315 光纤与光学元件CARoss, 材料科学与工程学系, 麻省理工学院 .PDF

3.15 光纖與光學元件 C.A.Ross, 材料科學與工程學系, 麻省理工學院 參考資料 ： Braithwaite 與Weaver 第6.4 章(光纖) Sanger ，光纖的運作原理 ，工業物理學家第 18 頁 ，2002 二月/三月 Savage ，光聯繫(Linking with light) ，IEEE(電器和電子工程師協會)頻譜期刊，2002 八月 第32 頁 Saleh 與Teich ，光電子學基礎 ，Wiley 出版社 ，1991 第8.3 節(光纖) 、18.1 節(電 光) Joannopolis 等 ，光子晶體 ，Princeon ，1995 光纖 光纖是由二氧化矽作成的 ，摻雜氧化硼以降低折射率 ；摻雜氧化鍺可提高折射 率 。這兩個主要因子限制了光纖的效能 。 (1) 損耗 衰減(dB)={10/L}log(P /P ) L=光纖長度 in out 二氧化矽的最小值為0.15dB/km ，或每公里3.5%的功率損耗 聚合物~10dB/km 二氧化矽裡的損耗是因為吸收 -電子跨過能隙(8.9eV ，140nm 的光波長) -在矽或氧原子裡的激發電子(紅外線) -如過渡金屬等雜質的吸收 ，1ppb(紫外 ，可見光) -如O-H(如：1400nm)或Si-O(如3000nm 的光波長)等鍵結的激發態，及瑞利散射， 4 其正比於 1/。 (2) 色散 Snells(司乃爾)定理 ：nsin=n ’sin’ 當入射角超過時 ，有全內反射 ，sin=n/n’ 0 0 光纖依賴有非常小的n 產生全內反射 ，如：蕊心n=1.53 ，包覆層n=1.5 ，=78.6o 0 階梯折射率光纖有典型的色散：光在不同的角度傳遞的不同模態越過不同的路徑 長度 ，所以相位會跑掉 ，造成脈衝擴散 。漸變折射率的光纖可消除這個問題 ，或 是使用單模光纖也可以(蕊心直徑3 微米) 。 材料色散 ：不同的波長在材料中有不同的折射率  2 2 色散係數= / c (n/ ) ps/km.nm 0  0 在波長為 1300nm 時, 二氧化矽的色散係數為0 波導色散：雖然材料色散可忽略 ，因每一個模態在蕊及包覆層中渡過的時間不同 仍會有不同波長訊號的色散。在 1500nm 時 ，因材料及波導色散互相補償，波導 會有最佳的效能 。 非線性色散發生再高光能量密度時，此時折射率隨能量密度而變。最後 ，雙折射 材料色散會有偏極化相關的色散 。 光電子學 有關控制光子流動的光學系統(類似”電子的”) 。光是 ： 簡併的(如 ：雷射或雷射二極體) 可傳送的(如 ：波導 ，或自由空間的光) 可調變的(可切換或用電 、光或聲波元件掃描) 放大或頻率轉換(非線性材料) 可偵測的(PIN 光二極體) 例題 ：通訊系統 局部的：便宜的多模態光纖，由發光二極體直接調變，一般工作波長是在850nm 。 長距離 ：損耗與色散變得重要 。單模光纖 ，分佈反饋式雷射 ，外部調變器 ，每 100 公里有一放大器 ，色散補償 ，在 1550nm 同時有40 個波長 ，10 Gbit/sec * 40 個通道 ，每個通道間隔0.8nm(100GHz) 。 雷射  衰減器  調變器  多工器  光纖含放大器  塞取多工器  解多工器  衰減器 PIN 光二極體 現在這些都是分離的零件，但長是將它們整合在一個晶片上的工作一直持續中 ， 如 ：在麻省理工學院微光學中心的光塞取多工器(OADM, Optical Add/Drop Multiplexer)計畫 。 由結合較低數據流量信號增加數據流量 ： 高密度波分多工器-每個