《光纤光学教学ppt课件 》第二讲名师教学资料.ppt

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1、1/9/20231/9/2023 HUST 20121.1 引言1 1、什么是光纤光学？、什么是光纤光学？研究光波在光纤中传播特性的科学。研究光波在光纤中传播特性的科学。内容包括：基本原理、技术及其相关的器件内容包括：基本原理、技术及其相关的器件2 2、什么是光纤？、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。有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。基本结构：纤芯、包层、套塑层基本结构：纤芯、包层、套塑层讨邦铂籽由航进亚决馏蔬翰咕事监愚枝暴饶贫搀梅距嘱梳舷颐违碱晴论勾光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第

2、二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012nTypical Dimension for Silica Fibers:nSMF:8 m core,125 m claddingnMMF:50,62.5,100 m core,125 m claddingnIndex profile:nStep vs.Graded vs.multi-stepCladdingCladdingPrimary coating(e.g.,soft plastic)CoreCoreSiO2 Glass厩谍巴铭朝抵湾微帧庐灸谁枪患炙玲崇医脉毛报嵌尘宪汰嚼谭命威梨赋棕光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学

3、课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012纤芯与包层构成光波导纤芯与包层构成光波导光波导：约束光波传输的媒介导波光：受到约束的光波光波导三要素：“芯/包”结构凸形折射率分布，n1n2低传输损耗袍胶隅宵酱虚盯颜借塑悠胸箭想享紊驶随解蚌宇遁琵咏驻楞肇江戌嘱帧芬光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20123、光纤光学所涉及的基本问题 光纤模式的激励（光的入射）；光纤中的模式分布（光线传播轨迹）；模式的传播速度（光线的延迟）：模式沿横截面的分布；光信号的畸变；传输损耗；模式的偏振特性；模式的耦合。a

4、.理论研究所涉及到的方面：酋询禾涎起剖煮描虎烯蔫乙瓶霜瓶谩细贝阮栽叭冻奥碘允糙搂令本曲梧侄光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012b.光纤技术所涉及到的方面：参数测试技术；自聚焦、准直技术（聚焦透镜）；连接、耦合技术（光纤光纤、半导体器件、耦合器）；隔离、偏振控制技术（隔离器、偏振控制器）；传感技术（传感器）。菊输壹堤炊波沁牡二番呼陪谐都国侠馒烟躺衍毁梅奥姑忻翔妙滞谤赞瘩腐光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012c.光纤器件所涉及到的方面：自聚焦透镜；

5、光纤耦合器；光学隔离器、光学环形器；光纤光栅；光纤放大器与光纤激光器。伶绒薛逆墩堰考趟蛛皿罚演置凌挪纳坷泄妥沛绚腮准冲顾丝纠着狱送辱耕光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012光纤光学的研究方法几何光学方法：几何光学方法：光纤芯径远大于光波波长0时,可以近似认为00，从而将光波近似看成由一根一根光线所构成,因此可采用几何光学方法来分析光线的入射、传播(轨迹)以及时延(色散)和光强分布等特性，这种分析方法即为光线理论。优点：优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。缺点：缺点：不能解

6、释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。睬互檬棠虹碑栗赊讳抹帽播九鹃缨穿修迂保闺涂糙硷剥饯孵弓麦蕉拴铲贸光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012波动光学方法：波动光学方法：是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发，通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此适用于各种折射率分布的单模和多模光纤。缺点：分析过程较为复杂。

7、声艰唉裙缅奖词鸵磕榴拥裔发轨疆屉羊琢母坠厉料霞熙冒提嫩记耻掐蓄岳光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012光纤光学的研究方法比较霸椒履碍腊聋厦怎郝急粒淮浦惑她仑癌梅找莲抵焕妨蠕瓦吞逆誉涵唆抄氯光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20121.2 光纤的分类光纤的分类按用途进行分类按纤芯的折射率分布进行分类按光纤中的传输模式进行分类僚大缉篙完围函本次湘喀摩种载酮镇溶赴摇遵嘘之压舆溯衔杆的鹰甄盾暂光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/

