《光纤光学教学课件》第二讲

1、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8/20/2022第1页，共39页。Typical Dimension for Silica Fibers:SMF: 8 mm core, 125 mm claddingMMF: 50, 62.5, 100 mm core, 125 mm claddingIndex profile:Step vs. Graded vs. multi-stepCladdingPrimary

2、 coating(e.g., soft plastic) CoreSiO2 Glass8/20/2022第2页，共39页。纤芯与包层构成光波导光波导：约束光波传输的媒介导波光：受到约束的光波光波导三要素：“芯 / 包”结构凸形折射率分布，n1n2低传输损耗8/20/2022第3页，共39页。3、光纤光学所涉及的基本问题 光纤模式的激励（光的入射）； 光纤中的模式分布（光线传播轨迹）； 模式的传播速度（光线的延迟）： 模式沿横截面的分布； 光信号的畸变； 传输损耗； 模式的偏振特性； 模式的耦合。a.理论研究所涉及到的方面：8/20/2022第4页，共39页。b.光纤技术所涉及到的方面： 参数测

3、试技术； 自聚焦、准直技术（聚焦透镜）； 连接、耦合技术（光纤光纤、半导体器件、耦合器）； 隔离、偏振控制技术（隔离器、偏振控制器）； 传感技术（传感器）。8/20/2022第5页，共39页。c.光纤器件所涉及到的方面：自聚焦透镜； 光纤耦合器； 光学隔离器、光学环形器； 光纤光栅； 光纤放大器与光纤激光器。8/20/2022第6页，共39页。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0时, 可以近似认为00，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。优点：简单直观

4、，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。 8/20/2022第7页，共39页。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。优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此适用于各种折射率分布的单模和多模光纤。缺点：分析过程较为复杂。8/20/2022第8页，共39页。光纤光学的研究方法比较8/20/2022第9页，共39页。1.2 光纤的分类按用途进行分类按纤芯的折射率分布进行分类按光纤中的传输模式进行分类8/20/2022第

5、10页，共39页。光纤按用途分类：通信用光纤 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8/20/2022第11页，共39页。 Index-Guiding FiberAcrylate-CoatingLow Index Silica-Air CladdingHigh Index Silica Core8/20/2022第12页，共39页。 Bandgap Guiding FiberAcrylate-CoatingBendgap Silica-Air Cladding

6、Low Index Air Core8/20/2022第13页，共39页。Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap deviceCartoon picture of light guidance in BGFnlownhighBragg law(1st order)Constructive interference Total reflection for centred around Judicious choice of nlow, nhigh and1915 Bandgap Guiding Fiber8/20/2022第14页，共39页。forb

7、idden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF Bandgap Guiding Fiber8/20/2022第15页，共39页。forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF8/20/2022第16页，共39页。forbidden rang

8、eof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF8/20/2022第17页，共39页。forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF8/20/2022第18页，共39页。Bragg conditions fulfilled Bragg conditions un

9、fulfilledBragg conditions fulfilledThe structure of the cladding and its scale dictate the “colour” and spectral width of the guided light Output end of different HC-PCFs illuminated with white lightCartoon picture of light guidance in BGF8/20/2022第19页，共39页。光纤按纤芯折射率分布分类：a. 阶跃折射率分布光纤（SIOF）b. 渐变折射率分布光

10、纤（GIOF）8/20/2022第20页，共39页。Basic Step-Index (SI) FiberRefractiveIndex (n)Diameter (r)CladdingPrimary coating(e.g., soft plastic) Core1.4801.460SiO2 Glass140 m100 m8/20/2022第21页，共39页。 Standard Fiber Analogy Index GuidingCoreRefractive indexEffectiveCladdingFundamental modeHigher-order mode8/20/2022第22

11、页，共39页。Gradient-Index (GI) Fiber1.4751.460nr8/20/2022第23页，共39页。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：8/20/2022第24页，共39页。Single-Mode Fiber (SMF)Step-Index type with very small coreMost common design: 9/125 m or 10/125 m, NA 0.1Bitrate x Distance product: up t

12、o 1000 Gb/s km(limited by CD and PMD - see next slides)nr1.4651.4608/20/2022第25页，共39页。光纤的设计与制作8/20/2022第26页，共39页。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。石英为基本材料：纤芯掺入GeO2和P2O5 n 增加 纤芯掺入B2O3 n 减少设计问题： （1）折射率剖面分布 （2）掺杂浓度 （3）纤芯与包层尺寸并综合考虑：损耗、色散、色散斜率、有效面积、宏弯特性、PMD等8/20/2022第27页，共39页。

13、2、光纤的制作1、制备预制棒方法：改进的化学汽相沉积法Modified chemical-vapor deposition(MCVD) 轴外汽相沉积法 Outside-vapor deposition(OVD) 轴向汽相沉积法Vapor-axial deposition(VAD) 等离子体化学汽相沉积法Plasma chemical-vapor deposition(PCVD)8/20/2022第28页，共39页。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 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反应物质金属

14、卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口SiO2饵管 烧结后的玻璃粉层沉积物来回移动的喷灯H-O8/20/2022第29页，共39页。MCVD光纤预制棒设备 8/20/2022第30页，共39页。等离子体活性化学汽相沉积法 (PCVD)熔融石英管SiCl4 + O2 + 参杂物质反应物质排气口低压工作的等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)10001200度飞利浦提出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可快速移动，沉积厚度减少，有利于控制折射率分布PCVD方法可以更为准确地控制光纤的折射率分布。而且沉积效率高, 沉积速度快, 有利于消除SiO2

15、 层沉积过程中的微观不均匀性, 从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗, 适合制备复杂折射率剖面的光纤。8/20/2022第31页，共39页。汽相氧化法：外部汽相氧化法 (OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽饵棒粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉 1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤8/20/2022第32页，共39页。汽相轴向沉积法 (VAD)推进机 马达马达输送杆透明预制棒容器环状加热器疏松的预制棒真空泵红外热成像仪玻璃微粒反应室 喷灯口优点：1. 预制棒不再具有空洞2. 预制棒可以任意长3. 沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作 环境清洁4. 没有使用氢氧焰，单 模光纤所含的OH- 较 低，因此损耗较低在 0.20.4 dB/km1977年日本开发8/20/2022第33页，共39页。8/20/2022第34页，共39页。2、 拉丝Heat (2000C-2200C) (melting)Coating