光电子学第2章-介质波导与光纤.ppt

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1、Chapter 2 Dielectric Waveguides and Optical Fiberv2.1 Symmetric planar dielectric Slab waveguidev2.2 dispersion in the planar waveguide v2.3 Step index fiberv2.4 Numerical aperturev2.5 Dispersion in single mode fibersv2.6 Dispersion,electrical,and optical bandwidthv2.7 The graded index optical fiber

2、v2.8 Light absorption and scatteringv2.9 Attenuation in optical fibersv2.10 Fiber manufacture “The introduction of optical fiber systems will revolutionize the communications network.The low-transmission loss and the large bandwidth capability of the fiber systems allow signals to be transmitted for

3、 establishing communications contacts over large distance with few or no provisions of intermediate amplification.”Charles K.Kao光纤系统的引入将使通信网络产生革命。光纤系统的低传光纤系统的引入将使通信网络产生革命。光纤系统的低传输损耗和巨大的带宽能力允许信号在很少经过或者不经过输损耗和巨大的带宽能力允许信号在很少经过或者不经过中间放大的情况下实现超远距离的传输，建立通信联系。中间放大的情况下实现超远距离的传输，建立通信联系。查尔斯查尔斯 高锟高锟Terminology

4、Waveguide:波导波导Further Phase Change of：附加相位：附加相位；Optical Path Length（OPL）：光程；）：光程；Constructive Interference：相长干涉，相干加强；：相长干涉，相干加强；Destructive Interference：相消干涉，相干减弱；：相消干涉，相干减弱；Phase Difference(PD)：相位差；：相位差；Optical Path Difference(OPD):光程差；光程差；Polarization State of Light Wave：光波偏振态：光波偏振态State of Polari

5、zation（SOP）:偏振态偏振态Field Pattern：场图：场图Resultant Wave：合成波；：合成波；Standing Wave：驻波；：驻波；TerminologyWavevector：波矢：波矢Single Mode Waveguide(SM waveguide):单模波导单模波导Multimode Waveguide(MM waveguide):多模波导多模波导Normalized Thickness:归一化膜厚归一化膜厚Normalized Frequency:归一化化频率归一化化频率V-number:V 数数Cut-off Wavelength:截至波长截至波长T

6、ransverse Electric field mode:横电场模式横电场模式Transverse Magnetic field mode:横磁场模式横磁场模式Mode Field Width(MFW):模场宽度模场宽度Mode Field Diameter(MFW):模场宽度模场宽度Constant phase wavefront：等相位面：等相位面 To understand the general nature of light wave propagation in optical waveguides,we first consider the planer dielectric

7、slab waveguide shown in Figure 2.1,which is the simplest waveguide in terms of tractable analysis.A slab of dielectric of thickness 2a and refractive index n1 is sandwiched between two semi-infinite regions both of refractive index n2(n2 l1l1lcw2w1w1 vg1Thus,agreaterportionofthelightenergyiscarriedb

8、ythecladdinginwhichthephasevelocityishigher.Longerwavelengthpropagatefaster,eventhoughbythesamemode.Thisiscalledwaveguide dispersioninasmuchasitresultsfromtheguidingpropertiesofthedielectricstructureandithasnothingtodowiththefrequency(orwavelength)dependenceoftherefractiveoftheguide,thedisper-sionca

9、nalsobestateasduetothewavelengthdependenceoftheV-number.Thehigherthewavelength(lowerthefrequency),thegreaterthepenetrationofthefieldintothecladding,asdepictedinFigure.bmwSlope=c/n2Slope=c/n1TE0wcut-offTE1TE2Therefractiveindexoftheguidematerialwillalsodependonthewavelength and thus modify the-m behav

10、ior in Figure.Thechange in the group velocity of a given mode due to the n-dependencealsogivesrisetothebroadeningofapropagatinglightpulse.Thisiscalled material dispersion.Thusbothwaveguideandmaterialdispersionacttogethertobroadenalightpulsepropagatingwithinagivenmode.Combineddispersioniscalledintram

11、ode dispersion.Questions and Problems2.7 Dielectric slab waveguide(p.100)3.2 光纤的色散特性光纤的色散特性3.2.1 色散的概念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。自然光的色散 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