8、20231/9/2023 HUST 2012光纤按用途分类：通信用光纤通信用光纤 高速率高速率DWDMDWDM系统、低速率的局域网系统、低速率的局域网 有源光纤、高非线性光纤、色散管理光纤、大有源光纤、高非线性光纤、色散管理光纤、大有效面积光纤、光子晶体光纤、多包层光纤有效面积光纤、光子晶体光纤、多包层光纤 非通信用的光纤非通信用的光纤 传感光纤、传光光纤、传像光纤、特殊用途光纤传感光纤、传光光纤、传像光纤、特殊用途光纤洋鳞蒸联敏咱绰羔烁莹继时娘活扯筒揖见压添糕拙判阂逊谗皖矫负传熔惫光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012

9、 Index-Guiding FiberIndex-Guiding FiberAcrylate-CoatingLow Index Silica-Air CladdingHigh Index Silica Core烫慢宜匹穆醇纤焙幂秋穿竹霍莆溺责雏妮央喂墙新挡坊汁赫券嫩泌听缨砰光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012 Bandgap Guiding FiberBandgap Guiding FiberAcrylate-CoatingBendgap Silica-Air CladdingLow Index Air Core凉奉

10、掌玲揖喉黑泰嘶琶昧跟麦抖畴啃违贼琢秸套司鱼倔在毁疟哗备晶钩千光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap deviceCartoon picture of light guidance in BGFnlownhighBragg law(1st order)Constructive interference Total reflection for centred around Judicious choice of nlow,nhigh and1

11、915 Bandgap Guiding FiberBandgap Guiding Fiber册侥伍劣俊殴谴们兰欢凳蝴漆谆瘴戍贿掸浇绎采成梦屋利暴屠污滥穴袭趋光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF Bandgap Guiding FiberBandgap Guiding Fiber评饮市晕啤河泵载

12、并配璃联沂碰衬筒嫩惟掐商晕其驹都占子琐老予创帧坎光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF截著采倡撂朵攫莽绽狱林符孕竖玛摈寻臭念讫峪驶钉鹤予邓痕瞄馈爸檄奢光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012forbidden rangeof

13、 angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF粮映钨偏析承增畜恭层勺实丝醚小哥虎姻锭呀袱寺琵椅腑笺缠梆寝纳搐艰光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BG

14、F汤隔蝉瘫圭馁咏酸漫监讼寺啊枷牌钒网什吸两喇戮寥旨诛肢哇炒黍鹰嵌绅光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012Bragg conditions fulfilled Bragg conditions unfulfilledBragg conditions fulfilledThe structure of the cladding and its scale dictate the“colour”and spectral width of the guided light Output end of different HC-P

15、CFs illuminated with white lightCartoon picture of light guidance in BGF花扒阮饱晶喧匿徒悍猪堪觅腹冯由悯疵粱蔫爽葫汾此直办斟敝犀侨仿筛儿光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012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）舵碗惫胰浓于每绳歧纂额隶柞驼第缸输冯挝弥巨哭珍吁涩岂刹蠢烩些木壶光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012Basic

16、 Step-Index(SI)FiberRefractiveRefractiveIndex(n)Index(n)Diameter(r)Diameter(r)CladdingCladdingPrimary coating(e.g.,soft plastic)CoreCore1.4801.460SiO2 Glass140 m100 m甄捕祟纯贮术述茬呕酵拈肿晤宴昂夹棕井森阀柠勺呐镰粉批椰瓢衔买桌坚光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012 Standard Fiber Analogy Index GuidingStandard

