《光纖光學(xué)教學(xué)課件》第二講

1、1.1 引言1、什么是光纖光學(xué)？研究光波在光纖中傳播特性的科學(xué)。內(nèi)容包括：基本原理、技術(shù)及其相關(guān)的器件2、什么是光纖？介質(zhì)圓柱光波導(dǎo)，充分約束光波的橫向傳輸（橫向沒(méi)有輻射泄漏），縱向?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?；窘Y(jié)構(gòu)：纖芯、包層、套塑層8/20/2022第1頁(yè)，共39頁(yè)。Typical Dimension for Silica Fibers:SMF: 8 mm core, 125 mm claddingMMF: 50, 62.5, 100 mm core, 125 mm claddingIndex profile:Step vs. Graded vs. multi-stepCladdingPrimary

2、 coating(e.g., soft plastic) CoreSiO2 Glass8/20/2022第2頁(yè)，共39頁(yè)。纖芯與包層構(gòu)成光波導(dǎo)光波導(dǎo)：約束光波傳輸?shù)拿浇閷?dǎo)波光：受到約束的光波光波導(dǎo)三要素：“芯 / 包”結(jié)構(gòu)凸形折射率分布，n1n2低傳輸損耗8/20/2022第3頁(yè)，共39頁(yè)。3、光纖光學(xué)所涉及的基本問(wèn)題 光纖模式的激勵(lì)（光的入射）； 光纖中的模式分布（光線傳播軌跡）； 模式的傳播速度（光線的延遲）： 模式沿橫截面的分布； 光信號(hào)的畸變； 傳輸損耗； 模式的偏振特性； 模式的耦合。a.理論研究所涉及到的方面：8/20/2022第4頁(yè)，共39頁(yè)。b.光纖技術(shù)所涉及到的方面： 參數(shù)測(cè)

3、試技術(shù)； 自聚焦、準(zhǔn)直技術(shù)（聚焦透鏡）； 連接、耦合技術(shù)（光纖光纖、半導(dǎo)體器件、耦合器）； 隔離、偏振控制技術(shù)（隔離器、偏振控制器）； 傳感技術(shù)（傳感器）。8/20/2022第5頁(yè)，共39頁(yè)。c.光纖器件所涉及到的方面：自聚焦透鏡； 光纖耦合器； 光學(xué)隔離器、光學(xué)環(huán)形器； 光纖光柵； 光纖放大器與光纖激光器。8/20/2022第6頁(yè)，共39頁(yè)。光纖光學(xué)的研究方法幾何光學(xué)方法： 光纖芯徑遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)0時(shí), 可以近似認(rèn)為00，從而將光波近似看成由一根一根光線所構(gòu)成, 因此可采用幾何光學(xué)方法來(lái)分析光線的入射、傳播(軌跡) 以及時(shí)延(色散) 和光強(qiáng)分布等特性，這種分析方法即為光線理論。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀

4、，適合于分析芯徑較粗的多模光纖。缺點(diǎn)：不能解釋諸如模式分布、包層模、模式耦合以及光場(chǎng)分布等現(xiàn)象，分析單模光纖時(shí)結(jié)果存在很大的誤差。 8/20/2022第7頁(yè)，共39頁(yè)。波動(dòng)光學(xué)方法： 是一種嚴(yán)格的分析方法，從光波的 本質(zhì)特性電磁波出發(fā)，通過(guò)求解電磁波所遵從的麥克斯韋方程，導(dǎo)出電磁波的場(chǎng)分布。優(yōu)點(diǎn)：具有理論上的嚴(yán)謹(jǐn)性，未做任何前提近似，因此適用于各種折射率分布的單模和多模光纖。缺點(diǎn)：分析過(guò)程較為復(fù)雜。8/20/2022第8頁(yè)，共39頁(yè)。光纖光學(xué)的研究方法比較8/20/2022第9頁(yè)，共39頁(yè)。1.2 光纖的分類(lèi)按用途進(jìn)行分類(lèi)按纖芯的折射率分布進(jìn)行分類(lèi)按光纖中的傳輸模式進(jìn)行分類(lèi)8/20/2022第

5、10頁(yè)，共39頁(yè)。光纖按用途分類(lèi)：通信用光纖 高速率DWDM系統(tǒng)、低速率的局域網(wǎng) 有源光纖、高非線性光纖、色散管理光纖、大有效面積光纖、光子晶體光纖、多包層光纖 非通信用的光纖 傳感光纖、傳光光纖、傳像光纖、特殊用途光纖8/20/2022第11頁(yè)，共39頁(yè)。 Index-Guiding FiberAcrylate-CoatingLow Index Silica-Air CladdingHigh Index Silica Core8/20/2022第12頁(yè)，共39頁(yè)。 Bandgap Guiding FiberAcrylate-CoatingBendgap Silica-Air Cladding

6、Low Index Air Core8/20/2022第13頁(yè)，共39頁(yè)。Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap deviceCartoon picture of light guidance in BGFnlownhighBragg law(1st order)Constructive interference Total reflection for centred around Judicious choice of nlow, nhigh and1915 Bandgap Guiding Fiber8/20/2022第14頁(yè)，共39頁(yè)。forb

7、idden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF Bandgap Guiding Fiber8/20/2022第15頁(yè)，共39頁(yè)。forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF8/20/2022第16頁(yè)，共39頁(yè)。forbidden rang

8、eof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF8/20/2022第17頁(yè)，共39頁(yè)。forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF8/20/2022第18頁(yè)，共39頁(yè)。Bragg conditions fulfilled Bragg conditions un

