第四章-光纤传输的物理基础.ppt

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 → → → 脉冲后部 → → → 单模光纤具有负色散特性 即ω↑→n↓→υg↑ 光脉冲前半部,克尔效应ω↓→υg↓ 后半部,克尔效应ω↑→υg↑ 导致光脉冲压缩 非线性光脉冲压缩与线性脉冲展宽抵消,实现无脉冲展宽的光脉冲传输,光纤孤子 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，n1 n2 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 纤芯直径2a,全反射相位变化- ?，N阶数 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 这就是梯度折射率型光纤折射率分布应满足等光程条件 4.双曲正割型折射率分布光纤 L为路径的一周期的轴向长度。令 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 自聚焦光纤的折射率从轴沿半径方向近似成抛物线状梯度下降。 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 这是抛物线型分布另一表达式,Δ为梯度折射率光纤相对折射率差,对阶跃折射率光纤 纤芯半径a和相对折射率差Δ一定,则正弦曲线路径的空间周期L一定 梯度折射率光纤无 很少 模式色散 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,r a, n1 ②在包层内,r a, n2 纤芯内模的场分布为驻波场,包层内衰减,必须u≥0,w≥0,得出导模传输条件 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 由此式可得到不同的m值下的β值,进而可以分析不同的m值下所对应的模式波形 m 0时, 对应Ez 0 TE0n模,横电模; Hz 0 TM0n模,横磁模 m≠0时,同时存在Ez Hz Ez强,Hz弱 EHmn模 Ez弱,Hz强 HEmn模, HE11模为基模 3 令 V称为归一化频率,描述波导的重要参数. β-V关系图.每根曲线对应一个特定的解,即模式.随着V的增加, β值由k0n2增加到k0n1,即每根曲线所表示的模式速度ω/β由大变小 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. 光纤数值孔径只与折射率有关,即与光纤材料有关,与光纤尺寸无关 多模光纤中,V越大,同时传输模式数N越大 当V 10时,N V2/2; 当V 2.4,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 dB 低损耗单模光纤损耗与波长的关系曲线 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