離子濃度離子濃度 (10-9)Cu2+0.80.45Fe2+1.10.40Ni2+0.650.20V3+

10、0.4750.90Cr3+0.6750.40Mn3+0.50.90 OH-1吸收中心 2.8 m，諧波（吸收帶）1.38 m，0.95 m， 0.72 m，光纖通訊 范圍，影響信號(hào)傳播； 損耗，控制材料水含量， 1dB/km條件，計(jì)算材料水含量 ； OH 吸收 譜圖；6101u 光纖損耗極低， 1.55 m附近， u 石英光纖損耗0.2dB/km， 任何傳輸媒質(zhì)損耗。 u 無(wú)中繼傳輸距離幾十，上百km；4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與

11、色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1.38 m 0.95 0.72 光纖通訊 范圍 1.31 m，1.55 m 1.31 1.55 0.86 物質(zhì)本征吸收損耗 過(guò)渡金屬正離子和水的氫氧根負(fù)離子 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗吸收損耗 2. 耗散損耗 熔融石英玻璃含水時(shí)熔融石英玻璃含水時(shí) 原子缺陷吸收損耗 p 光纖受熱或輻射，受激產(chǎn)生原子缺陷，造成對(duì)光吸收，產(chǎn)生損耗。 p 影響很小影響很小。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中

12、電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 物質(zhì)本征吸收損耗 過(guò)渡金屬正離子和水的氫氧根負(fù)離子 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗吸收損耗 2. 耗散損耗 熔融石英玻璃含水時(shí) 原子缺陷吸收損耗原子缺陷吸收損耗 光纖材料本身，外觀（尺寸，形狀）不理想現(xiàn)象， p如：晶體缺陷，氣泡，雜質(zhì)，不溶粒子，析晶，界面不平滑引起不均； 光傳輸?shù)较鄳?yīng)位置，產(chǎn)生模式散射損耗； 損耗與模式功率線性線性散射損耗，特點(diǎn)： p光 散射過(guò)程不變； 線性散射損耗線性散射損耗 非線性散射損耗 波導(dǎo)散射損耗 光纖加熱，熱騷動(dòng)： p 原子壓縮不

13、均，物質(zhì)密度不均，n不均。不均勻冷卻過(guò)程固定，尺寸光波 ； p 光傳輸遇到L0 光散射角光纖數(shù)值孔徑，仍在纖芯傳播，模式變，模耦合； 不均勻不一定引起散射損耗，勻周期 造成散射損耗；) 174(/4210 aL01. 025，mammmmmmmL11 . 0/1 . 01 . 0/1010001. 0/2543210 2122212nnn 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 線性散射損耗線性散射損耗 非線性散射

14、損耗 波導(dǎo)散射損耗 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗耗散損耗 a纖徑； 相對(duì)n差； （1）線性散射主要瑞利散射，光纖不均 量級(jí) /n p 重要作用，損耗與 4成反比； p 瑞利散射角全方向，原因：u 加熱材料不均冷卻過(guò)程被固定，致n不均； 材料內(nèi)部密度和成份變引起。 441 I 瑞利散射瑞利散射 米氏散射 散射光 =入射光 ，散射粒子入射光 ，沒(méi)有 位移（無(wú)能量變， 同）彈性光散射； 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線

15、分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 線性散射損耗線性散射損耗 非線性散射損耗 波導(dǎo)散射損耗 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗耗散損耗 （2）范圍較大不均勻（一定閾值產(chǎn)生，散射過(guò)程受激現(xiàn)象。 u 典型非線性散射：p 受激布里淵散射； p 受激拉曼散射； u 避免非線性散射：p 閾值電平，p 寬光譜光源及多模光纖； 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波

16、模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 線性散射損耗 非線性散射損耗非線性散射損耗 波導(dǎo)散射損耗 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗耗散損耗 交界面隨機(jī)畸變或粗糙產(chǎn)生散射： 模式轉(zhuǎn)換或 模式耦合。 一種模式因交界面起伏，產(chǎn)生其他傳輸和輻射模式。 光纖傳輸各模式衰減不同，長(zhǎng)距離模式變換過(guò)程：u 衰減小變成大模式，連續(xù)變換和反變換后，各模式損失平衡，模式總體產(chǎn)生額外損耗，模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生附加損耗波導(dǎo)散射損耗。 損耗： 制造工藝； 拉得好或質(zhì)量高光纖，略損耗。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)

