第4章光纤传输的物理基础.ppt

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，n1n2 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 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(折射定律)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 4.双曲正割型折射率分布光纤 双曲正割型折射率分布光纤，对不同入射角，光线是等光程的。自聚焦光纤 sech(?r)级数展开 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 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, n1 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 3)令 引入光纤数值孔径,定义为光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. 多模光纤中,V越大,同时传输模式数N越大 当V10时,N=V2/2; 当V2.4,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 1.吸收损耗 1)本征吸收 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10-8 b.OH-离子吸收,峰2.7μm, 谐波1.38μm 、0.95μm 、0.72μm,现10-9 c.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,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 30o s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，θθc，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= Δτm+Δτn+Δτg 色散系数D＝dτ/dλ 1.模式色散 N阶模的群速度 2. 材料色散 n~λ, υ=c/n~λ 光脉冲有不同的波长，以不同的速度传播，产生脉冲展宽 3. 波导色散 某一模式，不同频率，传播常数β和群速度υ不同，产生脉冲展宽。 阶跃折射率光纤，b=1-U2/V2 传输带宽B=1/Δτ,随传输距离变化 损耗和色散特性对光纤传输的影响 4.3 光纤压缩光脉冲 纤芯SiO2材料属于克尔型非线性介质 光脉冲不同部分光强不同,则频移随光脉冲成一种分布状态,称为啁啾(chirp) 脉冲前部