9、fulfilledBragg conditions fulfilledThe structure of the cladding and 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 BGF8/20/2022第19頁(yè)，共39頁(yè)。光纖按纖芯折射率分布分類(lèi)：a. 階躍折射率分布光纖（SIOF）b. 漸變折射率分布光

10、纖（GIOF）8/20/2022第20頁(yè)，共39頁(yè)。Basic Step-Index (SI) FiberRefractiveIndex (n)Diameter (r)CladdingPrimary coating(e.g., soft plastic) Core1.4801.460SiO2 Glass140 m100 m8/20/2022第21頁(yè)，共39頁(yè)。 Standard Fiber Analogy Index GuidingCoreRefractive indexEffectiveCladdingFundamental modeHigher-order mode8/20/2022第22

11、頁(yè)，共39頁(yè)。Gradient-Index (GI) Fiber1.4751.460nr8/20/2022第23頁(yè)，共39頁(yè)。什么是光纖的模式？光場(chǎng)在光纖橫截面上的分布。橫模光纖傳輸模式分類(lèi)：?jiǎn)文９饫w：只允許一個(gè)模式傳輸?shù)墓饫w；多模光纖：光纖中允許兩個(gè)或更多的模式傳播。傳輸?shù)哪Ｊ娇倲?shù)：8/20/2022第24頁(yè)，共39頁(yè)。Single-Mode Fiber (SMF)Step-Index type with very small coreMost common design: 9/125 m or 10/125 m, NA 0.1Bitrate x Distance product: up t

12、o 1000 Gb/s km(limited by CD and PMD - see next slides)nr1.4651.4608/20/2022第25頁(yè)，共39頁(yè)。光纖的設(shè)計(jì)與制作8/20/2022第26頁(yè)，共39頁(yè)。1、光纖的設(shè)計(jì)如何改善光纖的傳輸特性：減少OH- ，降低損耗； 改變芯經(jīng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，色散位移； 改變折射率分布，降低非線性。石英為基本材料：纖芯摻入GeO2和P2O5 n 增加 纖芯摻入B2O3 n 減少設(shè)計(jì)問(wèn)題： （1）折射率剖面分布 （2）摻雜濃度 （3）纖芯與包層尺寸并綜合考慮：損耗、色散、色散斜率、有效面積、宏彎特性、PMD等8/20/2022第27頁(yè)，共39頁(yè)。

13、2、光纖的制作1、制備預(yù)制棒方法：改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法Modified chemical-vapor deposition(MCVD) 軸外汽相沉積法 Outside-vapor deposition(OVD) 軸向汽相沉積法Vapor-axial deposition(VAD) 等離子體化學(xué)汽相沉積法Plasma chemical-vapor deposition(PCVD)8/20/2022第28頁(yè)，共39頁(yè)。改進(jìn)的化學(xué)汽相沉積法 (MCVD)貝爾實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)，可用于制造低損耗梯度折射率光纖 玻璃粉層沉積初步燒結(jié)加強(qiáng)熱成實(shí)心棒燒結(jié)后，纖芯由汽相沉積材料構(gòu)成，包層由原始的石英管構(gòu)成反應(yīng)物質(zhì)金屬

14、鹵化物蒸汽+氧氣粉塵狀生成物排氣口SiO2餌管 燒結(jié)后的玻璃粉層沉積物來(lái)回移動(dòng)的噴燈H-O8/20/2022第29頁(yè)，共39頁(yè)。MCVD光纖預(yù)制棒設(shè)備 8/20/2022第30頁(yè)，共39頁(yè)。等離子體活性化學(xué)汽相沉積法 (PCVD)熔融石英管SiCl4 + O2 + 參雜物質(zhì)反應(yīng)物質(zhì)排氣口低壓工作的等離子體玻璃層快速來(lái)回移動(dòng)的微波諧振腔 (2.45 GHz，8米/分鐘)10001200度飛利浦提出1978年應(yīng)用于量產(chǎn)直接玻璃沉積不需高溫?zé)Y(jié)反應(yīng)管不易變形可快速移動(dòng)，沉積厚度減少，有利于控制折射率分布PCVD方法可以更為準(zhǔn)確地控制光纖的折射率分布。而且沉積效率高, 沉積速度快, 有利于消除SiO2

15、 層沉積過(guò)程中的微觀不均勻性, 從而大大降低光纖中散射造成的本征損耗, 適合制備復(fù)雜折射率剖面的光纖。8/20/2022第31頁(yè)，共39頁(yè)。汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽餌棒粉層狀預(yù)制棒噴嘴玻璃微粒粉層沉積粉狀預(yù)制棒剖面芯包層粉狀預(yù)制棒加熱爐 1400度玻璃預(yù)制棒預(yù)制棒燒結(jié)拉制光纖加熱爐玻璃預(yù)制棒1970年 康寧 第一根損耗小于20 dB/km的光纖8/20/2022第32頁(yè)，共39頁(yè)。汽相軸向沉積法 (VAD)推進(jìn)機(jī) 馬達(dá)馬達(dá)輸送桿透明預(yù)制棒容器環(huán)狀加熱器疏松的預(yù)制棒真空泵紅外熱成像儀玻璃微粒反應(yīng)室 噴燈口優(yōu)點(diǎn)：1. 預(yù)制棒不再具有空洞2. 預(yù)制棒可以任意長(zhǎng)3. 沉積室和熔融室緊密 相連，可以保證制作 環(huán)境清潔4. 沒(méi)有使用氫氧焰，單 模光纖所含的OH- 較 低，因此損耗較低在 0.20.4 dB/km1977年日本開(kāi)發(fā)8/20/2022第33頁(yè)，共39頁(yè)。8/20/2022第34頁(yè)，共39頁(yè)。2、 拉絲Heat (2000C-2200C) (melting)Coating