lec7-材料的光学性能.ppt

* 根据芯区折射率径向分布的不同，可分为： 不同的折射率分布，传输特性完全不同 光线以折线形状传输，脉冲信号畸变大，用于近距离传输 Multimode Step-Index 光线以曲线形状传输，脉冲信号畸变相对较小，比阶跃型传输距离更大，传输距离更长 Multimode Graded-Index 光线以直线传输，脉冲信号畸变小，用于长距离高速传输，当前光纤发展的主流 Single Mode 以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了时间上的分散，导致脉冲严重展宽。 模间色散 所有?大于临界角?C的光线都被限制在纤芯内。 阶跃光纤 High-order Mode (Longer path) Low-order Mode (shorter path) Axial Mode (shortest path) core cladding -孔径数(NA) 相对折射率差 n0、n1、n2--分别是空气、纤芯、包层折射率，?c--芯包界面全反射临界角 阶跃光纤 代表光纤接收光的本领 （示意图） ?c ?i n1 n2 n0 最大理论数值孔径的定义为： 其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。 D = (n2 – n1)/n1为纤芯-包层相对折射率差. 光纤的数值孔径（NA）是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。数值孔径对光源耦合效率、光纤损耗、弯曲的敏感性以及带宽有着密切的关系，数值孔径大有利于光耦合。但是数值孔径太大的光纤模畸变加大，使得通信带宽较窄。 最大理论数值孔径（Namax）-阶跃光纤 渐变光纤 渐变光纤的芯区折射率不是一个常数，从芯区中心的最大值逐渐降低到包层的最小值。光线以正弦振荡形式向前传播。 入射角大的光线路径长,由于折射率的变化,光速在沿路径变化,虽然沿光纤轴线传输路径最短,但轴线上折射率最大,光传播最慢.通过合理设计折射率分布, 使光线同时到达输出端，降低模间色散。 如果光纤只能传输一个光线模式，这种光纤称为单模光纤（Single Mode fiber，简称SM）。 如果光纤允许光线中的多个模式传输，这种光纤称为多模光纤（Multi Mode fiber，简称MM）。 再根据光纤的折射率分布的不同，多模光纤又分为多模阶跃型光纤和多模渐变型光纤。 三种主要类型光纤的比较 光纤的色散特性 色散的概念 当日光通过棱镜或水雾时会呈现按红橙黄绿青蓝紫顺序排列的彩色光谱。这是由于棱镜材料（玻璃）或水对不同波长（对应于不同的颜色）的光呈现的折射率n不同，从而使光的传播速度不同和折射角度不同，最终使不同颜色的光在空间上散开。 光脉冲中的不同频率或模式在光纤中的群速度不同，这些频率成分和模式到达光纤终端有先有后，使得光脉冲发生展宽，这就是光纤的色散，如图所示。色散一般用时延差来表示，所谓时延差，是指不同频率的信号成分传输同样的距离所需要的时间之差。 色散引起的脉冲展宽示意图 模式色散：不同模式不同传输速度（仅多模光纤有） 材料色散：不同频率不同折射率 波导色散：不同频率不同模场分布 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度 色散分类 脉冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开，从而导致误码。因此，色散特性限制了光纤的传输容量。 模式色散 多模光纤中不同模式的光束有不同的群速度，在传输过程中，不同模式的光束的时间延迟不同而产生的色散，称模式色散。 所谓模式色散，用光的射线理论来说，就是由于轨迹不同的各光线沿轴向的平均速度不同所造成的时延差。 阶跃型光纤中的模式色散 在阶跃型光纤中，传播最快的和最慢的两条光线分别是沿轴线方向传播的光线①和以临界角θc入射的光线②，如图所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光线①和光线②到达终端的时延差。 DL为两种模式的光程差。 渐变型光纤中的模式色散 在渐变型光纤中合理地设计光纤折射率分布，使光线在光纤中传播时速度得到补偿，从而模式色散引起的光脉冲展宽将很小。 特点：降低了模间色散（或多径色散） 沿着轴心传播的光经历的路程短但折射率高，沿纤芯外层传播的光路程长但折射率低。 光在光纤中传播是有损耗的，这是光纤通信中最重要的问题。这是由于在光纤中存在两种损耗机制：一种是吸收，这是光与光纤本身（在某些波长情况下）和光纤中的杂质相互作用的结果，引起电子跃迁。其后这些电子放出另一种波长的光子或者把能量变成机械振动（热的形式）放出。另一种能量损失是散射的方式，纤维的组织结构的不完整性（尺寸上可能大于或小于所传导的波长）可以引起光更改传播方向，逸出光导