光纤光学复习市公开课一等奖省赛课微课金奖

光纤光学复习俞侃onlyfish@126.com华中科技大学文华学院信息学部第1页第2页光纤分类（按折射率分布）阶跃型光纤SIOF光纤渐变型光纤GIOF折射率分布第3页光纤光学基本方法几何光学方法λ«d光线射线方程折射/反射定理光线轨迹波动方程方法λ～d模式波导场方程边值问题模式分布研究方法研究方法研究内容适用条件研究对象基本方程第4页第5页第6页分析思绪第7页光线理论子午光线：限制在子午平面内传输光线与纤轴相交光线分类倾斜光线：轨迹曲线不限制在一个平面内与纤轴既不相交也不平行光线轨迹第8页第9页第10页子午光线阶跃光纤多模光纤传输容量时延差倒数n1=1.5,∆=1%,∆

=50ns/km传输带宽:1/∆

=20MHz·km－－结论1:多模光纤通信容量并不高!由一点发出光线不能会聚在另一点－－结论2:阶跃光纤不适合于传输图像!第11页第12页轴向运动第13页第14页第15页第16页GIOF中最正确折射率分布第17页第18页模式基本特征模式是波导结构固有电磁共振属性表征。给定波导中能存在模式及其性质是已确定,外界激励源只能激励起光波导中允许存在模式，而不会改变模式固有性质。每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件每一个模式对应于沿光波导轴向传输一个电磁波模式含有确定相速群速和横向场分布本征解－－模式第19页模式命名依据场纵向分量Ez和Hz存在是否模式分类横电磁模(TEM)Ez＝Hz＝0横电模(TE)Ez＝0Hz≠0横磁模(TM)Ez≠0Hz＝0混杂模(HE或EH)Ez≠0Hz≠0能够证实，光纤中不可能存在TEM模光纤中存在模式多数为HE(EH)模,有时也出现TE(TM)模第20页贝塞尔函数第21页贝塞尔函数第22页场解选取依据：导模场分布特点:在空间各点均为有限值在芯区为振荡形式在包层则为衰减形式导模场在无限远处趋于零贝塞尔函数形式:

J

呈振荡形式K

则为衰减形式本征解选取:在纤芯中选取贝赛尔函数J

在包层中选取变态汉克尔函数K

第23页第24页导模第25页第26页泄漏模第27页第28页辐射模第29页导模与辐射模主要区分导模对应于分立本征值；辐射模对应于连续本征值；离散导模与连续辐射模组成了波导完整正交模系；在这里，我们重点研究是导模传输；在光纤损耗和模式耦合研究中辐射模性质非常主要；第30页两种方法比较光纤辐射模TE/TM模HE/EH模折射光线子午光线倾斜光线导模泄漏模约束光线隧道光线第31页横向传输常数第32页模式分布

归一化频率V:

给定光纤中,允许存在导模由其结构参数所限定。光纤结构参数可由其归一化频率V表征:V值越大,

允许存在导模数就越多。

导模“截止”:除了基模之外,其它导模都可能在某一个V值以下不允许存在,这时导模转化为辐射模。使某一导模截止

Vc值称为导模"截止条件"。导模“远离截止“:

当导模本征值β→n1k0时,导模场紧紧束缚于纤芯中传输,称之为导模“远离截止”。一样,每一个导模都对应于一适当V值使其远离截止,称之为导模“远离截止条件"。第33页色散曲线第34页单模工作条件单模条件:

Vc＝（2π/λ0）a√n12－n22

＜2.405(仅适合用于SIOF！）单模光纤尺寸: ac＝1.202λ0/（π√n12－n22）单模光纤截止波长: λc＝（πa√n12－n22）/1.202单模光纤截止频率: fc＝1.202c/（πa√n12－n22）仅当λ＞λc或f＜fc时方可在光纤中实现单模传输.这时,在光纤中传输是HE11模,称为基模或主模。紧邻HE11模高阶模是TE01、TM01模和HE21模,其截止值均为Vc＝2.405。确保单模传输条件下，V尽可能取高值，以防止弯曲损耗.第35页第36页模式本征值:小结模式截止与远离截止:

临近截止:W=0,场在包层中不衰减远离截止:W→∞,

场在包层中不存在第37页弱导条件：n1

n2nn1

n2，普通=0.01%W→0，有W定义：在包层中

n2k0

=n1k0cosz(z)n1k0→

z0V→0,n1k0

n2k0场特点：光线理论：光线与纤轴夹角小；波动理论：芯区对光场限制较弱；消逝场在包层中延伸较远。弱导光纤与线偏振模第38页线偏振模LPι-1,m场分量LPιm=HEι+1,m+EHι-1,m是这两种准确模式叠加！！（切记）HEι+1,m模式与EHι-1,m色散曲线相近二者简并，本征值相同旋向相反，合成线偏振光在直角坐标系中求解，各分量含有固定偏振方向LPιm模只有四个不为零场分量：Ey、Hx、Ez和Hz→沿y方向偏振（以下讨论对象）与之正交Ex、Hy、Ez和Hz→沿x方向偏振第39页线偏振模LPιm简并当ι0时，每一个LPιm模式有四重简并径向两种模式：沿x或y方向偏振角向两种改变：cosιf

