光纤光学总复习-2010.ppt

单击以编辑,母版标题样式,单击以编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,*,HUST 20,10,光纤光学,总复习,10/29/2025,光纤光学的基本理论,什么是光纤？,介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。,基本结构：纤芯、包层、套塑层,Typical Dimension for Silica Fibers:,SMF:810,m,m core,125,m,m cladding,MMF:50,62.5,100 um core,125 um cladding,Index profile:,Step vs.Graded vs.multi-step,10/29/2025,光纤按纤芯折射率分布分类：,a.,阶跃折射率分布光纤（,SIOF,）,b.,渐变折射率分布光纤（,GIOF,）,10/29/2025,光纤传输模式分类：,传输的模式总数：,单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；,多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。,10/29/2025,光纤光学的研究方法,10/29/2025,光线理论与波动理论分析思路,10/29/2025,光线方程的推导,10/29/2025,SIOF,中光线的传播,数值孔径,:,定义光纤数值孔径,NA,为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即,物理意义与光纤传输速率的关系,10/29/2025,GIOF,中光线的传播,（子午光线）,同一光线：值相同；不同光线：值不同！,：第一射线不变量,由光线的入射条件所决定！,光线分类、特征及其激励条件：,约束光线,隧道光线,折射光线,10/29/2025,GIOF,中子午光线的轨迹,平方律分布的光纤、双曲正割折射率分布光纤,等光程条件,光线间延迟小,传输速率高,10/29/2025,模式分类、特征及其激励条件：,导模,泄漏模,辐射模,导模分析中的重要参量及其物理意义,纵向传播常数,（,b,）、,归一化频率,（,V,）、,横向传播常数,（,U,、,W,）,10/29/2025,SIOF,模式分析的基本过程,基模模场的表示式,导模的分类及其特征,导模的截止与远离截止条件,10/29/2025,导模截止与远离截止条件,:,模式临近截止远离截止,*,除了,HE,1m,模式以外,U,不能为零,模式本征值,b,、,l,满足：,10/29/2025,色散曲线及其物理含义,10/29/2025,光纤的单模工作条件,弱导光纤的特征,线偏振模基模模场的表示,线偏振模与精确模式间的关系,导模的数目,（估计）、,模组与,主模标号、,模斑,10/29/2025,平方率光纤中的导模场的特征,平方率光纤中的基模场的表达式,模场半径的概念,WKB,的基本思想,任意折射率分布的本征值方程,模式容积,10/29/2025,SIOF,、平方率单模光纤中的场解,任意折射率分布单模光纤中的场解的求解方法,10/29/2025,光纤的特性及特征参数测量,损耗的定义及来源,光纤的衰减系数与损耗的关系：,10/29/2025,第三传输窗口,第二传输窗口,第一传输窗口,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗,(dB/km),波 长,(nm),通信窗口：由,0.85,m,m,、,1.31,m,m,、,1.55,m,m,到,S,波,(1.49,m,m1.53,m,m),、,C,波,(1.53,m,m1.57,m,m),、,L,波,(1.57,m,m1.61,m,m),。,10/29/2025,光纤的弯曲损耗,光纤发生弯曲,波导内完全内反射遭破坏,波导模转化为泄漏模甚至辐射模,引起弯曲损耗,弯曲损耗的种类：宏弯曲、微弯曲、过渡弯曲,10/29/2025,光纤色散概念与种类,各类色散的计算、色散位移概念,10/29/2025,10/29/2025,光纤的演变,G.651,光纤：工作波长,850nm,；,多模；损耗：,3dB/km,G.652,光纤：常规单模光纤，零色散波长,1310nm,；,最低损耗窗口,1550 nm,G.653,光纤：,DSF,，,零色散波长,1550nm,；,最低损耗窗口,1550 nm,G.655,光纤：,NDSF,，,Lucent,：,零色散波长,1530nm,；,Corning,：,1570nm,大有效面积光纤：,LEAF,降低非线性效应的影响。