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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第1页第1章 光传输基本理论 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第2页它们实质上是边界上场方程，是它们实质上是边界上场方程，是Maxwell方程方程组在介质交界面上详细化。组在介质交界面上详细化。2 2 边界条件边界条件第3页1.1.1 1.1.1 波动方程波动方程由麦克斯韦方程，推导出再依据矢量公式，推导出第4页前面是矢量方程，每个分量都满足以下标量方程能流密度说明：非均匀介质中，只要满足下式，则可用上面波动方程第5页1.2 平面光涉及在介质面上反射、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为常矢量第6页对应波动方程-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，与空间位置无关第7页 E和H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，组成右手关系第8页波阻抗第9页1.2.1 平面光波在介质界面上反射折射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：第10页依据振幅关系，得出即反射折射定律在各向同性介质中第11页1.2.1 平面光波在介质界面上反射折射1.平面光波全反射光密介质到光疏介质，超出临界角后发生全反射沿x方向衰减-倏逝波第12页介质内光场则为且或第13页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，得第14页化简得到：对比前面平面波关系得到也就有注：有更严格求解程函方程方法，但上述方面也能够直观得到正确结果程函方程第15页3.光线方程程函方程是光程与位矢关系，现在要找光纤轨迹坐标与位矢关系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，即波阵面或光程梯度由以上两式得第16页对程函方程求导将代入上式，得利用关系：得即光线方程第17页2.1 2.1 理想平板波导射线光学理论理想平板波导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传输均匀平面波在平面波导中传输1.平板波导中导模和辐射模临界角第18页边界连续性要求，处处相等因为，所以，上下包层光场向外衰减，上下包层光场向外衰减第19页下界面是部分反射，有以下关系上、下界面都是部分反射，有以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）第20页第21页从波阵面ABCD，要求全部光线之间位相延迟差都是2整数倍干涉相长所以要求(BC=s1,AED=s2)第22页依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第23页 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讨论对给定波导和工作波长，不一样m值对应不一样横向传输常数k1x，深入可确定、p、q，完全确定波传输特征 m一定，一定，第24页第25页第26页第27页代入方程可得第28页得到所以与射线光学理论得到相同结果第29页第30页第31页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第32页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第33页，模式正交可写为归一化TE、TM模式正交第34页第35页2.4.1 耦合模理论介电常数改变可看作理想波导微扰假设理想波导简正模已知任意光场可表示为存在微扰时，光场仍能够展开将上式代入波动方程第36页耦合模理论基本方程第37页第38页耦合条件耦合条件只能实现相同偏振模式间耦合只能实现相同偏振模式间耦合对对Ak有贡献项是：在有贡献项是：在z 距离内没有显著改变，使对距离内没有显著改变，使对z积分积分平均值不为零。要求条件平均值不为零。要求条件第39页第40页第41页假如有假如有第42页逆向耦合例子第43页：结构参数 0.3%0.6%单模光纤；1%2%多模光纤。第44页Multimodestep-indexfiberSingle-modestep-indexfiberMulti-modegraded-indexfiberMaterial:SiO2,n11.44,1.46第45页子午光线MeridionalRays斜光线SkewedRays第46页波矢分量波矢分量第47页焦散面以内衰减，焦散面以内衰减，以外振荡以外振荡Kr=0第48页稳定传输稳定传输位相自洽位相自洽 A A沿着圆弧抵达沿着圆弧抵达B B，A A经经O O反射抵达反射抵达B,B,位相差位相差=2m=2m 光在横截面内传输光在横截面内传输第49页（子午光线）（子午光线）（单位长度）（单位长度）第50页数值孔径数值孔径NA=(sinc)max第51页第52页轨迹轨迹平方律光纤光线轨迹和延迟差平方律光纤光线轨迹和延迟差光线光线为何延迟差小于阶跃光纤？第53页第54页第55页K K为实数为实数K K为虚数为虚数第56页当当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。