12、，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（模式色散：不同模式不同传输速度（仅多模光纤有仅多模光纤有）材料色散：不同频率不同折射率材料色散：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偏振模色散：不同偏振态不同传输速度色散分类色散分类t1t2t3t4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，射散特性限制了光纤的传输容量。色散描述方式色散描述方式信号分量的群速率是频率/波长的函数：即不同的频率分量间存在群时延差。信号在传输了距离L，

13、频率分量w经历的延时为：假设输入脉冲的谱宽Dw不太宽，那么脉冲展宽脉冲展宽的多少可以由下式决定：群速度色散群速度色散(GVD)（ps2/km)通常光源的谱宽用Dl来表示。根据w和l之间的关系代入DT中，那么可以得到：其中D(l)称为色散系数色散系数色散系数色散系数(单位长度群延迟差单位长度群延迟差单位长度群延迟差单位长度群延迟差):):ps/(kmnm)3.2.2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。1.阶跃型光纤中的模式

14、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和以临界角c入射的光线，如图3.6所示。因此，在阶跃型光纤中最大色散是光线和光线到达终端的时延差。图图3.6 3.6 阶跃型光纤的模式色散阶跃型光纤的模式色散DL为两种模式的光程差。2.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。3.2.3材料色散 由于光源的不同频率（或波长）成分具有不同的群速度，在传输过程中，不同频率的光束的时间延迟不同。由于材料折射率随光信号频率的变化而不同，光信号不同频率成分所对应的群速度不同，由此引起的色散称为

15、材料色散。一般情况下，材料色散往往是用材料色散系数这个物理量来衡量，材料色散系数定义为单位波长间隔内各频率成份通过单位长度光纤所产生的色散。光纤的折射率是波长的函数n(l)，则不同的波长的传播函数b不同：可以得到传播了L后波长l所经历的群延时(材料色散)为：式中：为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。Dm为材料色散系数。减小材料色散方法：选择谱宽窄的光源，采用较长的工作波长。3.2.4波导色散单模光纤只有约80%的光功率在纤芯中传播，20%在包层中传播的光功率其速率要更大一些。这种由于光纤波导结构引起的色散称为波导色散。假设纤芯和包层的折射率与波

16、长无关，而且折射率差D=(n1-n2)/n1非常小，传播函数b近似等于：可以得到传播了L后波长l所经历的群延时为：其中V为归一化频率。进一步可以得到波导色散导致的脉冲展宽：其中为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值光功率一半时所对应的波长范围；L是光纤的传播长度。Dw()为波导色散系数波导色散系数一般为负值例：令n2=1.48，D=0.2%，从左图可以看出当V=2.4时，有：因此可以算出在1320nm处，波导色散为：2.4随V变化的曲线标准单模光纤总的模内色散1320一般来说材料色散的影响大于波导色散：|Dm|Dw|波导色散特性波导色散特性取决于光纤的特性，如：芯径a，相对折射率差以及折射率分布

17、等，因此可以通过改变光纤特性来改变其色散特性。色散的改变主要集中在零色散波长的位移和色散平坦两方面。3.2.5 偏振模色散（极化色散）偏振模色散（PMD）也称为极化色散。由于光信号的两个正交偏振态在光纤中有不同的传播速度而引起的色散称偏振模色散。偏振模色散本征光纤双折射随机的偏振模耦合双折射的光通信器件 偏振模色散产生的原因+外界的挤压外界的挤压 光纤的弯曲、扭转光纤的弯曲、扭转 外界环境温度的变化等外界环境温度的变化等EDFAEDFA，FBGFBG，DCFDCFIsolators,Couplers,Filtersetc.Isolators,Couplers,Filtersetc.偏振模色散(

18、PMD)PMD受环境(如振动、温度、应力等)影响非常显著，跟模内色散相比具有不稳定性和突发性。因此，PMD补偿的难度比较大，关于补偿的方法目前尚无定论。PMD对传输的影响PMD特点n n 一般采用两偏振模的群时延差(DifferentialGroupDelay)来表示偏振模色散的大小n两偏振模之间的模式耦合随波长和时间随机变化，所以偏振模色散是一个统计量，并随时间而变化n当光纤很长时，PMD呈现为麦克斯韦分布。这个分布可以是一组相同的光纤在同一波长处测量的结果，也可以是一根光纤在同一波长处但不同时间的测量结果，或者是同一光纤在不同波长处的测量结果PMD表征方式由于统计特性，群时延差由于统计特性

