光纤技术及应用-石顺祥-复习资料.ppt

光纤技术及应用光纤技术及应用教材教材：光纤技术及应用石顺祥华中科技大学出版社2009第1章 光传输的基本理论 1.1 1.1 麦克斯韦方程组和波动方程麦克斯韦方程组和波动方程1.1.1 1.1.1 麦克斯韦方程组和边界条件麦克斯韦方程组和边界条件1 1 麦克斯韦方程麦克斯韦方程物构方程各项同性介质它们实质上是边界上的场方程，是它们实质上是边界上的场方程，是Maxwell方方程组在介质交界面上的具体化。程组在介质交界面上的具体化。2 2 边界条件边界条件1.1.1 1.1.1 波动方程波动方程由麦克斯韦方程，推导出再根据矢量公式，推导出前面是矢量方程，每个分量都满足如下的标量方程能流密度说明：非均匀介质中，只要满足下式，则可用上面的波动方程1.2 平面光波及在介质面上的反射、折射1.2.1 均匀平面光波1 亥娒霍玆方程以一定频率作正弦振荡的波称为时谐电磁波(单色波)平面波电、磁场满足以下关系K为常矢量对应的波动方程-亥娒霍玆方程各分量足以下标量方程2 均匀平面光波振幅为常量，与空间位置无关 E和H的关系由麦克斯韦方程有又由矢量公式得到对比前面，得同理EHK三者正交，构成右手关系波阻抗1.2.1 平面光波在介质界面上的反射折射1.反射与折射定律入射，反射、折射分别为边界条件相位：振幅：根据振幅关系，得出即反射折射定律在各向同性介质中1.2.1 平面光波在介质界面上的反射折射1.平面光波的全反射光密介质到光疏介质，超过临界角后发生全反射沿x方向衰减-倏逝波介质内的光场则为且或1.3 程函方程与光线方程1.局部平面波细光束在局部范围内可看作平面波是光程2.程函方程将前式带入麦克斯韦方程，得化简得到：对比前面平面波关系得到也就有注：有更严格的求解程函方程的方法，但上述方面也可以直观得到正确的结果程函方程3.光线方程程函方程是光程与位矢的关系，现在要找光纤轨迹坐标与位矢的关系p点切向单位矢量注意：光程S大写，轨迹坐标s小写p0:曲线坐标原点也是波矢方向，即波阵面或光程的梯度由以上两式得对程函方程求导将代入上式，得利用关系：得即光线方程2.1 2.1 理想平板波导的射线光学理论理想平板波导的射线光学理论第二章第二章 平板介质波导平板介质波导2.1.1 2.1.1 均匀平面波在平面波导中的传输均匀平面波在平面波导中的传输1.平板波导中的导模和辐射模临界角边界连续性要求，处处相等因为，因此，上下包层光场向外衰减，上下包层光场向外衰减下界面是部分反射，有如下关系上、下界面都是部分反射，有如下关系在包层向外衰减，在衬底中向外辐射在包层和衬底中都向外辐射（2.1）（2.1）从波阵面ABCD，要求所有光线之间的位相延迟差都是2的整数倍干涉相长因此要求(BC=s1,AED=s2)根据关系上式改写为图中有几何关系 s2-s1=2acosi 横向衰减系数得到位相关系位相关系 m值取整数，对应入射角只能取离散值值取整数，对应入射角只能取离散值本征方程的讨论对给定的波导和工作波长，不同的m值对应不同的横向传播常数k1x，进一步可确定、p、q，完全确定波的传播特性 m一定，一定，代入方程可得得到因此与射线光学理论得到相同结果p值变为负数，则场在衬底向外不衰减-衬底辐射模截止条件截止条件：p0值与射线光学理论得到相同结果p值变为负数，则场在衬底向外不衰减-衬底辐射模截止条件截止条件：p0值与射线光学理论得到相同结果，模式的正交可写为归一化的TE、TM模式的正交2.4.1 耦合模理论介电常数的变化可看作理想波导的微扰假设理想波导的简正模已知任意光场可表示为存在微扰时，光场仍可以展开将上式代入波动方程耦合模理论的基本方程耦合条件耦合条件只能实现相同的偏振模式间的耦合只能实现相同的偏振模式间的耦合对对Ak有贡献的项是：在有贡献的项是：在z 距离内没有明显变化，使对距离内没有明显变化，使对z积分积分平均值不为零。要求条件平均值不为零。