光纤光学复习

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1、俞俞 侃侃华中科技大学文华学院信息学部华中科技大学文华学院信息学部22021/6/332021/6/3光纤光纤折射率分布42021/6/3几何光学几何光学方法方法d光线光线射线方程折射/反射定理光线轨迹波动方程波动方程方法方法d模式模式波导场方程边值问题模式分布研究方法研究方法研究方法研究方法研究内容研究内容适用条件适用条件研究对象研究对象基本方程基本方程52021/6/362021/6/372021/6/382021/6/3光线理论光线理论子午光线：子午光线：限制在子午平面限制在子午平面内传播的光线内传播的光线与纤轴相交与纤轴相交光线分类光线分类倾斜光线：倾斜光线：轨迹曲线不限制在轨迹曲线不

2、限制在一个平面内一个平面内与纤轴既不相交也与纤轴既不相交也不平行不平行光线轨迹光线轨迹92021/6/3102021/6/3112021/6/3子午光线子午光线阶跃阶跃光纤光纤多模多模光纤光纤传输传输容量容量时延差的倒数时延差的倒数n1=1.5,=1%,=50 ns/km传输带宽传输带宽:1/=20 MHzkm结论结论1:多模光纤通信容量并不高多模光纤通信容量并不高!由一点发出的光线不能会聚在另一点由一点发出的光线不能会聚在另一点结论结论2:阶跃光纤不适合于传输图像阶跃光纤不适合于传输图像!cn/)/nn-(ntt-/cost122100z0122021/6/3132021/6/3142021

3、/6/3152021/6/3162021/6/3172021/6/3182021/6/3192021/6/3模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。给定的波导中能存在的模式及其性质是已确定的给定的波导中能存在的模式及其性质是已确定的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式，外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式，而不会改变模式的固有性质。而不会改变模式的固有性质。每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波模式具有确

4、定的相速群速和横向场分布模式具有确定的相速群速和横向场分布本征解本征解模式模式202021/6/3根据场的纵向分量根据场的纵向分量Ez和和Hz的存在与否的存在与否模式分类模式分类横电磁模横电磁模(TEM)EzHz0横电模横电模(TE)Ez0Hz0横磁模横磁模(TM)Ez0Hz0混杂模混杂模(HE或或EH)Ez0 Hz0可以证明，光纤中不可能存在可以证明，光纤中不可能存在TEM模模光纤中存在的模式多数为光纤中存在的模式多数为HE(EH)模模,有时也出现有时也出现TE(TM)模模212021/6/3222021/6/3232021/6/3J0K0J1K1242021/6/3252021/6/3rg

5、1rg2ar导模262021/6/3272021/6/3r2arr1r3泄漏模282021/6/3292021/6/3rr1ar辐射模302021/6/3导模与辐射模的重要区别导模与辐射模的重要区别v导模对应于分立的本征值；v辐射模对应于连续的本征值；v离散的导模与连续的辐射模构成了波导的完整正交模系；v在这里，我们重点研究的是导模的传输；v在光纤损耗和模式耦合的研究中辐射模的性质非常重要；312021/6/3两种方法的比较光纤光纤辐射模辐射模TE/TM模模HE/EH模模折射光线折射光线子午光线子午光线倾斜光线倾斜光线导模导模泄漏模泄漏模约束光线约束光线隧道光线隧道光线322021/6/333

6、2021/6/3离截止条件离截止条件。342021/6/3n1n2k0HE11HE21HE31HE12TE01TM01EH11V246n1n2EH21HE41HE22TE02TM02352021/6/3v 单模条件单模条件:Vc（2/0）an12n22 2.405(仅适用于仅适用于SIOF！）v 单模光纤尺寸单模光纤尺寸:ac1.2020/（n12n22）v 单模光纤截止波长单模光纤截止波长:c（an12n22）/1.202v 单模光纤截止频率单模光纤截止频率:fc1.202c/（an12n22）v 仅当仅当c或或ffc时方可在光纤中实现单模传输时方可在光纤中实现单模传输.这时这时,在光在光纤