第57页包层中：包层中：截止截止第一个根为第一个根为0第58页基模基模第59页第60页TIR-PCFPBG-PCF第61页第62页第63页例：0.2dB/km，一公里传输下降为0.955第64页第65页振动基频和玻璃分子振动基频相互作用水分子通信窗口：0.85m、1.31m、1.55m第66页瑞利散射d，假如两模式相同假如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，同向传输，不一样模式，只能是纤芯模透射式，同向传输，不一样模式，只能是纤芯模 与包层模耦合与包层模耦合第95页掩膜板：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个布拉格波长，昂贵缺点：一个相位模板只对应一个布拉格波长，昂贵光栅制作第96页无外加电场：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：偏振面不发生改变，合成，从光纤有外加电场：偏振面不发生改变，合成，从光纤3输出；输出；光开关第97页第98页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第99页基本概念基本概念第100页光放大光放大存放粒子存放粒子泵浦抽运泵浦抽运第101页第102页第103页第104页形成驻波形成驻波基本条件：基本条件：组成：组成：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第105页衡过程衡过程第106页要求：要求：M1透泵浦，高反激光；M2部分反激光，全反泵浦很多问题：间隙，离轴，倾斜，畸变很多问题：间隙，离轴，倾斜，畸变.第107页（略）980nm1550nm4I154I114I13第108页1 光纤通信系统基本组成2 光纤通信原理基础3 光纤通信系统光源和调制特征4 光纤通信系统中光放大和光放大器5 光检测原理和光检测器6 光纤通信系统复用技术7 相干光纤通信系统第109页发送机发送机信道信道接收机接收机第110页将电信号转化为适当传输形态，并加载到载波上将电信号转化为适当传输形态，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第111页模拟信号：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第112页模拟光纤通信系统中不一样参考点处信号模拟光纤通信系统中不一样参考点处信号受信者为人：声音，可视图像受信者为其它设备：电形态信号第113页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信号要建立一一对应关系特点：能够经过编码来实现差错控制；能够加密；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第114页为何要载波发射为何要载波发射1)天线要将低频信号有效地辐射出去，它尺寸就必须很大。比如，频率为1KHz电磁波，其波长为300km。假如采取14波长天线，则天线长度应为75Km。这是难于办到。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取天线友好振回路。但语言、音乐、图像信号等频率改变范围很大，所以天线友好振回路参数应该在很宽范围内改变。这又是难于做到3)假如直接发射音频信号，则发射机将工作于同一频率范围。这么，接收机将同时收到许多不一样电台节目，无法加以选择。为了克服以上困难，必须利用高频振荡，将低频信号“附加”在高频振荡上。这么，就使天线辐射效率提升，尺寸缩小；同时，每个电台都工作于不一样载波频率，接收机能够调谐选择不一样电台。这就解除了上述种种困难。第115页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信息度量或含量，也就是在辩识N个事件中特定一个事件过程中所需要提问是或否最少次数.在信息论中，认为信源输出消息是随机。即在未收到消息之前，是不能必定信源到底发送什么样消息。而通信目标也就是要使接收者在接收到消息后，尽可能多解除接收者对信源所存在疑义（不定度），所以这个被解除不定度被解除不定度就是在通信中所要传送信息量。消息是信息载体，信息是消息中对通信者有意义那部分内容第116页香农（C.E.Shannon）信息论应用概率来描述不确定性。信息是用不确定性量度定义.一个消息可能性愈小，其信息愈多；而消息可能性愈大，则其信息愈少.事件出现概率小，不确定性越多，信息量就大，反之则少。信息量信息量第117页第118页例题：p142第119页这是理论上无差错传输极限，实际通信总有一定差错几率第120页作用：作用：第121页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，只是平移只是平移第122页上边带上边带下边带下边带第123页第124页瞬时角频率瞬时角频率第125页第126页第127页(a)本征半导体；(b)N型半导体；(c)P型半导体 半导体中因为原子间相互作用，电子所处能能级级扩展成能级连续分布能能带带。能量低称为价带，高称为导带，导带底能量Ec和价带顶能量Ev之间能量差 Eg=Ec-Ev 称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。半导体能带和电子分布半导体能带和电子分布第128页在PN结界面上，载流子发生扩散运动，形成内部电场，妨碍漂移运动，最终到达平衡，使P区和N区Ef相同，结果能带发生倾斜。PNPN结能带和电子分布结能带和电子分布第129页PNPN结能带和电子分布（加压）结能带和电子分布（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。