光电子物理基础 第四章 光纤传输的物理基础课件.ppt

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1、第四章光纤传输的物理基础激光大气传输，会有水份和空气的吸收，水滴和烟雾的散射，限制其应用。目前用于短距离和宇宙空间的光通讯光纤传输，低损耗低色散的光纤可实现远距离宽带传输4.1光纤的导波原理1.阶跃折射率光纤结构两层：纤芯n1，包层n2，n1>n2全反射条件sin>n2/n1，满足:导波，不满足：泄漏波圆柱对称光纤，纤芯内以角全反射前进的光线，是一平面波，波矢k0n1,分解为轴向传播常数＝k0n1cos横向传播常数=k0n1sin2.模式轴向平面波分量沿纤芯均匀向前传播横向分量和界面相位漂移叠加在一起恰好形成驻波条件，称为模式纤芯直径2a,

2、全反射相位变化-，N阶数N为驻波波节数目，也就是模的阶数。N=0时为基模。光场分布(与激光横模光场分布计较）N越高越大光程S越长通过光纤的时间变长脉冲展宽3.梯度折射率光纤能使任一方向入射的子午光线在一周期内的平均轴向速度相等子午面ABCD内，等折射率线n(r),随r增大n(r)减小由斯涅尔定律n(r)sin=const=n(r)cosn(0)cos0=n(r)cos某点切线斜率要平均轴向速度相等，由费马定理这就是梯度折射率型光纤折射率分布应满足等光程条件4.双曲正割型折射率分布光纤L为路径的一周期的轴向长度。令双曲正割型折射率分布光

3、纤，对不同入射角，光线是等光程的。自聚焦光纤sech(r)级数展开自聚焦光纤的折射率从轴沿半径方向近似成抛物线状梯度下降。5.梯度折射率光纤中传输的子午光线的路径是正弦曲线。近轴光线在光纤中沿正弦曲线传输时,光线的折射率分布必然是呈抛物线分布6.令这是抛物线型分布另一表达式,Δ为梯度折射率光纤相对折射率差,对阶跃折射率光纤纤芯半径a和相对折射率差Δ一定,则正弦曲线路径的空间周期L一定梯度折射率光纤无(很少)模式色散7.光纤的模式及传播特性的波动理论分析1)各向同性理想光纤中,波动方程①在纤芯内,ra,n2纤芯内模的场分布为驻波场

4、,包层内衰减,必须u≥0,w≥0,得出导模传输条件2)由边界条件,纤芯与包层的界面r=a处,E,H切向分量连续,得到β的本征方程由此式可得到不同的m值下的β值,进而可以分析不同的m值下所对应的模式波形m=0时,对应Ez=0TE0n模,横电模;Hz=0TM0n模,横磁模m≠0时,同时存在EzHzEz强,Hz弱EHmn模Ez弱,Hz强HEmn模,HE11模为基模3)令V称为归一化频率,描述波导的重要参数.β-V关系图.每根曲线对应一个特定的解,即模式.随着V的增加,β值由k0n2增加到k0n1,即每根曲线所表示的模式速度ω/β由大变小引入光纤数值孔径,定义为光

5、纤能够接收的光线的最大角度的正弦,表示光纤入射端面接收入射光的能力.光纤数值孔径只与折射率有关,即与光纤材料有关,与光纤尺寸无关多模光纤中,V越大,同时传输模式数N越大当V>10时,N=V2/2;当V<2.4,只有HE11,单模光纤单模光纤中,电场随r呈高斯函数变化,有一部分扩展到包层中指数衰减.P包层/P随V变化理想单模光纤中,偏振方向保持不变,不同偏振方向的光波间没有能量耦合,可以做多路复用.4.2光纤的传输特性损耗特性→能量损耗→需要中继站色散→脉冲畸变或展宽→信息容量减小4.2.1传输损耗(dB)低损耗单模光纤损耗与波长的关系曲线1.吸收损耗1)本

6、征吸收a.红外,8-12μm,峰尾延伸到1.3-1.7μm,主要由Si-O分子振动引起b.紫外,0.16μm,峰尾延伸到1μm附近,由带间电子跃迁引起2)杂质损耗a.过渡族金属原子吸收,现<10-8b.OH-离子吸收,峰2.7μm,谐波1.38μm、0.95μm、0.72μm,现<10-9c.原子缺陷吸收,加热或强烈的辐射,材料会产生原子的缺陷,产生损耗.2.瑞利损耗决定光纤损耗的下限,在低损耗光纤中占主要地位拉制过程中,热扰动和固化温度不均匀→纤芯介质密度的微小起伏→折射率不均匀→光散射(瑞利散射)∝1/4,增加→减小,对石英光纤=1.55μm

7、,损耗0.2db/km非线性散射:布里渊散射(热声子)拉曼散射(原子振动和旋转能级的吸收和再辐射)3.反射损耗菲涅尔反射损耗正入射或小角度入射R=(n1-n0)2/(n1＋n0)2斜入射，θ>30ºs分量（偏振垂直于入射面），随着θ增大，R增大p分量（偏振平行于入射面），随着θ增大，R先减小后增大4.弯曲损耗1)微弯曲损耗界面不平整、弯曲、随机应力应变等，成为散射源，产生损耗α∝a6，a↘,Δ↗→α↘2)宏观弯曲损耗弯曲时，θ>θc，泄漏4.2.2色散特性色散：窄脉冲射入光纤，出射时光脉冲发生畸变与展宽模式色散Δτm：模式间群速度不同引起材料色散Δτn：材

8、料折射率随波长变化波导色散Δτg：传播常数β和群速度υ随ν变化Δτ