,色散补偿光纤：,全波光纤：消除,OH,的吸收损耗,通信窗口：由,0.85,、,1.31,、,1.55,到,S,波,(1.491.53),、,C,波,(1.531.57),、,L,波,(1.571.61),10/29/2025,光纤中色散与脉冲展宽的关系,如何利用色散实现脉冲压缩？,光纤的传输带宽,10/29/2025,光纤的设计：损耗、色散、非线性；折射率、折射率分布、掺杂,光纤的制作：预制棒（,MCVD,、,OVD,、,VAD,、,PCVD,）、拉丝、涂覆、成缆,10/29/2025,光纤的模场半径、截止波长的定义,光纤损耗的测量,数值孔径的测量,模场直径的测量,截止波长的测量,OTDR,的基本原理、测量精度、分辨率、动态范围等,10/29/2025,10/29/2025,自聚焦透镜,光有源与无源器件、自聚焦光纤、自聚焦透镜,自聚焦透镜与自聚焦光纤的比较,自聚焦透镜与一般球透镜的比较,由射线方程如何得到自聚焦透镜的传输矩阵,自聚焦透镜的成像特性、节距的概念,0.23P,、,0.25P,、,0.29P,自聚焦透镜的成像性质,10/29/2025,光纤耦合器,10/29/2025,对相同波长、相同光功率的耦合会产生,3dB,损耗。,10/29/2025,10/29/2025,10/29/2025,光隔离器,10/29/2025,光环行器,10/29/2025,光纤光栅,10/29/2025,10/29/2025,10/29/2025,色散补偿应用,Chirped,Bragg grating,l,long,l,short,10/29/2025,OADM,应用,10/29/2025,掺铒光纤放大器,EDFA,：,Erbium,Doped Fiber Amplifier,10/29/2025,亚稳态,Pump Photon,980 or 1480 nm,SIGNAL PHOTON,1550 nm,基态,激发态,弛豫,Amplified,Signal,1550 nm,基态,铒离子在外界泵浦光的作用下,外界,信号光,引起受激辐射,信号光放大,10/29/2025,隔离器,WDM,EDF,隔离器,泵浦激光器,输入信号,输入信号,4,000GHz,1500 1520 1540 1560 1580 1600,波长,10/29/2025,掺铒光纤激光器,光放大器与激光器的差别,光纤激光器光纤放大器激光谐振腔,用已学的光纤器件构建光纤激光器,10/29/2025,光纤的连接与耦合,引起光纤连接损耗的因素：,内部损耗因子：光纤结构参数的失配,外部损耗因子：光纤调整参数的偏离、端面质量,端面反射损耗：光纤活动连接中,10/29/2025,各种光纤连接损耗的特点：,（,1,）内部损耗因子引起的连接是非互易的；,（,2,）横向失准和角向失准对损耗的影响比纵向损耗大的多，且难调准；,（,3,）多模光纤间的,a,和,的偏差会引起较大的损耗，其量级可达,0.05,0.2dB,；,（,4,）单模光纤的内部损耗因子归结为唯一的参数：基模的模场半径；单模光纤由于纤径小，对于横向偏移与角向偏移极为敏感。为保证接续损耗低于,0.05dB,，要求光纤对准调整误差在十分之几微米之内。,10/29/2025,内部损耗因子,（,1,）数值孔径不匹配,（,2,）纤芯半径不匹配,（,3,）折射率分布形式不匹配,二、单模光纤连接损耗的理论分析,模场半径的失配,10/29/2025,光纤固定接头的制作：,光纤端面制备,光纤对准调节,光纤接头焊接,固定,10/29/2025,光纤活动连接器种类：,10/29/2025,光纤与光源间的耦合技术：,半导体激光的发光特性：,近场不对称；,远场光斑不对称；,具有很大的发散角。,影响耦合损耗的因素：,场型失配；,场分布非园对称性；,模场半径失配；,菲尔反射损耗；,透镜相差损耗。,常见的几种变换透镜,10/29/2025,光纤光学作业解答,1,、证明，并说明上式的物理意义。其中,R,是光线弯曲的曲率半径，为光纤法向单位变量。,10/29/2025,说明：表示 的相对变化，,R,的正负与其变化方向相同，,增大时，,R,为正，故光线总向折射率高的方向弯曲,10/29/2025,2,、验证双曲正割折射率分布满足光程条件：,10/29/2025,10/29/2025,3,、已知模截止时，设,NA,0,21,，,(1),若 ，,求 的值；,(2),若,a,5,m,m,求 值。,解,：,(1),3.94,m,m,(2),=1.65,m,m,10/29/2025,4,、一光纤对于 为单模光纤，,问（,1,）对于 的光传播，能传输多少模式？,问（,2,）对于 的光纤传播多少模式？什么模式？,(3),上述三种光波激发起的基模场分布有什么不同？这种不同对光的传输特性有什么影响？