要求条件如果有如果有逆向耦合的例子：结构参数 0.3%0.6%单模光纤；1%2%多模光纤。Multimodestep-indexfiberSingle-modestep-indexfiberMulti-modegraded-indexfiberMaterial:SiO2,n11.44,1.46子午光线MeridionalRays斜光线SkewedRays波矢分量波矢分量焦散面以内衰减，焦散面以内衰减，以外振荡以外振荡Kr=0稳定传播稳定传播位相自洽位相自洽 A A沿着圆弧到达沿着圆弧到达B B，A A经经O O反射到达反射到达B,B,位相差位相差=2m=2m 光在横截面内传播光在横截面内传播（子午光线）（子午光线）（单位长度）（单位长度）数值孔径数值孔径NA=(sinc)max轨迹轨迹平方律光纤的光线轨迹和延迟差平方律光纤的光线轨迹和延迟差光线光线为什么延迟差小于阶跃光纤？K K为实数为实数K K为虚数为虚数当当v=0时，横模。时，横模。1.Ez,Er,H 0，Hz=Hr=0，E =0，TM0。2.Hz,Hr,E 0,Ez=Er=0，H =0，TE0 。当当v0时，电磁场六个分量都存在，时，电磁场六个分量都存在，混合模混合模(波波)。1.EzHz，记为，记为HEv;2.HzEz，记为，记为EHv 。下标下标v和和 都是整数。都是整数。包层中：包层中：截止截止第一个根为第一个根为0基模基模TIR-PCFPBG-PCF例：0.2dB/km，一公里传输下降为0.955振动基频和玻璃分子的振动基频相互作用水分子通信窗口：0.85m、1.31m、1.55m瑞利散射d，如果两模式相同如果两模式相同单模光纤，反射式，是同种模式耦合单模光纤，反射式，是同种模式耦合 透射式，同向传播，不同模式，只能是纤芯模透射式，同向传播，不同模式，只能是纤芯模 与包层模耦合与包层模耦合掩膜板：相位光栅，抑制零级，增强正负一级掩膜板：相位光栅，抑制零级，增强正负一级原理：正负一级干涉原理：正负一级干涉优点：优点：缺点：一个相位模板只对应一种布拉格波长，昂贵缺点：一个相位模板只对应一种布拉格波长，昂贵光栅制作无外加电场：偏振面旋转无外加电场：偏振面旋转90度，度，合成，从光纤合成，从光纤4输出；输出；有外加电场：偏振面不发生变化，合成，从光纤有外加电场：偏振面不发生变化，合成，从光纤3输出；输出；光开关1.1.晶体型晶体型2.2.非线性光学效应型非线性光学效应型3.3.掺杂型掺杂型类型类型优点优点基本概念基本概念光放大光放大存储粒子存储粒子泵浦抽运泵浦抽运形成驻波形成驻波基本条件：基本条件：构成：构成：原理：泵浦原理：泵浦粒子数反转粒子数反转受激辐射受激辐射衡过程衡过程要求：要求：M1透泵浦，高反激光；M2部分反激光，全反泵浦诸多问题：间隙，离轴，倾斜，畸变诸多问题：间隙，离轴，倾斜，畸变.（略）980nm1550nm4I154I114I131 光纤通信系统的基本组成2 光纤通信原理基础3 光纤通信系统的光源和调制特性4 光纤通信系统中的光放大和光放大器5 光检测原理和光检测器6 光纤通信系统的复用技术7 相干光纤通信系统发送机发送机信道信道接收机接收机将电信号转化为合适的传输形态，并加载到载波上将电信号转化为合适的传输形态，并加载到载波上模拟调制格式模拟调制格式载波源载波源信道耦合器信道耦合器放放大大模拟信号：放大、滤波模拟信号：放大、滤波数字信号：放大、滤波、门限判决数字信号：放大、滤波、门限判决，还，还（）器件：器件：任何一个比特时间内判断是0、1模拟光纤通信系统中不同参考点处的信号模拟光纤通信系统中不同参考点处的信号受信者为人：声音，可视图像受信者为其他设备：电形态信号原始非电信号原始电信号(基带信号)调制信道解调7.2.1连续信息模拟信息离散信息数字信息通信信息与传递的信号要建立一一对应关系特点：可以通过编码来实现差错控制；可以加密；通信要求两端节拍一致，编码一致优点：1抗干扰力强，2误码可控，3计算机技术直接易于处理，4保密性好，5适用性广代价：比模拟信号占据更大带宽为什么要载波发射为什么要载波发射1)天线要将低频信号有效地辐射出去，它的尺寸就必须很大。