第五部分光电子的应用光纤光学

第五部分光电子的应用光纤光学第一页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学n2n1n2n1n2n12a2arr=ar=0单模阶跃折射率光纤多模阶跃折射率光纤多模梯度折射率光纤剖面折射率分布2.按纤芯折射率分布阶跃折射率光纤梯度折射率光纤3.按传输的偏振态，单模光纤可分为：a.非偏振保持光纤(非保偏光纤)b.偏振保持光纤

（保偏光纤）单偏振光纤高双折射光纤低双折射光纤圆保偏光纤第二页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学阶跃折射率分布：梯度折射率分布a--纤芯半径，=1~当»10时，趋近阶跃型当=1时，三角型（色散位移）当=2时，平方律分布在石英光纤中相对折射率差折射率分布的表示第三页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学4.按制造光纤的材料分：(1).高纯度熔石英光纤传输损耗低(2).多组分玻璃纤维纤芯－包层折射率可在较大范围内变化，易于制造大数值孔径的光纤。(3).塑料光纤成本低、材料损耗大、温度性能差。(4).红外光纤(5).液芯光纤纤芯为液体(6).晶体光纤纤芯为单晶，可用于制作有源和无源光纤器件。近红外1～5m，中红外～10m第四页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学光缆：第五页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学传输特性损耗(dB/km)、色散(ps/nm.km)、非线性效应等

损耗直接影响中继距离；

色散将引起光脉冲展宽和码间串扰，最终影响通信距离和容量。因此，高速长距离信息传输，要求光纤具有低损耗和低色散第六页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学子午光线的传播n0n1n2子午面：通过光纤中心轴的任何平面。子午线：位于子午面内的光线。子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内。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

大于或等于临界角

0，即n2sin0＝n1，

≥0＝arcsin[n2/n1]或sin0=1－[n2/n1]2光纤的数值孔径（NA）：NA＝n0sin0

＝n1－n222第七页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学光纤的特征参数1、光纤的数值孔径（NA）sin0=NA=n0=n12;=n1－n2

2n12222、归一化频率V＝2a1

＝2a1n1

23、衰减系数＝10LlogPiP0dB/Km4、色散特性n1－n222n1－n222≈n1－n2n1相对折射率差：模间色散模式色散材料色散波导色散第八页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学光纤的损耗光纤的损耗吸收损耗散射损耗杂质离子的吸收过渡族离子金属OH－离子本征吸收紫外吸收红外吸收制作缺陷本征散射及其他折射率分布不均匀芯－涂层界面不理想气泡、条纹、结石瑞利散射布里渊散射喇曼散射第九页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学第三传输窗口第二传输窗口第一传输窗外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)光纤损耗谱特性第十页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学外界因素引起的光纤系统的损耗1、弯曲引起的光纤损耗光纤的宏弯损耗微弯引起的光纤损耗2、光纤和光源的耦合损耗3、多模光纤和多模光纤的耦合损耗4、光纤种类不同对耦合损耗的影响光纤芯径不同折射率不同5、单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗第十一页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学光纤与光源的耦合第十二页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学光纤的色散在光纤中传输的光脉冲，受到由光纤的折射率分布、光纤材料的色散特性、光纤中的模式分布以及光源的光谱宽度等因素决定的“延迟畸变”，使光脉冲波形在通过光纤后发生展宽。1、多模色散：2、波导色散：3、材料色散：4、偏振模色散：色散一般分为4种：发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散，即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。由于某一传播模的群速度对于光的频率（或波长）不是常数，同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结构为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必然会有一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟，这种现象称之为偏振模色散。第十三页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学光纤器件光纤耦合器当两光纤纤芯相互充分靠近时，通过包层中消逝场的互相渗透而产生光纤间能量的耦合，其中一部分变为传输模，这就使得功率可以互易地从一根光纤转换到另一根光纤中去，功率转移比由纤芯距离和相互作用长度决定。制作光纤耦合器的方法：熔拉法和磨抛法磨抛型单模光纤定向耦合器第十四页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学光纤偏振控制器利用弹光效应改变光纤中的双折射，以控制光纤中光波的双折射。当光纤在x-z平面内弯曲时，由于应力作用，光纤折射率发生变化，n=nx－ny=－0.133[a/R]2a：为光纤半径，R：为光纤弯曲半径快轴位于弯曲平面内，慢轴垂直于弯曲平面。因此利用弯曲光纤的双折射效应，可以制成波片，对于弯曲半径为R的N圈光纤，如适当选择N，R使得n2NR＝/m(m＝1，2，3……)则该光纤圈即成为/m波片

第十五页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学PZT3dB耦合器3dB耦合器LL+L1243Mach-Zehnder光纤滤波器M－Z的传输特性:T1-3=cos2[/2]，T1-4=sin2[/2]，=2Lnf1C若有两个频率分别为f1和f2的光波从1端输入，且f1和f2分别满足：1＝2Lnf11C2＝2Lnf21C＝2m＝2[m＋1/2]m＝1,2,3,……则有：T1-3＝1，T1-4＝0f＝f1T1-3＝0，T1-4＝1f＝f2频率间隔：fc＝2nLC＝(12)/(2nL)或：第十六页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学Fabry－Perot光纤滤波器(fiberFabry-Perotfilter)PZT光纤PZT光纤光纤PZT光纤光纤光纤F－P腔(a)(b)(c)光纤波导腔FFPF光纤两端面直接镀高反射膜，腔长一般为厘米到米量级，因此自由谱区小。空气隙腔FFPF腔长一般小于10m，因此自由谱区较大。插入损耗也比较大。改进型波导腔FFPT可通过中间光纤波导段的长度来调整其自由谱区，其光纤长度一般为100m到几厘米。第十七页，共十九页，2022年，8月28日光电子技术的主要应用光纤光学FFPT一般用4个指标来衡量其性能：1、自由谱区(FSR,freespectrumrange)光滤波器的相邻两个透过峰之间的谱宽，既是光纤滤波器的调谐范围。FSR＝1－2。2、细度N细度定义为：

FSR/。为光纤滤波器透过峰的半宽度。3、插入损耗反映了入射光波经光纤滤波器后衰减的程度，损耗值为－10lg(P2/P1),P1,P2分别为入射和出射光功率。4、峰值透过率在光纤滤波器的峰值波长处测量的输入光功率和输出光功率之比。细度N的峰值透过率的表达式N=(1－)R1－(1－)R＝1－R－A1－R＋RA：反射镜的吸收与散色因子，R：反射率，：腔内损耗（包括光纤的吸收与反射损耗、弯曲损耗、光纤两端面与反射镜之间的耦合损耗等）。第十八页