,利用 可以求解传播模式,（,1,）得到,V=3.678,，可传输,（,2,）得到,V=2.017,，只能传输,10/29/2025,5,、标准通信光纤芯径,50,m,m,，数值孔径,0.2,，求其中传输模群的最大主模标号,10/29/2025,6,、哪些因素限制光通信传输距离？,光通信传输距离主要取决于光纤的损耗和色散。,光纤损耗包括：光纤材料的吸收损耗：,1.,本征吸收；,2.,杂质吸收；,3.,散射损耗（瑞利散射）和非线性散射损耗（受激拉曼散射，受激布里渊散射）；,4.,弯曲损耗（主要包括宏弯损耗，微弯损耗和过渡弯曲损耗）。,光纤色散包括：,材料色散；,波导色散；,模间色散；,偏振模色散。,10/29/2025,7,、,3dB,损耗相当于光透射率是多少？,则透过率,10/29/2025,8,、为什么光纤在,1.55,m,m,波长的损耗比,1.3,m,m,波长小？,在低损耗光纤中，一切损耗均可解释为瑞利散射，而在,1.3,m,m,处瑞利散射损耗大于在,1.55,m,m,处的损耗,10/29/2025,9,、如下图所示，由,a,b,c,三段光纤连接成待测光纤，其中,a,b,是同种光纤。且它们的损耗比,c,大,画出,OTDR,测得的背向散射功率随光纤长度变化关系，并加以说明。,如,OTDR,发射的矩形脉冲脉宽为,1ns,，待测光纤的纤芯折射率为,1.5.,求该,OTDR,的空间分辨率是多少米？,图中曲线,d,线段是由于耦合设备和光纤前端面菲涅尔反射引起的回波脉冲；,a,b,c,线段是光脉冲沿具有均匀特性的光纤段传播时的背向散射曲线。由于,a,b,光纤比,c,光纤损耗要大。所以,a,b,段较,c,段陡，斜率比,c,段大。线段突起的点为光纤连接点。,e,线段为终端菲涅尔反射引起的回波脉冲。,10/29/2025,（,2,）由公式,得出,OTDR,空间分辨率为,0.1m,10/29/2025,10,、如下图所示的光纤型耦合器，若从,a,、,b,两端输入相同波长的光信号，问（,1,）注入光功率均为,0dBm,，,c,端的最大输出为多少？（,2,）当,a,端为,0dBm,，,b,端为,3dBm,，,c,端的最大输出为多少？若从,a,、,b,两端输入不同波长的光信号，问（,3,）注入光功率均为,0dBm,，,c,端的最大输出为多少？（,4,）当,a,端为,0dBm,，,b,端为,3dBm,，,c,端的最大输出为多少,dBm,？,(,说明计算理由,),(1)c,端最大输出为,0dBm,(2)c,端最大输出为,3dBm,(3)c,端最大输出为,3dBm,(4)c,端最大输出为,4.77dBm,10/29/2025,11,、,如下图所示的应用于,1.55,m,m,的波分复用（,WDM,）光纤放大器系统，光信号间的频率间隔为,，光纤的损耗为,0.2dB/km,，光纤与放大器间连接损耗为,1dB,，两者对所有的,WDM,信道均相同。（,1,）求用于弥补光纤损耗的放大器增益；（,2,）若放大器的增益线型可近似为：,，假设只有在,3dB,的增益带宽内的波长才能适应系统，求该,WDM,系统的最大波长数目。,10/29/2025,（,1,）,5020.2dB/km+21dB=22dB,（,2,）损耗为,3dB,内，由题目提供公式可得：,10/29/2025,12,、选择如下器件：半导体激光器（,LD,）,波分复用光纤耦合器（,WDM,），,Tap,光纤耦合器（,TAP,）,光隔离器（,ISO,），掺铒光纤（,EDF,）以及,Bragg,光纤光栅和长周期光纤光栅若干只，设计（,1,）增益平坦的光纤放大器,;(2),二波长输出光纤激光器，画出结构示意图，标注器件设计参数及光波长参数，并简单介绍工作原理。,10/29/2025,（,1,）工作原理：级联一个或多个长周期光纤光栅通过陷波滤波，使增益变得平坦。用不同泵浦光级联，通过优化各段光纤的长度可以获得增益平坦的掺铒光纤光纤放大器。,（,2,）方法,1,：,工作原理：,#1,，,#2,分别对应着反射中心波长为的反射型,Bragg,光栅，这样就可以产生二波长激光。,10/29/2025,方法,2,：工作原理：,LD,泵浦光耦合进,EDF,放大，通过环行器进入,2,端，经过,#1,和,#2 FBG,选择反射波长进入谐振腔在放大，产生二波长激光由耦合器输出。,10/29/2025,补充题：,经两段不同的色散光纤传播，出射恰好,达到色散补偿。求,D1,，,L1,，,D2,，,L2,之间的关系。,光脉冲：,经,L1,传输后，得到：,10/29/2025,令：,经,L2,传输后，得到：,10/29/2025,10/29/2025,简述包层的存在必要性,包层是一种折射率稍低于纤芯的介质材料,一方面可以与纤芯一起构成光波导,再一方面，也可以保护纤芯不受外来的污染,10/29/2025,我的办公室：武汉光电国家实验室,B204,电话：,87792242,804,欢迎同学们来答疑、交流！,10/29/2025,