7、中传输的是纤中传输的是HE11模模,称为基模或主模。紧邻称为基模或主模。紧邻HE11模的高阶模的高阶模是模是TE01、TM01模和模和HE21模模,其截止值均为其截止值均为Vc2.405。v 保证单模传输条件下，保证单模传输条件下，V尽量取高值，以避免弯曲损耗尽量取高值，以避免弯曲损耗.362021/6/3372021/6/3v模式的截止与远离截止:临近截止:W=0,场在包层中不衰减 远离截止:W,场在包层中不存在382021/6/3v 弱导条件：弱导条件：n1 n2 n n1 n2，一般，一般=0.01%W0，有，有W定义：在包层中定义：在包层中n2k0 =n1k0cos z(z)n1k0

8、z 0 V0,n1k0 n2k0 场特点：场特点：光线理论光线理论：光线与纤轴的夹角小；：光线与纤轴的夹角小；波动理论波动理论：芯区对光场的限制较弱；芯区对光场的限制较弱；消逝场在包层中延伸较远。消逝场在包层中延伸较远。392021/6/3线偏振模线偏振模LP-1,m的场分量的场分量v LPm=HE+1,m+EH-1,m 是这两种精确模式的叠加！（牢记）是这两种精确模式的叠加！（牢记）v HE+1+1,m模式与模式与EH-1 1,m色散曲线相近色散曲线相近n 两者简并，本征值相同两者简并，本征值相同n 旋向相反，合成线偏振光旋向相反，合成线偏振光v 在在直角直角坐标系中求解，各分量具有固定的偏

9、振方向坐标系中求解，各分量具有固定的偏振方向v LPm模只有模只有四个四个不为零的场分量：不为零的场分量：n Ey、Hx、Ez和和Hz沿沿y方向偏振（以下讨论对象）方向偏振（以下讨论对象）n 与之正交的与之正交的Ex、Hy、Ez和和Hz 沿沿x方向偏振方向偏振402021/6/3v当当 0时，时，每一个每一个LPm模式有模式有四重四重简并简并 径向两种模式：沿径向两种模式：沿x或或y方向偏振方向偏振 角向两种变化：角向两种变化：cosf f 或或 sinf fv当当=0时，时，LP0m模式只有模式只有两重两重简并简并 径向两种模式：沿径向两种模式：沿x或或y方向偏振方向偏振412021/6/3

10、422021/6/3432021/6/3LPm模：模：沿径向的亮斑数为沿径向的亮斑数为m沿角向的亮斑数为沿角向的亮斑数为2=0，中心为亮斑，中心为亮斑0，中心为暗斑，中心为暗斑442021/6/3光纤的损耗)/(/)/log(10kmdBLPPinout452021/6/3462021/6/3472021/6/3)/()1(40kmdBBAsR+482021/6/3光纤损耗谱特性光纤损耗谱特性492021/6/3光纤的色散光纤的色散1、模间色散：、模间色散：2、波导色散：、波导色散：3、材料色散：、材料色散：4、偏振模色散：、偏振模色散：色散一般分为色散一般分为 4 种：种：发生于多模光纤中由

11、于各模式之间群速度不同而产生的色散，发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散，即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。由于某一传播模的群速度对于光的频率由于某一传播模的群速度对于光的频率(或波长或波长)不是常数，不是常数，同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结构一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结构为完全的轴对称

12、，则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必然会有相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必然会有一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟，这种现象一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟，这种现象称之为偏振模色散。称之为偏振模色散。在理论讨论中不考虑。在理论讨论中不考虑。502021/6/3512021/6/3材料色散材料色散522021/6/3波导色散波导色散532021/6/3波导色散波导色散542021/6/3552021/6/3562021/6/3 1550nm 1310nm 色色散散