17、平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 線性散射損耗 非線性散射損耗 波導(dǎo)散射損耗波導(dǎo)散射損耗 3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗耗散損耗 u 光纖軟，彎到一定，可導(dǎo)光，光傳輸途徑變。 u 傳輸模轉(zhuǎn)換為輻射模：p 部分光滲透到包層或穿過(guò)包層輻射模外泄漏損失，產(chǎn)生損耗。 光纖傳輸光信號(hào)應(yīng)用前景大，信號(hào)傳播，影響因素： 信號(hào)衰減； 色散。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板

18、上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用3. 彎曲損耗彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗 彎曲引起損耗： p 改變邊界條件，導(dǎo)模輻射模； 模式轉(zhuǎn)換引起彎曲損耗，與彎曲半徑指數(shù)關(guān)系： p 彎曲R小，輻射損耗 快； 彎曲處曲率半徑越小，損耗越大彎曲處曲率半徑越小，損耗越大 彎曲損耗與光 有關(guān)， 越長(zhǎng)，損耗越大 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理

19、論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用3. 彎曲損耗彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗 V1V2V2V1，V歸一化 輻射損耗dB/kma1 102R(cm)圖4-7-2 輻射損耗隨光纖彎曲半徑R變化 歸一化 大，相同R損耗低 歸一化 越小， 越大，同彎曲R，損耗大； 多模光纖彎曲，曲率R8-10cm，損耗略； 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5

20、光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用 彎曲處曲率半徑越小，損耗越大 彎曲損耗與光彎曲損耗與光 有關(guān)，有關(guān)， 越長(zhǎng)，損耗越大越長(zhǎng)，損耗越大 3. 彎曲損耗彎曲損耗 4. 損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗 V1V2V2V1 V歸一化頻率輻射損耗dB/kma1102R(cm)圖4-7-2 輻射損耗隨光纖彎曲半徑R變化歸一化 大，相同R損耗低 多模光纖損耗：不同模式攜帶功率及傳輸損耗不同； p高階模衰減大； p傳輸，模間功率轉(zhuǎn)換； 被給予功率模式不是導(dǎo)模，出現(xiàn)功率損耗， 該模式仍在光纖傳

21、輸，總功率不變； 光纖模式耦合表明： p外條件定：內(nèi)模式耦合不定，短距離明顯；p較長(zhǎng)距離互作用，模式間耦合穩(wěn)定，功率分配趨平衡。 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗 “穩(wěn)態(tài)”，衰減系數(shù)：p p(0)輸入功率； p P(z)從0經(jīng)z功率； p 2a功率衰減系數(shù)； 定義：損耗a單位距離衰減： 一般

22、： p Pi輸入功率，PO輸出功率，z傳輸距離；)274()0()(2zaePzP286. 8lg10)()0(lg10aezzPPzaza) 374()(lg10dBPPzaOi4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗 1.38 m 0.95 0.72光纖通訊 范圍1.31 m，1.55 m 0.

23、861.31 1.55 工作 ： 0.85發(fā)展到1.31和1.55 m； 對(duì)應(yīng)幾個(gè)傳輸窗口， 長(zhǎng)，損耗??； 線性散射損耗線性散射損耗 電子躍遷引起電子躍遷引起 晶格振動(dòng)多聲子過(guò)程引起晶格振動(dòng)多聲子過(guò)程引起 基本吸收極峰基本吸收極峰2.7 m附近附近 0.85 m 1.31 m 1.55 m 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散

24、 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗 光纖損耗特性圖 光纖衰減圖 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 nm OH-OH-OH-第一窗口第二窗口第三窗口衰減(dB/km)水峰值 6 54321 0.85 m 1.31 m 1.55 m 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用3. 彎曲損耗 4. 損耗的表示損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗

25、2. 耗散損耗 一般測(cè)量一般測(cè)量曲線曲線即將做到即將做到曲線曲線紫外吸收紫外吸收紅外吸收紅外吸收長(zhǎng)波長(zhǎng)窗口長(zhǎng)波長(zhǎng)窗口波導(dǎo)不完善波導(dǎo)不完善短短波波長(zhǎng)長(zhǎng)窗窗口口波長(zhǎng)波長(zhǎng)( ( m) m) 損耗損耗( (dB/km)光纖損耗波譜曲線光纖損耗波譜曲線 瑞利散射瑞利散射目前光通目前光通訊用訊用OH+吸收高峰吸收高峰光通訊希望光通訊希望長(zhǎng)長(zhǎng) 窗口窗口1.31-1.55 m4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用3. 彎曲損耗 4