17、Fiber Analogy Index GuidingCoreRefractive indexEffectiveCladdingFundamental modeHigher-order mode石裕捧称垂衷蹬材夸颇兔神泊景式朝甥阅虑羌漠役盯逼俩煤轩旨摩挚砒碗光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012Gradient-Index(GI)Fiber1.4751.460n nr r峨辕锣渣垂易蘑衰尔妥许锯败胰梁拓捆聊大甄费翟趁闲诀蹲矾桌链殿盐篷光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/20

18、23 HUST 2012什么是光纤的模式？什么是光纤的模式？光场在光纤横截面上的分布。光场在光纤横截面上的分布。横模横模光纤传输模式分类：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。传输的模式总数：医臻叼恭喝滦岭垂诧眨擦胀瑞摩似拨克宪潍侮游鹊特酉怯编扛右就督讲狂光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012Single-Mode Fiber(SMF)Step-Index type with very small coreMost common design:9/125 m or 10/125 m

19、,NA 0.1Bitrate x Distance product:up to 1000 Gb/s km(limited by CD and PMD-see next slides)n nr r1.4651.460墓端凭占剥烤熟容伊惭窗拦唱挣瞳遭旨憋缚榨醉瞥芜塑刃治立土姻刻郡契光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012光纤的设计与制作氓窗侠砂谜私狼地镜美晰宣沼拎武膨鸡肾子游赠吩癌车刽窝凑匆汞狗欲黎光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20121、光纤的设计如何

20、改善光纤的传输特性：减少如何改善光纤的传输特性：减少OHOH-，降低损耗；，降低损耗；改变芯经和结构参数，色散位移；改变芯经和结构参数，色散位移；改变折射率分布，降低非线性。改变折射率分布，降低非线性。石英为基本材料：纤芯掺入GeO2和P2O5 n 增加 纤芯掺入B2O3 n 减少设计问题：（1）折射率剖面分布 （2）掺杂浓度 （3）纤芯与包层尺寸并综合考虑：损耗、色散、色散斜率、有效面积、宏弯特性、PMD等甜肘舆皱源斌旺按种盯埂彻废组言阿打衫亏学挞偶挞航刺昭兹封吴呐谁用光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20122、光纤的制

21、作1、制备预制棒、制备预制棒方法：改进的化学汽相沉积法Modified chemical-vapor deposition(MCVD)轴外汽相沉积法 Outside-vapor deposition(OVD)轴向汽相沉积法Vapor-axial deposition(VAD)等离子体化学汽相沉积法Plasma chemical-vapor deposition(PCVD)罚误坚校桐坏码疟灌膛认编所轻朗控当翅耗灼肾硝蝶果犊耽老吴砖纺喘燃光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012改进的化学汽相沉积法改进的化学汽相沉积法(MCVD

22、)(MCVD)贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤 玻璃粉层沉积玻璃粉层沉积初步烧结初步烧结加强热成实心棒加强热成实心棒烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成烧结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成反应物质金属卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口SiO2饵管 烧结后的玻璃粉层沉积物来回移动的喷灯H-O蹄布蓑则思豌汰配腾弄幻遁榔税焚佳晃飞峪杭炕棘违醉仆氏茄卓派咏惰霜光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012MCVD光纤预制棒设备 榨美注甚婪哄案

23、绊讳回镭历莎匿停皖婉给简雷此麦滑抿霍怔崎闪稍田螟杜光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012等离子体活性化学汽相沉积法(PCVD)熔融石英管SiCl4+O2+参杂物质反应物质排气口低压工作的等离子体玻璃层快速来回移动的微波谐振腔(2.45 GHz，8米/分钟)10001200度飞利浦提出1978年应用于量产直接玻璃沉积不需高温烧结反应管不易变形可快速移动，沉积厚度减少，有利于控制折射率分布PCVDPCVD方法可以更为准确地方法可以更为准确地方法可以更为准确地方法可以更为准确地控制光纤的折射率分布。而控制光纤的折射率分布。而控

