光频率介质纤维表面波导

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1、光频率介质纤维表面波导高锟(G.A.Hockham)关键词：光学纤维，波导摘要：折射率高于周围区域的介质纤维是作为在光频段引导传输的可能的介质的一种介电波导形式。文章中讨论的这种特殊的结构形式是圆的横截面。用作通信目的的光波导传播模式的选择通常主要考虑损耗特性和信息容量。文章中讨论了介电损耗，弯曲损耗和辐射损耗并且讨论了与信息容量相关的模式稳定，色散和功率控制，同时也讨论了物理实现方面，也包含了对对光学和微波波长的实验研究。主要符号列表：n阶的第一类贝塞尔函数2修正的第二类n阶的变型贝塞尔函数，波导的相位系数的一阶导数的一阶导数衰减系数或辐射波数相对介电常数自由空间传播系数光纤半径

2、纵向传播系数波耳兹曼常数绝对温度，等温可压缩性波长折射率第阶Hankel函数的第阶导数的导数方位角传播系数调制周期下标是整数，下标是0的第个根。1.简介折射率高于周围区域的介质纤维是一种介电波导，它代表了光频段中能量有向传输的一种媒介。这种结构形式引导电磁波沿着不同折射率区域的特定边界传播，相关电磁场部分在光纤内部分在光纤外。外部电磁场在垂直于传播方向上是逐渐消失的，以且在无穷远处以近似指数的形式衰减到零。这种结构经常被称为开放波导，以表面波模式传播。下面要讨论的是具有圆形截面的特种介质纤维波导。2．介质纤维波导具有圆形截面的介质纤维能够传输所有的H0m模、E0m模和HEnm混合模

3、。通过解临界状态的麦克斯韦方程组可以得到特征方程如下（临界状态由物质结构确定）：对于HEnm模(1)对于E0m模（2）对于H0m模（3）辅助方程定义了u1和u2之间的关系，如下，1and2其中下标1和2分别指纤芯和外围部分。除了最低阶HE11混合模外，所有模都存在截止频率。HE11模可认为存在两个正交偏振模，且随着结构尺寸的减小，光纤外部传输的能量百分比会相应增大。因此，当在HE11模中实现波导时，有可能通过充分减小光纤直径来实现单模传输，在这种条件下，相当大一部分能量在光纤外部传播。如果外部介质比内部的电介质媒介损耗更低就会减少波导的衰减。正因为有这些特性，HE11模式引起了特别

4、的关注。传输HE11模介质纤维可用于光频段，其物理和电磁方面的特性会在下面详细说明，继而得到用于长距离通信波导的可行性和预期性能的相关结论。3．材料方面介质纤维波导的损耗主要由构成光纤和周围介质的材料的损耗确定的，而光纤内外传输能量的比例和两种介质的相对损耗决定了其对全部损耗的相对贡献。总之，人们希望在两种介质中都有较低的损耗，以便得到令人满意的低衰减的光波导。3.1物质损耗特性电介质中大部分的损耗都是由吸收和散射现象导致的，包含的特殊机制因每种材料而不同且取决于传播波长。我们证实了波长在0.1~100um之间的物质损耗特性，该波长范围内介质纤维波导的物理尺寸和信息容量都易于得到。

5、3.1.1散射：产生散射的原因有以下几点（a）材料结构无序性（b）结构缺陷（c）微粒杂质（d）无规则波动。对于晶体材料，前两个原因占主要部分。多晶材料和部分非晶态部分晶态的材料结构无序，这导致了很高的散射损耗。单晶材料是有序的但可能会有结构缺陷；如果缺陷不明显且与波长相比体积很小的话，散射损耗可能不会很大。然而，通常很难得到较长尺寸的这种材料。对于非晶态材料，比如有机聚合物和无机玻璃，（c）和（d）因素就更主要了。有机聚合物经常含有直径远远大于1um的化学微尘，这是由制造环境的无法控制导致的。这种不好的性质可通过无尘环境和制备过程中再蒸馏单体和催化剂来消除。对于无机玻璃来说，相关温

6、度足够高可以使得大部分杂质颗粒发生化学分解，导致这些微粒成为杂质中心。玻璃态是液体过冷的结果，从而使玻璃态固体保持着液态的部分基本性质，因此会出现材料密度的局部波动，由此引起的散射可表述如【2】：对于虚拟温度为1000℃的无机玻璃，散射损耗大约为1dB/km。虚拟温度是玻璃粘度增大到玻璃可看作固态时的温度值。对玻璃态材料来说晶粒形成是一种结构缺陷，玻璃态材料中的晶粒大小可通过冷却速率控制。光纤的冷却速率很大，这就使得晶粒既少又小。快速冷却玻璃的结晶引起的散射遵循瑞利散射定律，即损耗正比与λ-4。据估计波长1um处损耗大约是每公里几个分贝。3.1.2吸收：由于分子的紧密堆积，固体中通

7、常有很宽的吸收带，它们是由分子和电子系统的自然振动频率产生的。在这些频率附近，外部电磁场的能量耦合到分子和电子系统的振动中。在波长1-100μm范围内，许多纵向和旋转分子的共振几乎存在于所有的物质中，尤其是长链聚合物。较强的吸收遍布大部分范围。在0.1—0.3μm范围内存在电子共振吸收带宽，中间区域（例如0.3-1μm）共振吸收现象相对缺乏，说明了材料在这个区域的损耗较低。在无机玻璃中，吸收是由杂质离子的存在而产生的。我们知道在高质量的光学玻璃中，在1-3μm的波长范