最终在PN结形成一个特殊增益区。增益区导带主要是电子，价带主要是空穴，结果取得粒子数反转分布。在电子和空穴扩散过程中，导带电子能够跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。第130页同质结：由同种材料（掺杂不一样）形成PN结异质结：由不一样材料形成PN结第131页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：为提升辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束1.不连续带隙结构2.折射率不连续分布+经典经典GaAlAs双异质结双异质结LED剖面图剖面图第132页 转化效率d小于10%。I较小时，P-I线性很好；I过大时，因为PN结发烧产生饱和现象，使P-I 曲线斜率减小。LED工作电流为50100 mA，输出光功率为 mW第133页数字调制数字调制模拟调制模拟调制第134页与与LED相同，两个区分：相同，两个区分：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。第135页光功率特征光功率特征 IIth时是受激辐射光，光功率随驱动电流增加而增加。第136页第137页第138页工作在1550nm工作带宽大于30nm，可放大多个波分复用信道大多采取双向泵浦第139页原理：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 被放大光频率被放大光频率=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所以可用不一样泵浦源来放大任何波长光信号所以可用不一样泵浦源来放大任何波长光信号第140页、PIN、APD金属表面附近自由电子逸出半导体中光生自由电子-空穴对第141页 当光照射到光电二极管光敏面上时，能量大于或等于带隙能量Eg光子将激励价带上电子吸收光子能量而跃迁到导带上，能够产生自由电子-空穴对（即光生载流子）。电子-空穴对在反向偏置外电场作用下马上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）。第142页 施加反反向向偏偏压压，目标是增加耗尽层宽度，缩小耗尽层两侧中性区宽度，从而减小光生电流中扩散分量。因为载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量百分比便可显著提升响应速度。因为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第143页I层是N型本征半导体，用P表示，两侧是高掺杂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，大幅提升了光电转换效率。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，大大提升了响应速度。且可经过控制耗尽层宽度w，来改变响应速度。第144页经典值经典值影响原因：影响原因：第145页 用每路(模拟电视)基带信号，分别对指定射频(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。因为传统意义上载波是光载波，为区分起见，把受模拟基带信号预调制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)一个光载波能够传输多个副载波。(2)SCM系统灵敏度较高，制造成本较低。(3)满足当前社会对电视传输要求。SCM模拟电视光纤传输系统优点：第146页与波分复用区分与波分复用区分:相同LD，温度控制单一频率当地振荡光，和光载波混频，电域中用滤波器分离第147页系统示意图系统示意图信号光和本振光混合信号光和本振光混合第148页总光强总光强对于高频成份，探测器不响应，输出为零，第149页滤掉直流项，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，能够提升本振光功率来取得大信号，即提升灵敏度能够提升本振光功率来取得大信号，即提升灵敏度()第150页1：为确保相干，信号光与本振光应有相同偏振方向。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。（中频放大器频率选择性，相对于光频，极其窄小）第151页半导体禁带宽度伴随温度升高而变窄，红限波长lg线性变长第152页引入参考信号引入参考信号第153页热色效应：溶液颜色（吸收谱随）温度而改变热色效应：溶液颜色（吸收谱随）温度而改变探测655nm光波随温度改变，800nm光作为参考（对温度不敏感）第154页镱、铒共掺杂氟化钇镱、铒共掺杂氟化钇(YF3:Yb3+-Er3+)是温度函数是温度函数第155页，测温范围宽，测温范围宽第156页ncore ncladding，光集中在纤芯，光集中在纤芯ncore ncladding，光进入包层，光进入包层伴随包层相对纤芯折射率增大，从限制在纤芯传输变为在包层中传输，纤芯中能量中止报警第157页 测定测定840nm和和860nm处光强，由比值确定温度处光强，由比值确定温度第158页探测黑体辐射功率，推断出温度探测黑体辐射功率，推断出温度第159页黑体辐射黑体辐射第160页马赫马赫-泽德光纤干涉仪泽德光纤干涉仪灵敏度高，对各种物理量敏感；对光纤本身要求高引发相位改变或或第161页
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