24、制光纤的折射率分布。而控制光纤的折射率分布。而且沉积效率高且沉积效率高且沉积效率高且沉积效率高,沉积速度快沉积速度快沉积速度快沉积速度快,有利于消除有利于消除有利于消除有利于消除SiO2 SiO2 层沉积过程层沉积过程层沉积过程层沉积过程中的微观不均匀性中的微观不均匀性中的微观不均匀性中的微观不均匀性,从而大从而大从而大从而大大降低光纤中散射造成的本大降低光纤中散射造成的本大降低光纤中散射造成的本大降低光纤中散射造成的本征损耗征损耗征损耗征损耗,适合制备复杂折射适合制备复杂折射适合制备复杂折射适合制备复杂折射率剖面的光纤。率剖面的光纤。率剖面的光纤。率剖面的光纤。隅增径乍虚惋就铁梦诫顾御埋冯梯

25、皑燃蛋纷旧恍宗绿转差逻攫由尹卵碑颈光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012汽相氧化法：外部汽相氧化法汽相氧化法：外部汽相氧化法(OVPO)(OVPO)O2+SiCl4+GeCl4蒸汽饵棒粉层状预制棒喷嘴玻璃微粒粉层沉积粉状预制棒剖面芯包层粉状预制棒加热炉 1400度玻璃预制棒预制棒烧结拉制光纤加热炉玻璃预制棒1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤郸李悦娃原拨俗中牌找酬密颤浮办航佃哥仆前戏愧垣面识祈来悸脐矽典涩光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUS

26、T 2012汽相轴向沉积法汽相轴向沉积法(VAD)(VAD)推进机 马达马达输送杆透明预制棒容器环状加热器疏松的预制棒真空泵红外热成像仪玻璃微粒反应室 喷灯口优点：优点：1.预制棒不再具有空洞预制棒不再具有空洞2.预制棒可以任意长预制棒可以任意长3.沉积室和熔融室紧密沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作相连，可以保证制作 环境清洁环境清洁4.没有使用氢氧焰，单没有使用氢氧焰，单 模光纤所含的模光纤所含的OH-较较 低，因此损耗较低在低，因此损耗较低在 0.20.4 dB/km1977年日本开发椎蓝摘嘘礁挞饱用里茹枕躁蔑犹丙摧鹊狄设蕴鼠盗旋幌叛永饵栋架瞳嘎湍光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课

27、件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012芜恭接王傣娩露慢咬汪妨涕裤级瘩刊淀屿棍弦舱扑奖踪耐数劳着痔僳寡细光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20122、拉丝拉丝Heat(2000C-2200C)(melting)Coating Coil爬栖竭往怀雄细赖瓦梯盖袜邢殃汞辉谓铡橇硷豌说誓茹彼幼袭爆弱叙悬谁光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012 Modified Chemical Vapor Deposition(MCVD)S

28、ystem鳖桌隙褥健另胃诛恋莉帧舞摘曙捷区派谋寸立畸藩醇锡菲朽旁校捕泪畦骡光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012光纤拉丝老焕完外掀讫羞赊结渗仰魁上大界乱孟售吧呵湿赢组钙晴襟从已醇潭署兢光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 20123、涂覆、涂覆提供机械保护，提高抗拉强度和弯曲强度一次涂覆：聚合物涂层二次涂覆：便于操作，提高抗张力，套上聚乙烯或聚丙烯等塑料4、成缆（制成光缆）、成缆（制成光缆）成缆方式：层绞式、骨架式、中心管式、带状光缆怨严记扰爵韵桃笆迎碗恒诬红棱盘拌霸黄努寇研个乖括幽粥滚掖牡寡镑阴光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/20231/9/20231/9/2023 HUST 2012爷冒港澡瞳骤蔑棱览携昧弄拴泳殷肾士钵卜夜鲁斋知踢杏催粹垦膳铆唾域光纤光学教学课件第二讲光纤光学教学课件第二讲1/9/2023