第五章光纤光学技巧.ppt

第五章 光波导与光纤 引言 光纤是光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。激光器问世之后，作为潜在的光载波传输媒质之一，很多研究机构即开展了用光纤进行光载波传输的研究。 主要内容 光纤的基本结构和分类； 光纤的损耗和色散； 均匀折射率光纤的光线理论； 光纤中波动方程 阶跃圆光纤的导模和模的色散方程 光纤中模的截止和划分 应用 光纤的结构 光纤由纤芯、包层、涂敷层组成，其 主要成分是二氧化硅。纤芯折射率较 高，其主要成分为掺杂的二氧化硅， 含量达99.9999％。其余成分为极少 量的掺杂剂，如二氧化锗等，以提高 纤芯的折射率。纤芯直径一般在 5~50μm之间。包层材料一般为纯二 氧化硅，外径为125μm，作用是把光 限制在纤芯中。涂覆层为环氧树酯、 硅橡胶等高分子材料，用于增强光纤 的柔韧性、机械强度和耐老化特性。 有的光纤还有更复杂的结构，以满足 使用中不同的要求。 图1 单模光纤的结构简图 光纤的分类 阶跃型和渐变型光纤 阶跃型光纤的折射率分布： 渐变型光纤折射率分布： 光纤的分类 单模光纤和多模光纤： 光纤的归一化频率： 单模工作条件：V2.405 它由光纤的工作波长、芯区半径及折射率分布共同决定。 图 单模光纤和多模光纤结构示意图 光纤的损耗 在工程和实际应用时，光纤损耗常用的表述形式为： 光纤损耗主要有： （1）光纤的吸收损耗； （2）光纤的散射损耗：散射损耗主要为光纤材料中不可避 免的随机密度波动所引起的Rayleigh散射损耗，它是短波长区域光纤损耗的主要来源。Rayleigh散射损耗与光波长的四次方成反比。 。 光纤的吸收损耗： 这是由于光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，它们把光能以热 能的形式消耗于光纤中，是光纤损耗中重要的损耗，吸收损耗包括以下 几种： （1）物质本征吸收损耗 ：物质固有的吸收引起的损耗 ； （2）掺杂剂和杂质离子引起的吸收损耗 ：光纤材料中含有跃迁金属如 铁、铜、铬等，它们有各自的吸收峰和吸收带并随它们价态不同而不 同。 （3）原子缺陷吸收损耗 ：光纤材料由于受热或强烈的辐射，它会受激而 产生原子的缺陷，造成对光的吸收，产生损耗，但一般情况下这种影 响很小。 1.31um和1.55um波段是光纤作为光波传输媒介的两个主要低损耗工作窗口。 光纤的色散 光纤色散是指构成光信号的电磁波各分量在光纤中具有不同的传输速度的现象。 主要包括： （1）模式色散： 发生在多模光纤中，主要来自不同光纤模式传输速度的不同，它可以 通过在光纤芯区采用抛物型渐变折射率分布而大幅度降低。 （2）材料色散和波导效应： 单模光纤中，色散起源于光信号中不同的频率成份在光纤中具有不同 的传输速度。 材料色散：介质的折射率随光波频率的变化。 波导色散：不同频率的电磁波在芯区和包层中的分布形式不同，所感受 到的光纤有效折射率也不同，从而造成各频率成分的传输速度 不同。 （3）偏振模色散： 单模光纤中两个正交偏振模式可能具有不同的传输速度。 模色散：不同方向的光路径不同，到达的时间不同。 色散对光脉冲影响 均匀折射率光纤的光线理论 图中n1，n2分别为纤芯和包层的折射率，n0为光纤周围媒质的折射率，要使光能完全限制在光纤内传输，则应使光线在纤芯－包层分界面上的入射角ψ大于（至少等于）临界角ψ0，即 相应于临界角ψ0的入射角φ0，反映了光纤集光能力的大小。 数值孔径： 可得长度为L的光纤中，得到 总光路长度： 总反射次数： 光纤中光的传输－波动方程 在线性和各向同性的均匀介质材料中，如果无电流和自由电荷（ ）存 在，Maxwell方程组可以写为： 根据上面的方程组得到光波在透明媒质（光纤）中的传输方程，且对于均匀光纤（ε为常数和）或ε变化缓慢的光纤（ε不为常数，但），有 阶跃圆光纤中的导模 本征值方程： 设光纤中传播的电磁波可表示为： 得到Ez和Hz的表达式分别为 模的色散方程和近似解 “弱波导近似” ：在实际使用的光纤中 ，或写成相对折射 率之差就有 模的截止条件 模的截止条件是 模的划分 多模光纤模数估算 光纤耦合 光纤是光传播的通道