26、. 損耗的表示損耗的表示 一、光纖的損耗一、光纖的損耗 二、光纖的色散 1. 吸收損耗 2. 耗散損耗 高純高純SiO2光纖光纖0.5-1.1 m范圍損耗波譜曲線范圍損耗波譜曲線 0.85發(fā)展1.31和1.55 m； 對(duì)應(yīng)幾個(gè)傳輸窗口， 長(zhǎng)，損耗??； 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 p 光纖損耗改進(jìn)，色散制約光纖通信因素； p 色散（Dispersion）：）：光

27、脈沖沿光纖行進(jìn)一段距離頻寬變粗。 p 原因：同 或不同模式成分不同群速度d /d ，傳輸過(guò)程彼此散開(kāi)，信號(hào)變形； p 如：輸入矩形脈沖信號(hào)，經(jīng)一段距離色散； u 時(shí)域：脈沖展寬（前后沿t 加大）； u 頻域：信號(hào)頻譜寬度變窄； 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 群速度：合成波包等振幅面?zhèn)鞑 p 模間色散：多模光纖不同模式沿不同路徑傳輸； p 材料色散：不同 光行進(jìn)

28、v不同； p 波導(dǎo)色散：光能量在纖芯及包層傳輸，不同v行進(jìn)。 單模光纖，主要后二者，變光纖內(nèi)結(jié)構(gòu)變光纖色散重要。 時(shí)延差（同點(diǎn)不同角度光達(dá) 軸線另點(diǎn)t 不等，色散）； 各光線軸向v不同，時(shí)延差； p差大，色散嚴(yán)重； 光信號(hào)含許多 成分，一種 不同角射入光纖，不同模式光纖傳輸； p 不同 或不同模式互作用引起時(shí)延差復(fù)雜； p 研究光纖傳播特性，不用與單一 聯(lián)系相速度，相速度， 用表征光能傳播群速度；群速度；p 載頻f0光波，攜帶信號(hào)帶寬 f1.27 m為正， 數(shù)百個(gè)（視歸一化 定），模間色散復(fù)雜。 簡(jiǎn)單，一種 入射到光纖； 同 不同模式間時(shí)延差理解：p 一種 光波以不同角度入射到光纖，形成不同模

29、式，每種模不同 軸向v，同時(shí)出發(fā)不同模式，達(dá)輸出端t不同，輸出端信號(hào)畸變； p 實(shí)際信號(hào)不只一 ，一個(gè)脈沖含許多 ，每種 多種模式傳播； 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性 1212，討論導(dǎo)波成立與截止條件 不同 形成同模式歸一類，光脈沖看成不同組導(dǎo)模構(gòu)成，每種模式

30、有一群v，模式間群v 不同，模間色散； 最高次模與基模間時(shí)延差表征模間色散大小脈沖展寬； 階躍光纖單位長(zhǎng)度展寬： 射線分析法得時(shí)延差表達(dá)式； )1874(1minmaxmodcn)1454() 1(12211211minmaxmaxcnnnncnnncnztt最大時(shí)延差最大時(shí)延差 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散模間色散 一、光纖的損耗 二、

31、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性 1212，討論導(dǎo)波成立與截止條件 模式色散對(duì)光傳輸影響大， 模式色散重要； 梯度光纖有效方法，n分布： 模式群理論推導(dǎo)模式色散引起時(shí)延差（單位長(zhǎng)度脈沖展寬）： 12( )(0)1 2 ( ) 47 19rn rna （）2(0) (2)2(2)(4720)(0)22nac anc）（，27-5-4)()/(21)0()(21aranararnrn 冪函數(shù)表示n分布 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光

32、纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用冪函數(shù)表示n分布 平方關(guān)系 1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性 =2，n(r)拋物線型， 最?。?=0.01，n(0)=1.5； =2， =0.25 ns， =2.2， =2.4 ns; 比階躍光纖（幾十ns）小許多 梯度光纖對(duì) 模間色散影響有效； nsnsm25. 0/10321001. 05 . 1892 nsnsm4 . 2)22 . 2(/10310)22 . 2(01. 05 . 189)1874(1minmaxmod cn005.