例如，频率为1KHz的电磁波，其波长为300km。如果采用14波长的天线，则天线的长度应为75Km。这是难于办到的。2)为了使发射与接收效率高，在发射机与接收机方面都必须采用天线和谐振回路。但语言、音乐、图像信号等的频率变化范围很大，因此天线和谐振回路的参数应该在很宽范围内变化。这又是难于做到的3)如果直接发射音频信号，则发射机将工作于同一频率范围。这样，接收机将同时收到许多不同电台的节目，无法加以选择。为了克服以上的困难，必须利用高频振荡，将低频信号“附加”在高频振荡上。这样，就使天线的辐射效率提高，尺寸缩小；同时，每个电台都工作于不同的载波频率，接收机可以调谐选择不同的电台。这就解除了上述的种种困难。或者说信息量是指从N个相等可能事件中选出一个事件所需要的信息度量或含量，也就是在辩识N个事件中特定的一个事件的过程中所需要提问是或否的最少次数.在信息论中，认为信源输出的消息是随机的。即在未收到消息之前，是不能肯定信源到底发送什么样的消息。而通信的目的也就是要使接收者在接收到消息后，尽可能多的解除接收者对信源所存在的疑义（不定度），因此这个被解除的不定度被解除的不定度就是在通信中所要传送的信息量。消息是信息的载体，信息是消息中对通信者有意义的那部分内容香农（C.E.Shannon）信息论应用概率来描述不确定性。信息是用不确定性的量度定义的.一个消息的可能性愈小，其信息愈多；而消息的可能性愈大，则其信息愈少.事件出现的概率小，不确定性越多，信息量就大，反之则少。信息量信息量例题：p142这是理论上无差错传输的极限，实际通信总有一定的差错几率作用：作用：调制后调制后基带信号基带信号仍包含基带信号频谱，仍包含基带信号频谱，只是平移只是平移上边带上边带下边带下边带瞬时角频率瞬时角频率(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体 半导体中由于原子间的相互作用，电子所处的能能级级扩展成能级连续分布的能能带带。能量低的称为价带，高的称为导带，导带底的能量Ec和价带顶的能量Ev之间的能量差 Eg=Ec-Ev 称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。半导体的能带和电子分布半导体的能带和电子分布在PN结界面上，载流子发生扩散运动，形成内部电场，阻碍漂移运动，最终达到平衡，使P区和N区的Ef相同，结果能带发生倾斜。PNPN结的能带和电子分布结的能带和电子分布PNPN结的能带和电子分布（加压）结的能带和电子分布（加压）在PN结上施加正向电压，减弱内部电场，能带倾斜减小，扩散增强。最后在PN结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。同质结：由同种材料（掺杂不同）形成的PN结异质结：由不同材料形成的PN结双异质结构双异质结构折射率电子能量有源区注入电子电子势垒电子-空穴复合注入空穴空穴势垒波导区异质结：为提高辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束1.不连续的带隙结构2.折射率不连续分布+典型的典型的GaAlAs双异质结双异质结LED剖面图剖面图 转化效率d小于10%。I较小时，P-I线性较好；I过大时，由于PN结发热产生饱和现象，使P-I 曲线的斜率减小。LED工作电流为50100 mA，输出光功率为 mW数字调制数字调制模拟调制模拟调制与与LED相似，两个区别：相似，两个区别：纵向两端是晶体解理面，形成谐振腔；纵向两端是晶体解理面，形成谐振腔；有源层光场在横向和侧向都受到限制。有源层光场在横向和侧向都受到限制。光功率特性光功率特性 IIth时是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。