PDF《第四章 光波导原理》

2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 1/28 4.

1 平板型介质光波导 4.2 通道型介质光波导 4.3 光纤

第四章 光波导原理 光波导原理4.4 新型光波导 《光电子技术》

第四章 光波导原理 2/28 ? 光纤的基本知识 ? 光纤的结构参数 ? 光纤的射线光学分析 ? 光纤的物理光学分析 ? 光纤的传输特性 光纤(圆柱光波导) 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 3/28 ? 光纤是光导纤维的简写,是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维 中的全内反射原理而达成的光传导工具. ? 前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可 以用于通讯传输的设想,高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖. ? 光纤一般分为三层:中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5μm),中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125μm), 最外是加强用的树脂涂层. 光纤的基本知识 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 4/28 传输介质 带宽 衰减系数 dB/km 中继距 离km 抗电磁干 扰性能 尺寸与 重量 敷设 安装 接续 对绞线

6 MHz

20 1~2 较差 大而重 一般 方便 同轴电缆

400 MHz

19 1.6 较差 一般 方便 较方便 光纤 >10GHz 0.2~3 >50 不受干扰 小而轻 方便 特殊 光纤的优点带宽极宽,容量极大 衰减小,传输距离远 抗电磁干扰,保密性好,传输质量高 尺寸小重量轻33g/km,便于运输和敷设 原料丰富,节约金属 光纤的缺点极易断裂 弯曲能力差 切断与接续要求高 光纤的基本知识―光纤的优缺点 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 5/28 无论何种光纤,其包 层直径都是一致的 涂覆层的主要作用 是为光纤提供保护 纤芯和包层仅在折射率 等参数上不同,结构上 是一个完整整体 通信光纤基本结构 芯层: SiO2+Ge+F 包层: SiO2+F 内涂覆层:丙烯酸树脂 外涂敷层:丙烯酸树脂 n1 n2 光纤的基本知识―光纤的结构 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 6/28 按光纤折射率分布分: ? 阶跃折射率光纤;

渐变折射率光纤 按光纤传输模式分: ? 单模光纤: 芯径约10微米, 光在其中几乎沿轴向传输,传输带宽10GHz. ? 多模渐变型光纤: 芯径约50微米,光的传输轨迹近似为正弦型,传输带 宽从数百MHz 到数GHz. ? 多模阶跃型光纤: 芯径约62.5微米,光传输轨迹为"之"字形,传输带宽 10MHz到50MHz. 按光纤材料分: ? 石英光纤: 损耗小、性能好,常用于通信. ? 塑料光纤: 损耗大、易于耦合、制作容易,用于短距离能量传导等, 未来 希望向光纤入户与局域网方向发展. 光纤的基本知识―光纤的分类 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 7/28 ? 光缆是以光纤为主要通信元件,通过加强件和外护层组合成的整体. ? 光缆是依靠其中的光纤来完成传送信息的任务,因此光缆的结构设 计必须要保证其中的光纤具有稳定的传输特性. 光纤的基本知识―光纤与光缆 松套层绞式铠装光缆 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 8/28 纤芯直径2a、包层直径2b ? 细要求:1 、成本【光纤直径应尽量小】

2 、机械强度和柔韧性【石英光纤很脆,粗则易断】 ? 平衡要求:总粗小于150μm 典型单模光纤芯径约10μm,包层直径125μm 多模阶跃光纤芯径约62.5μm,包层直径125μm 多模渐变光纤芯径约50μm,包层直径125μm ? 粗要求:对接耦合【粗则易于耦合,损耗小】 光纤的结构参数―直径 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 9/28 于是得 N.A.代表光纤接收入射光的能力,只有的光锥内的光才可能在光 纤中发生全反射而向前传播. 对于波长 处典型 值,,

可算得 ? 数值空间(N.A)光纤可能接受外来入射光的最大受光角(φ 0max)的正 弦与入射区折射率的乘积. 全反射要求: 光纤界面光传输情况 光纤的结构参数―数值孔径 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 10/28 ? 相对折射率Δ定义为纤芯折射率同包层折射率的差与纤芯折射率之比: 一般n1只略大于n2:单模光纤Δ=0.3% ,多模光纤Δ=1% ,于是 ? 归一化频率V表示在光纤中传播模式多少的参数,定义为 ? 与平板波导中的归一化频率定义一致. ? a和N.A.越小,V越小,在光纤中的传播模式越少. ? 当V2.405 时,为多模传输态. 光纤的结构参数―相对折射率、归一化频率 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 11/28 ? 纤芯折射率分布n(r)通式为: ? n(0)为纤芯中心折射率,r取值范围为0≤r≤a,α为折射率分布系数. ? α取值不同,折射率分布不同: ? α=∞时,折射率为阶跃型分布 ? α=2时,折射率为平方律分布(渐变型分布的一种) ? α=1时,折射率为三角型分布 光纤的结构参数―折射率分布 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 12/28 ? 平板波导:光轨迹在一个平面内,只要用界面入射角θ就能描述 光线的方位. ? 光纤:光线可能通过波导轴线(子午光线)而在同一平面内传播, 也可不通过轴线(偏射光线)在不同的平面内传播【光线与界面法 线夹角θ,与轴线夹角φ】. ? 子午光线:入射角通过圆柱轴线,且大于临界角时,光将在柱面 上不断发生反射,形成曲折光线,传导光线的轨迹始终处于入射 光线与轴线决定的平面(子午面)内. 光纤芯中的子午光线 光纤的射线光学分析―子午光线 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 13/28 ? 入射光线不通过圆柱波导轴线时,传导光线按空间折线传播,称偏射光线. ? 偏射光线的端截面投影被完全被限制在两个共轴圆柱面【散焦面】间. 圆柱介质波导中的偏射光线 光纤的射线光学分析―偏射光线 ? 两散焦面之间光波按驻波分布,其 外场沿径向按指数衰减. ? 入射角θ1越大,内焦面越逼近外焦 面【θ1=90o 时,两焦面重合】. ? 光纤端面光线入射面与圆柱面相切, 光纤中的传导光线为一条与圆柱面 相切的螺线. 散焦面 2015-11-10【17】 《光电子技术》

第四章 光波导原理 14/28 ? 假设光纤为无限长圆柱系统,芯区半径a ,折射率n1;

包层沿径向延伸 至无限远【 r→∞,这一假定主要是考虑到实际的导波模的包层内的场随 r的增加迅速衰减,"看"不到包层的外边界】,折射率n2(