19、，群时延差(DGD)(DGD)很难用于实际测量很难用于实际测量通常采用以下几种方式来定义通常采用以下几种方式来定义PMDPMD值：值：群时延差的平均值群时延差的平均值(MeanDifferentialGroupDelay)(ps)(MeanDifferentialGroupDelay)(ps)群时延差的平均值系数群时延差的平均值系数传输时间的均方差传输时间的均方差(RMSDGD(RMSDGD，约为，约为1.08)1.08)实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多实际测量的群时延差值可能比群时延差的平均值大或小许多PMD对光通信系统的影响按照国际标准技术规范小组的观点：为保证PMD导

20、致的系统功率代价在1dB以下，偏振模色散的群时延差的平均值必须小于一比特周期的十分之一(10psfora10Gb/ssystem)。当大于这一规定值时，需对系统偏振模色散进行补偿！比特率(Gb/s)允许的DGD平均值(ps)MeanDGD系数为0.1ps/km光纤的传输距离（km)2.540160000101010000402.5625光纤总色散 光纤的总色散为：光纤的总色散为：M模式色散，m材料色散，W波导色散。单模光纤一般只给出色散系数D，其中包含了材料色散和波导色散的共同影响。三种光纤的总色散三种光纤的总色散:1300nm最优化光纤色散平坦光纤色散位移光纤Chapter 2 Dielec

21、tric Waveguides and Optical Fiberv2.1 Symmetric planar dielectric Slab waveguidev2.2 dispersion in the planar waveguide v2.3 Step index fiberv2.4 Numerical aperturev2.5 Dispersion in single mode fibersv2.6 Dispersion,electrical,and optical bandwidthv2.7 The graded index optical fiberv2.8 Light absor

22、ption and scatteringv2.9 Attenuation in optical fibersv2.10 Fiber manufacture Step Index FiberStep-index Fiber:Fiberthathasauniformindexofrefractionthroughoutthecorethatisastepbelowtheindexofrefractioninthecladding.Figure2.12Step Index FiberWerecallthattheplanarwaveguideisboundedonlyinonedimensionso

23、thatreflectionsoccuronlyinthey-direction.Therequirementofconstructiveinterferenceofwavesthenleadstotheexistenceofdistinctmodeseachlabeledbym.The cylindrical guide in Figure 2.12 is bounded in twodimensionsandthereflectionsoccurfromallthesurfaces,i.e.fromasurfaceencounteredalonganyradialdirectionr;al

24、ongaradialdirectionatanyangletothey-axisinFigure2.12.Sinceanyradialdirectioncanberepresentedintermsofxandy,reflectioninbothxandydirectionsareinvolvedinconstructiveinterferenceofwavesandwethereforeneedtwo integers,l and m,to label all the possible travelingwavesorguidedmodesthatcanexistintheguide.阶跃折

25、射率光纤阶跃折射率光纤让我们回忆一下,平面波导的截面只在一维受到限制，因此反射只发生在y方向。因此，相干加强的光波引起的不同的导模，用m表示。如图2.12所示的柱形波导，镜面在二维都受到限制，而反射发生在所有的表面，也就是说，沿着任何半径r的方向的任何光线相遇的表面；图2.12中所示的沿着半径r与y轴成任意角度的方向。由于任何半径方向能够用坐标x和y表示，在x和y方向上光波的反射同样要求相干加强的条件，因此我们需要两个整数l和m标记波导中存在所有可能的传输波或者导模。Step Index FiberIn a step index fiber both meridional and skew r

26、ays give rise to guided modes(propagating waves)along the fiber,each with a propagation constant along z.Guide modes resulting from meridional ray TE or TM type as in the case of the planar waveguide.Skew rays,on the other hand,give rise to modes that have both Ez and Bz(or Hz)components and are the

27、refore not TE or TM waves.They are called HE or EH modes as both electric and magnetic field can have components along z.They are called hybrid modes.It is apparent that guided modes in a step index fiber cannot be as easily described as those in the planar guide.阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤在阶越折射率光纤中，沿着光纤的方向子午光线和

28、斜光线引起导模，他们沿z方向的传输常数为。与平面波导的情况相同，子午光线的导模是TE或者TM波。另一方面，斜光线导致的模式具有Ez和Bz(Hz)的分量，因此不是TE或者TM波。他们称为HE或者EH模，因为沿着z具有电场和磁场的分量。他们被称为混合模式。在阶越折射率光纤中导模不象平面波导中描述的那样简单。Step Index FiberGuidedmodesinastepindexfiberwith1(called weakly guiding fibers)aregenerallyvisualizedbytravelingwavesthatarealmostplanepolarized.The

