3.15光纤和光子器件麻省理工大学，材料科学与工程系，C.A.Ross.PDF

3.15 光纤和光子器件 麻省理工大学，材料科学与工程系，C.A. Ross 参考文献： Braithwaite和Weaver ，第6.4章（光纤） Sanger，How fiber optics works, The Industrial Physicist ，第18页，2002年2月/3 月 Savage，Linking with Light, IEEE Spectrum ，第32页，2002年8月 Saleh和Teich，Fundamentals of Photonics ，Wiley 出版公司，1991年，第8.3节（光 纤），第18.1节（电光学） Joannopolis等，Photonic crystals ，Princeton ，1995年 光纤 光纤的材料为硅石，并掺杂氧化硼降低折射率；或者掺杂氧化锗提高折射率。光纤性能的主 要影响因素有两种。 （1） 损耗 衰减（dB ）＝ (10/L) log(Pin/Pout) L为光纤长度 硅石的最小衰减值为0.15 dB/km，或者每千米3.5%的能量损失。 高分子材料的衰减值约为10 dB/km。 硅石中的损耗是由于吸收引起： － 跨越禁带的电子跃迁（8.9 eV，波长为140 nm的光） － Si和O原子内的电子激发（红外光） － 杂质的吸收，例如含量1 ppb 的过渡族金属（紫外光，可见光） － 结合键的激发，例如O-H （波长为1400 nm）或者Si-O （波长为3000 nm的光）以及瑞利 4 散射，正比于1/λ 。 （2 ） 散射 Snells定律：n sinφ = n’ sinφ’ 当入射角大于φ 时，总的内反射为：sinφ = n/n’ c c 光纤依赖于总的内反射，并具有非常小的Δn值，例如： o 当芯部的n ＝1.53和覆层的n = 1.50 时得到：φc ＝ 78.6 。 阶跃折射光纤具有模式散射：不同模式的光以不同的角度穿过不同距离，因此其位相不同。 导致了脉冲的（频率）展宽。阶跃折射光纤能够克服这个问题，或者也可以使用单模式的光 1 纤（心部直径小于3微米）。 材料散射：不同的波长具有不同的折射率； 散射系数＝-( 2 2 λ /c) ( ∂ n/ ∂ λ ) ps/km.nm p λ=λc 硅石在波长为1300 nm时的散射系数为0 。 波导散射：即使材料散射可被忽略，仍然存在不同波长信号的散射，因为每种模式的光在芯 部和包覆层中的传播时间都不相同。使用补偿材料，并在1500 nm波长处得到最佳性能。 非线性散射：发生在光强很高的时候，此时折射率依赖于光强。最后，对于双折射材料，散 射与偏转相关。 光子 参考一个完整的光学系统，其中的光子流是可控的（类似于“电子”）。光可被： － 产生（激光器或激光二极管） － 传播（波导，或自由空间光学） － 调制（使用电、光或声学器件来开关或扫描） － 放大或频率转换（非线性材料） － 探测（PIN二极管） 例子：通讯系统 短距离（通讯）：不太昂贵的多模光纤，直接调制的发光二极管，典型波长为850 nm。 长距离（通讯）：损耗和散射都很重要。单模光纤，分布式反馈激光器，外部调制，每隔100 km放置的放大器，散射补偿。1550 nm附近同时存在的40个波长。10 G比特/秒×40通道，间 距为0.8 nm （100 GHz）。 激光器 - 衰减器 - 调制器 - 多路器 - 设有放大器的光纤 - 增加/减少多路器 - 信号分离器 - 衰减器 - PIN二极管 目前，这些均为离散的组件，但是正在研究将它们集成在一个芯片上，例如，麻省理工学院 微电子中心的OADM工程。 通过结合较低的数据速率信号来增加数据速率： DWDM （密集波长分离多路器）－每一组数据流过不同的波长 － 1 T 比特/秒。 TDM （时间分离多路器）－数据流被结合在同一波长上。仅限于10 G比特/秒。