工作在1550nm工作带宽大于30nm，可放大多个的波分复用信道大多采用双向泵浦原理：受激拉曼散射原理：受激拉曼散射 分子吸收泵浦光分子吸收泵浦光激发态激发态信号光诱导信号光诱导受激辐射实现光放大，受激辐射实现光放大，同时发射声子。同时发射声子。不需要粒子数反转不需要粒子数反转 被放大光的频率被放大光的频率=泵浦频率泵浦频率-介质共振频率，即介质共振频率，即 s=p-r因此可用不同的泵浦源来放大任何波长的光信号因此可用不同的泵浦源来放大任何波长的光信号、PIN、APD金属表面附近的自由电子逸出半导体中的光生自由电子-空穴对 当光照射到光电二极管的光敏面上时，能量大于或等于带隙能量Eg的光子将激励价带上的电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，可以产生自由电子-空穴对（即光生载流子）。电子-空穴对在反向偏置的外电场作用下立即分开并在结区中向两端流动，从而在外电路中形成电流（光电流）。施加反反向向偏偏压压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。光电效应光电效应反向偏压反向偏压I层是N型本征半导体，用P表示，两侧是高掺杂的P型和N型半导体。I层电阻大，电压主要降在I层上，其内部电场很强。I层很厚，入射光主要在此区被吸收而产生大量电子-空穴对，大幅提高了光电转换效率。两侧P+层和N+层很薄，I层很厚，因而光生电流中漂漂移移分分量量占支配地位，大大提高了响应速度。且可通过控制耗尽层宽度w，来改变响应速度。典型值典型值影响因素：影响因素：用每路(模拟电视)基带信号，分别对指定的射频(RF)电信号进行调幅(AM)或调频(FM)，然后把这些预调RF信号组合成多路宽带信号，再用这种宽带信号对发射机光源进行光强调制。因为传统意义上的载波是光载波，为区别起见，把受模拟基带信号预调制的RF电载波称为副载波，这种复用方式也称为副载波复用(SCM)。(1)一个光载波可以传输多个副载波。(2)SCM系统灵敏度较高，制造成本较低。(3)满足目前社会对电视传输的要求。SCM模拟电视光纤传输系统的优点：与波分复用的区别与波分复用的区别:相同的LD，温度控制单一频率的本地振荡光，和光载波混频，电域中用滤波器分离系统示意图系统示意图信号光和本振光的混合信号光和本振光的混合总光强总光强对于高频成分，探测器不响应，输出为零，滤掉直流项，滤掉直流项，输出光电流正比于信号光振幅，也正比于本振光振幅，输出光电流正比于信号光振幅，也正比于本振光振幅，可以提高本振光功率来获得大的信号，即提高灵敏度可以提高本振光功率来获得大的信号，即提高灵敏度()1：为保证相干，信号光与本振光应有相同的偏振方向。2：信号光与本振光单色性好，位相噪声小。3：频率稳定性高。优点：1灵敏度极高，可大大增大中继距离。2频率选择性高。（中频放大器的频率选择性，相对于光频，极其窄小）半导体禁带宽度随着温度升高而变窄，红限波长lg线性变长引入参考信号引入参考信号热色效应：溶液颜色（吸收谱随）温度而变化热色效应：溶液颜色（吸收谱随）温度而变化探测655nm光波随温度的变化，800nm光作为参考（对温度不敏感）镱、铒共掺杂的氟化钇镱、铒共掺杂的氟化钇(YF3:Yb3+-Er3+)是温度的函数是温度的函数，测温范围宽，测温范围宽ncore ncladding，光集中在纤芯，光集中在纤芯ncore ncladding，光进入包层，光进入包层随着包层相对纤芯的折射率的增大，从限制在纤芯传播变为在包层中传播，纤芯中能量中断报警 测定测定840nm和和860nm处光强，由比值确定温度处光强，由比值确定温度探测黑体辐射的功率，推断出温度探测黑体辐射的功率，推断出温度黑体辐射黑体辐射马赫马赫-泽德光纤干涉仪泽德光纤干涉仪灵敏度高，对多种物理量敏感；对光纤本身要求高引起相位变化或或