13、 p ps s/n nm m k km m 普普通通光光纤纤(S SM MF F)非非色色散散位位移移光光纤纤（N ND DS SF F，G G.6 65 52 2）已已有有光光纤纤的的 9 95 5%波波长长 色色散散位位移移光光纤纤（D DS SF F,G G.6 65 53 3）非非零零色色散散位位移移光光纤纤（N NZ ZD DS SF F,G G.6 65 55 5）18 0 D DW WD DM M 波波长长范范围围 正常色散区正常色散区反常色散区反常色散区572021/6/3光有源器件光有源器件定义：发生电子光子、光子电子、或者光子光子转换过程的光电子器件 半导体光源(LD,LE

14、D,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光探测器(PD,PIN,APD）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光放大器(SOA,EDFA)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光调制器（EA）光路由器582021/6/3光无源器件光无源器件定义：不存在电子光子、光子电子、或者光子光子等转换过程光电子器件 光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅592021/6/3电线光纤调制器光

15、调制器电阻光衰减器三通（多通）光耦合器二极管光隔离器混频器光波分复用器放大器光放大器频率转换器光波长转换器滤波器光滤波器电源光源电接插件光连接器探头光探测器开关光开关集成电路集成光路602021/6/3612021/6/3准直准直聚焦聚焦准直聚焦准直聚焦622021/6/3632021/6/3642021/6/3光纤定向耦合器光纤定向耦合器(Coupler)652021/6/3光纤定向耦合器光纤定向耦合器(Coupler)662021/6/3v 耦合长度：当功率100%耦合时最小光纤长度：Lc=p/2Kv 当发生耦合作用的光纤长度等于耦合长度的奇数倍时，即获得100%的耦合；v 故可通过控制平

16、行光纤的长度以及两光纤间距来控制耦合比；v 耦合效率和耦合长度依赖于两光纤的间距d。间距越大，耦合长度越大。2D2Ddn2n1n2n1n2672021/6/3工作原理工作原理v消逝场耦合。682021/6/3v如果用一个1:1 Y-分支来耦合两个信号，信号可以被合路，但是每个信号是它原来的一半功率(3dB)692021/6/3702021/6/3Noticev波长相同时(1=2)，不可能实现完全的分离与合成，对于1:1的耦合器，必定要引起3dB的损耗；v当两波长不同时(12)，可以通过改变 耦合器的长度L或者选择适当的波长，使1与2的光功率达到接近全分波或合波；v如果1与2很接近时，需要增加耦

17、合器的长度L,才能使1与2的光功率达到完全分波或合波。712021/6/3偏振器隔离器的工作原理 法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP722021/6/3一种与输入光的偏振态无关的隔离器 光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)732021/6/3光环形器光环形器基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送顺序：12 3 4（三端口，四端口，多端口）主要特性：插入损耗 隔离度 价格742021/6/3图图 衰减器的工作原理衰减器的工作原理(a)(b)(c)PinPout反射镜反射镜PoutPin透射光透射光光吸收材光吸收材料料

18、PoutPin752021/6/3固定式光衰减器固定式光衰减器光纤拉锥型固定式光衰减器光纤拉锥型固定式光衰减器p2,bbzzdzd对单光纤进行熔融拉锥，当融锥区对单光纤进行熔融拉锥，当融锥区光纤半径变化较快时，将激励起高光纤半径变化较快时，将激励起高阶模式，引起损耗。阶模式，引起损耗。基于单光纤熔融拉锥，可以制成基于单光纤熔融拉锥，可以制成在在线型光衰减器。线型光衰减器。将融锥区截下并妥善封装，也可以将融锥区截下并妥善封装，也可以制成制成适配器型光衰减器。适配器型光衰减器。762021/6/3可调光衰减器可调光衰减器机械式机械式VOA片状挡光片状挡光:锥形挡光锥形挡光:机械式机械式VOA封装结构：封装结构：锥形挡光优于片状挡光，可以通过旋转来推进挡光部件，便于封装和调节。锥形挡光优于片状挡光，可以通过旋转来推进挡光部件，便于封装和调节。772021/6/3782021/6/3气泡式光开关气泡式光开关