或

sinιf当ι=0时，LP0m模式只有两重简并径向两种模式：沿x或y方向偏振第40页LP模式简并第41页第42页导模场分布普通规律LP45LPιm模：沿径向亮斑数为m沿角向亮斑数为2ιι=0，中心为亮斑ι≠0，中心为暗斑第43页光纤损耗损耗定义：单位长度(km)光纤光功率衰减分贝数光纤损耗起源：光纤材料吸收与散射损耗光纤微弯与宏弯损耗光纤连接与耦合损耗主要数据:-0.5dB~0.9;-1dB~0.8; -2dB~0.6;

-3dB~0.5; -10dB~0.1 -20dB~0.01第44页第45页第46页散射损耗瑞利散射(漫反射)机制：在光纤中因为某种远小于波长不均匀性（比如折射率不均匀，掺杂浓度不均匀等）引发光散射;是一个线性损耗，与在光纤中传输光强度无关A、B是与石英和掺杂材料相关常数

0＝1.55

m时0.16dB/km；0＝1.3

m时0.32dB/km特点：不可能消除损耗第47页光纤损耗谱特征第48页光纤色散1、模间色散：2、波导色散：3、材料色散：4、偏振模色散：色散普通分为4种：发生于多模光纤中因为各模式之间群速度不一样而产生色散，即各模式以不一样时刻抵达光纤出射端而使脉冲展宽。因为某一传输模群速度对于光频率(或波长)不是常数，同时光源谱线又有一定宽度，因而产生波导色散。因为光纤材料折射率随入射光频率改变而产生色散。普通单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤结构为完全轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中传输速度相同，即有相同群延迟，故无色散。实际光纤必定会有一些轴不对称，因而两正交模有不一样群延迟，这种现象称之为偏振模色散。在理论讨论中不考虑。第49页第50页材料色散第51页波导色散第52页波导色散第53页总色散第54页第55页三种光纤色散情况比较正常色散区反常色散区第56页光有源器件定义：发生电子－光子、光子－电子、或者光子－光子转换过程光电子器件半导体光源(LD,LED,DFB,QW,SQW,VCSEL)半导体光探测器(PD,PIN,APD）光纤激光器（OFL:单波长、多波长）光放大器(SOA,EDFA)光波长转换器(XGM,XPM,FWM)光调制器（EA）光路由器第57页光无源器件定义：不存在电子－光子、光子－电子、或者光子－光子等转换过程光电子器件光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC）光纤定向耦合器/分支器光分插复用器（OADM)光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM)光衰减器（固定、连续）光滤波器（带通、带阻）光纤隔离器与环行器（偏振相关、无关）光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅第58页光器件与电器件类比电线光纤调制器光调制器电阻光衰减器三通（多通）光耦合器二极管光隔离器混频器光波分复用器放大器光放大器频率转换器光波长转换器滤波器光滤波器电源光源电接插件光连接器探头光探测器开关光开关集成电路集成光路第59页自聚焦透镜第60页GRIN透镜应用：准直-聚焦准直聚焦准直－聚焦第61页不一样节距自聚焦透镜传输轨迹第62页第63页光纤定向耦合器(Coupler)第64页光纤定向耦合器(Coupler)第65页耦合长度耦合长度：当功率100%耦合时最小光纤长度：Lc=p/2K当发生耦合作用光纤长度等于耦合长度奇数倍时，即取得100%耦合；故可经过控制平行光纤长度以及两光纤间距来控制耦合比；耦合效率和耦合长度依赖于两光纤间距d。间距越大，耦合长度越大。2D2Ddn2n1n2n1n2第66页工作原理消逝场耦合。PutthecorescloseenoughtogethertogetacouplingeffectAllnowdependsonthelengthofthecouplingsection第67页双向对称性100mw50mw50mw50mw50mw50mw50mw假如用一个1:1Y-分支来耦合两个信号，信号能够被合路，不过每个信号是它原来二分之一功率(3dB)第68页Iftwomixedsignals(ofdifferentwavelengths)areinjectedintoacouplerthepowertransferbetweenthewaveguideshasadifferentperiodforeachwavelength.Thecouplinglengthsarestronglywavelengthdependent!第69页Notice波长相同时(

1=

2)，不可能实现完全分离与合成，对于1:1耦合器，必定要引发3dB损耗；当两波长不一样时(

1≠

2)，能够经过改变耦合器长度L或者选择适当波长，使

1与

2光功率到达靠近全分波或合波；假如

1与

2很靠近时，需要增加耦合器长度L,才能使

1与

2光功率到达完全分波或合波。第70页偏振器隔离器工作原理法拉弟旋转器偏振器反射光阻塞入射光SOP第71页一个与输入光偏振态无关隔离器光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWPSOP光纤输入(a)光纤输出SWP半波片法拉弟旋转器SWP光纤输入(b)第72页光环形器基本原理：工作原理等同于隔离器，光传送次序：1234（三端口，四端口，多端口）主要特征：

插入损耗隔离度价格三端口光环行器四端口光环行器第73页图衰减器工作原理(a)