33、 02)0(/2)0(/2 cncn階躍光纖梯度光纖梯度光纖模式色散引起時(shí)延差 階躍光纖 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用2(0) (2)2(2)(4720)(0)22nac anc群理論推導(dǎo)模式色散引起 時(shí)延差（單位長(zhǎng)度脈沖展寬） =2 1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性 是前面為什么研究梯度光

34、纖原因； )974()2(21)(2222020022ddddcdkdkffcdddd時(shí)延差： 歸納：材料色散： 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性 dN/dk0表示： d2n/d 2表示： ）（17741000dkdNkffc)1274(22dndc梯度光纖： 2

35、(0) (2)2(2)(4720)(0)22nac anc波導(dǎo)色散： p 波導(dǎo)色散與a， 關(guān)系，a/ 為變化參量： u a/ 大（a大 ?。⑿?u a/ ?。ㄐ。╝小 大），色散嚴(yán)重 )1874(1minmaxmod cn階躍光纖模間色散： 多模梯度光纖對(duì) 模間色散影響有效； 模間色散： 單模光纖沒(méi)有模間色散，影響傳輸特性： p材料色散（d2n/d 2，dN/dk0）與 p波導(dǎo)色散 (a/ )； 討論兩種色散，歸一化頻率V和歸一化傳播常數(shù)b分析 與 有關(guān)，求 與V關(guān)系； 推材料與波導(dǎo)色散定量式； 目的：求單模光纖色散時(shí)延差 4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方

36、法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性單模光纖的色散特性 )(20nnk 定義歸一化傳播常數(shù) V，u 代入： 2222/1VVub10 b)2274()()()(2121222121210212221220nbnnnnnkbnnnk）（96422120anku）（auV1864222）（116422202ank)2174()(2221202

37、2202nnknkb)()()()(/1222120222022221202222022222022222nnknkankankankVVub4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性單模光纖的色散特性 (4-7-21)解解 ： 簡(jiǎn)化：2211211221)(/ )(1/nnnnn

38、nnnnn，)2474()()()()()(00212110200100100dkdbknnNNbNdkbnkddkbnkddknkddkd)2274()()()(2121222121210212221220nbnnnnnkbnnnk)2374( )()(1 )1 (21101211010bnnnkbnnnnkbnk見(jiàn)下頁(yè) )1 (2121 )(21 )(1 )()()(101021112111021112121102121222121210212221220bnkbnknnbnnnnknnbnnnnnknbnnnnnkbnnnk02020101/ )(/ )(dknkdNdknkdN，4-1

39、光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性單模光纖的色散特性 弱導(dǎo)波光纖， 求 對(duì)k0一階微商（單模色散表達(dá)式分解材料和波導(dǎo)色散構(gòu)成）： 纖心與包層群指數(shù)。 )2474()()()()()(00212110200100100dkdbknnNNbNdkbnkddkbnkddknkddkd)

40、2474()()()()()()()()()()()()()()()(00212110020200010100100200020200100010100100200100100dkdbknnNNbNdkdbkndknkdbdkdbkndknkdbdknkddkbndkdkbkdndknkdbdkbndkdkbkdndknkdbdknkddkbnkddkbnkddknkddkd推導(dǎo) (4-7-24)： 纖芯與包層群指數(shù)02020101/ )(/ )(dknkdNdknkdN4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5

41、光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性單模光纖的色散特性 弱導(dǎo)波光纖芯與包層色散特性相近特點(diǎn)，)2474()()()()()(00212110200100100dkdbknnNNbNdkbnkddkbnkddknkddkd，0)/()/(0201dkdndkdn2121NNnn)/()/()/()/(/000dVdbkVdkdVdVdbdkdb)2574()()(2110dVVbdNNNdkddVV

42、bdNNNdVdbVbNNNdVdbkVkbNNNdkdbkNNNNbNdkd)()()(/)()()(211211002110021211002020101/ )(/ )(dknkdNdknkdN4-1光在介質(zhì)分界面上反射與折射4-2介質(zhì)平板上光波導(dǎo)射線分析方法 4-3平板波導(dǎo)電磁理論 4-4矩形介質(zhì)波導(dǎo)基本概念4-5光纖中射線分析4-6光纖中電磁波模式理論4-7光纖損耗光纖損耗與色散與色散4-8光波導(dǎo)裝置與應(yīng)用1. 群速度與時(shí)延差 2. 材料色散 3. 波導(dǎo)色散 4. 模間色散 一、光纖的損耗 二、光纖的色散二、光纖的色散 5. 單模光纖的色散特性單模光纖的色散特性 得： )2674()()(2202101202dVVbdkVNNdkdNdkd）（2574)()(2110dVVbdNNNdkd）（2674)()()()()()()()()()()()()(220210102