29、yhavetransverseelectricandmagneticfields(E and B are perpendicular to each other and also to z),analogous to field directions in a plane wave but the fieldmagnitudesarenotconstantintheplane.Theseswavesarecalledlinearly polarized(LP)andhavetransverseelectricandmagneticfield characteristics.A guided L

30、P mode along the fiber can berepresentedbythepropagationofanelectricfielddistributionE(r,)alongz.Thisfielddistribution,orpattern,isintheplanenormaltothefiberaxisandhencedependsonrandbutnotonz.Further,becauseofthepresenceoftwoboundaries,itischaracterizedbytwointegers,landm.Thepropagatingfielddistribu

31、tioninanLPmodeisthereforegivenbyElm(r,)andwerepresentthemodeasLPlm。Thus,anLPlmmodecanbedescribedbyatravelingwavealongzoftheform,阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤在nbnc.Considertwocloserays1and2launchedfromOatthesametimebutwithslightlydifferentlaunchingangles.Ray1justsufferstotalinternalreflection.Ray2becomesrefractedat

32、BandreflectedatB.(a)A ray in thinly stratified medium becomes refracted as it passes from one layer to the next upper layer with lower n and eventually its angle satisfies TIR.(b)In a medium where n decreases continuously the path of the ray bends continuously.n decreases step by step from one layer

33、 to next upper layer;very thin layers.TIR(a)nContinuous decrease n in gives a raypath changing continuously.TIR(b)Chapter 2 Dielectric Waveguides and Optical Fiberv2.1 Symmetric planar dielectric Slab waveguidev2.2 dispersion in the planar waveguide v2.3 Step index fiberv2.4 Numerical aperturev2.5 D

34、ispersion in single mode fibersv2.6 Dispersion,electrical,and optical bandwidthv2.7 The graded index optical fiberv2.8 Light absorption and scatteringv2.9 Attenuation in optical fibersv2.10 Fiber manufacture Optical Time Domain ReflectometerAn opto-electronic instrument used to characterize an optic

35、al fiber.Reyleigh scattering in optic fiberOptical Time Domain Reflectometer8mW(9dBm).Optical Time Domain ReflectometerChapter 2 Dielectric Waveguides and Optical Fiberv2.1 Symmetric planar dielectric Slab waveguidev2.2 dispersion in the planar waveguide v2.3 Step index fiberv2.4 Numerical aperturev

36、2.5 Dispersion in single mode fibersv2.6 Dispersion,electrical,and optical bandwidthv2.7 The graded index optical fiberv2.8 Light absorption and scatteringv2.9 Attenuation in optical fibersv2.10 Fiber manufacture Si-O9mGe-O11mH-O2.7mChapter 2 Dielectric Waveguides and Optical Fiberv2.1 Symmetric pla

37、nar dielectric Slab waveguidev2.2 dispersion in the planar waveguide v2.3 Step index fiberv2.4 Numerical aperturev2.5 Dispersion in single mode fibersv2.6 Dispersion,electrical,and optical bandwidthv2.7 The graded index optical fiberv2.8 Light absorption and scatteringv2.9 Attenuation in optical fib

38、ersv2.10 Fiber manufacture Vapors:SiCl4+GeCl4+O2Rotatemandrel(a)DepositedsootBurnerFuel:H2TargetrodDepositedGedopedSiO2(b)FurnacePoroussootpreformwithholeClearsolidglasspreformDryinggases(c)FurnaceDrawnfiberPreformSchematicillustrationofOVDandthepreformpreparationforfiberdrawing.(a)Reactionofgasesin

39、theburnerflameproducesglasssootthatdepositsontotheoutsidesurfaceofthemandrel.(b)Themandrelisremovedandthehollowporoussootpreformisconsolidated;thesootparticlesaresintered,fused,togethertoformaclearglassrod.(c)Theconsolidatedglassrodisusedasapreforminfiberdrawing.Fiber Manufacture OVDFiber Manufactur

40、e OVDFiberManufactureMCVDPreformfeedFurnace2000ThicknessmonitoringgaugeTake-updrumPolymercoaterUltravioletlightorfurnaceforcuringCapstanFiber Manufacture Fiber DrawingQuestions and Problems2.8 A multimode fiber2.9 A single mode fiber2.10 A single mode fiber design2.12 Waveguide dispersion2.17 Optical fibers2.18 Microbending loss