光纤光学教学课件-第二讲

Constructive interference
Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap device Total reflection for Δ centred around
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Bandgap Guiding Fiber Cartoon picture of light guidance in BGF
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Single-Mode Fiber (SMF)
• Step-Index type with very small core
• Most common design: 0.1
9/125 mm or 10/125 mm, NA ~
• Bitrate x Distance product: up to 1000 Gb/s • km
高速率DWDM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 有效面积光纤、光子晶体光纤、多包层光纤 ……
• 非通信用的光纤
传感光纤、传光光纤、传像光纤、特殊用途光纤
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Index-Guiding Fiber
Acrylate-Coating
1.1 引言
1、什么是光纤光学？
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
2、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 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
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Typical Dimension for Silica Fibers: SMF: 8 mm core, 125 mm cladding MMF: 50, 62.5, 100 mm core, 125 mm cladding
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Refractive index Core
Effective Cladding
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Gradient-Index (GI) Fiber
n
1.475 1.460
r
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什么是光纤的模式？
光场在光纤横截面上的分布。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：
M g V2 2(g 2)
V 为 归 一 化 频 率 ， Vk0an 1 2n2 22 0 an 1 2 阶 跃 单 模 光 纤 的 的 确 切 判 据 ： V < 2 .4 0 5
–“芯 / 包”结构 –凸形折射率分布，n1>n2 –低传输损耗
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3、光纤光学所涉及的基本问题
a.理论研究所涉及到的方面： ① 光纤模式的激励（光的入射）；
② 光纤中的模式分布（光线传播轨迹）；
③ 模式的传播速度（光线的延迟）：
④ 模式沿横截面的分布；
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c.光纤器件所涉及到的方面：
①自聚焦透镜； ② 光纤耦合器； ③ 光学隔离器、光学环形器； ④ 光纤光栅； ⑤ 光纤放大器与光纤激光器。
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光纤光学的研究方法
几何光学方法：
光纤芯径远大于光波波长λ0时, 可以近似认为λ0→0，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。
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改进的化学汽相沉积法 (MCVD)
贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤
反应物质 金属卤化物蒸汽+氧气
Байду номын сангаас
粉尘状生成物
排气口
SiO2饵 管
烧结后的 玻璃 H-O
粉层沉积物 来回移动的喷灯
玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒 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
Low Index Silica-Air Cladding
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High Index Silica Core
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Bandgap Guiding Fiber
Acrylate-Coating
Bendgap Silica-Air Cladding
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Low Index Air Core
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Bandgap Guiding Fiber
1915
Cartoon picture of light guidance in BGF
nlow nhigh
Bragg law
(1st order)
2sin
Judicious choice of nlow, nhigh and
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光纤按纤芯折射率分布分类：
a. 阶跃折射率分布光纤（SIOF）
n1 (0≤r≤a) （纤芯中） n( r ) =
n2 ( r >a) （包层中）
b. 渐变折射率分布光纤（GIOF）
n( r ) =
11
nn111122a1argg2 2
(0ra)
n2
(ra)
其 中 n n1 1 2 2 n n2 2 2 2n n 1 12 222 n n 1 1n 2n2 2 22 n1n 1n2 是 相 对 折 射 率 差 ，
forbidden range of angles
forbidden range of angles
forbidden range of angles
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forbidden range of angles
forbidden range of angles
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MCVD光纤预制棒设备
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等离子体活性化学汽相沉积法 (PCVD)
飞利浦提出
熔融石英管
1978年应用于量产
直接玻璃沉积 不需高温烧结 反应管不易变形
反应物质
排气口
PCVD方法可以更为准确地 控制光纤的折射率分布。而
Primary coating (e.g., soft plastic)
Diameter (r)
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Standard Fiber Analogy – Index Guiding
Fundamental mode Higher-order mode
forbidden range of angles
forbidden range of angles
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Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
forbidden range of angles
(limited by CD and PMD - see next slides)
n
1.465 1.460
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r
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光纤的设计与制作
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1、光纤的设计
如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗； 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。
优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。 缺点：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。
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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。
SiCl4
+
O2
+
参杂物质 低压工作的等离子体
1000~1200度
且沉积效率高, 沉积速度快,
有利于消除SiO2 层沉积过程 玻璃层
中的微观不均匀性, 从而大
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Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
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Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
⑤ 光信号的畸变；
⑥ 传输损耗；
⑦ 模式的偏振特性；
⑧ 模式的耦合。
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b.光纤技术所涉及到的方面：
① 参数测试技术； ② 自聚焦、准直技术（聚焦透镜）； ③ 连接、耦合技术（光纤—光纤、半导体器件、耦合 器）； ④ 隔离、偏振控制技术（隔离器、偏振控制器）； ⑤ 传感技术（传感器）。