第12讲光纤原理 现代光电子技术.docVIP

第十二讲 光纤原理（3学时） 参考书 秦秉坤 孙雨南《介质光波导及其应用》（第二章） 条形波导 种类：LiNbO3（LiTaO3）、SiO2、GaAs。 制作工艺：光刻工艺，集成光学 Ti扩散工艺、质子交换工艺 芯/包层结构：芯（core）、包层（clading） 模式：TEMxmn，TEMymn，基模：TEMx00，TEMy00。 光纤简介 发展：1966年高锟博士论文，1970年美国Corning公司 结构：芯/包层/涂敷层结构，圆柱型对称 纤芯（core）：6－9(；包层（cladding）：125(；涂覆层（coating）：250(； 种类：单模光纤、多模光纤（塑料光纤、阶跃渐变）、特种光纤（保偏、耐高温、抗辐照） 制造工艺：制预制棒（MCVD、OVD、VAD）（SiO2、GeO2），拉丝 光线理论 子午光线与空间光纤 空间光线：模数越高，离中心越远 数值孔径NA（入射、出射光的角度，与耦合效率有关） 单模光纤：((0.003-0.01)，NA(0.1-0.2),5(-10(；多模光纤：((0.01-0.03)，NA(0.2-0.4)； 通信单模光纤：NA(0.11-0.12)、6.3(、1.458/1.463、0.003、85.3( 保偏光纤：NA(0.17-0.18)、9.8(、1.458/1.468、0.007、83.3( 光纤矢量解 矢量Helmholtz方程 算符分解为轴向和横向分量 场分解为轴向和横向分量 只有z分量满足矢量Helmholtz方程，解Ez，Hz。Er、E(、Hr、H(可通过z分量导出 分离变量法： 得到：，m：角方向模式数 归一化参数（结构参数）： 其中： 边界条件求解：解U、W（(） r=a处，切向分量E(和H(连续，特征方程 只能通过数值计算求解 精确波型 m=0，TE、TM模（E、H可分离开） TE：E(、Hr、Hz；TM：H(、Er、Ez；子午光线 m(0：E、H无法分离开，六个分量，HE0n、EH0n模 模式定义：m、n分别为切向及径向的量子数 HEmn、EHmn（HE11 、HE2l 、EH11、EH12……）旋转光线（左旋、右旋） 截止条件（无法满足全反射） 随着(减小，U增加，W减小。 全反射条件：W＝0。 m=0，TE、TM模：截止方程 TE01，TM01 TE02，TM02 TE03，TM03 U（V） 2.40 5.52 8.65 意义：VU时，该模才有可能出现 m0，且m(1，HE模 HE21 HE31 HE41 HE22 U（V） 2.40 3.83 5.13 5.52 m=1，HE模 HE11*（基模） HE12 HE13 U（V） 0 3.83 7.01 m0， EH模 EH11 EH21 EH31 EH12 U（V） 3.83 5.13 6.38 7.01 矢量模总结 EH11 模没有截止，是光纤的基模 V2.4048时，出现二阶模HE21、TE01、TM01，V2.4048是单模光纤要满足的条件 考虑偏振，每个模包括两个简并模 从全反射理解模式：截止处，W=0，全反射临界角，光线角度最大。一个模刚出现时，角度最大（包层能量最大），随着V增加（芯径增加），角度变小（能量集中至纤芯）。小至一定程度，下一个模出现。 线偏振模（LP模Linear Polarization、标量模） Gloge等人提出，对于光通信，不考虑振动方向，只考虑传播速度。弱导（n1( n1）近似下，光纤模式近似TEM模，可按直角坐标分解。Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz 特征方程（r=a场分量连续）： 截止方程（W=0）： 矢量模与线偏振模的对应关系 V值范围 LPmn模 矢量模 模式数 0(2.4048 LP01 HE11 2 2.4048(3.8317 LP11 TE01、TM01、HE21 4 3.8317(5.1356 LP02、LP02 HE12、HE31、EH11 6 5.1356(5.5201 LP31 HE41、EH21 4 5.5201(6.3802 LP12 TE02、TM02、HE22 4 6.3802(7.0156 LP41 HE51、EH31 4 7.0156(7.5883 LP22、LP03 HE13、HE32 6 7.5883(8.4172 LP51 EH41、HE61 4 第十二讲 光纤原理 ―4－ 8(（n1） 125(（n2） X TEMxmn TEMxmn Y TEMymn TEMymn 250(