《光纤光子学-深圳大学期末复习精ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤光子学-深圳大学期末复习精ppt课件（171页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、01 光纤,光电工程学院 闫培光,1.1.1光纤的结构,光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)表面涂层 纤芯材料主要成分为掺杂的SiO2，极少量的掺杂剂如GeO2等，以提高纤芯的折射率。 包层里可能会掺氟，能降低折射率。,特点和导光原理：ncorenclad光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,纤芯的作用约束光的传输。,包层的作用形成光波导效应。,涂敷层的作用保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤，同时增加光纤的柔韧性。,改变折射率的方法,按折射率分布分类： 突变型光纤 渐变型光纤 按传输模式数目分类： 单模光纤 多模光纤 按传输光的偏振态： 非保偏光纤、保
2、偏光纤、双折射光纤 制造光纤的材料分： 高纯度熔石英光纤、多组分玻璃纤维、塑料光纤、红外光纤、液芯光纤、晶体光纤（纤芯为单晶）等。,保偏光纤激光器、高灵敏度光纤陀螺,1.1.2光纤的类型,.,1.1.3单模光纤-纤芯小、色散小,只能传播一个模式的光纤称为单模光纤 标准单模(SM, Single Mode)光纤折射率分布和阶跃型光纤相似，只是纤芯直径比多模光纤小得多，模场直径只有（910）m 光线沿轴线直线传播, 色散使输出脉冲信号展宽最小。,.,为调整工作波长或色散特性，改变折射率分布，可以设计出各种结构复杂的光纤。已经开发的有： 多模光纤(G.651)，普通单模光纤(G.652)， 色散移位
3、光纤(G.653)，非零色散移位光纤（G.655）， 在1.55m衰减最小的光纤（G.654），色散补偿光纤， 全波光纤（G.656）， 接入网用光纤(G.657),单模光纤种类,.,多模光纤,可以传播数百到上千个模式的光纤，称为多模(MM, Multimode)光纤。 根据折射率在纤芯和包层的径向分布情况，又可分为阶跃多模光纤和渐变多模光纤。,.,子午光线和螺旋光线,当考虑螺旋光线时，则模间色散会更加严重,怎样去设计光纤呢？,.,渐变多模光纤-色散较小,渐变(GI, Graded Index)多模光纤折射率 n1不像阶跃多模光纤是个常数，而是在纤芯中心最大，沿径向往外按抛物线形状逐渐变小，直
4、到包层变为 n2。 这样的折射率分布可使模间色散降低到最小。 色散较小的理由：虽然各模光线以不同的路经在纤芯内传输，但是这种光纤的纤芯折射率不再是一个常数，所以各模的传输速度也互不相同。沿光纤轴线传输的光线速度最慢，因折射率最大；越远离轴线，到达终点传输的距离越长，但传输速度越快，这样到达终点所需的时间几乎相同，输出脉冲展宽不大。,.,光纤类型之：渐变折射率光纤的光线传输行为,GIF的设计能够优化模间色散，但不能消除 根据GIF原理可以用来做光束的准直和自聚焦，GL,梯度折射率透镜是光通讯无源器件中必不可少的基础元器件。应用于要求聚焦和准直功能的各种场合，光耦合器、准直器、光隔离器、光开关、激
5、光器等方面,光纤的制造,.,PCF制作方法stack-draw,Extrusion technique,MCVD法，改进的化学气相沉积法 PCVD法，等离子体化学气相沉积法 OVD 法，外化学气相沉积法 VAD法，气相轴向沉积法 拉丝演示,预制棒制作和拉丝演示,.,1.2 光纤的传输原理全内反射,阶跃光纤利用全反射将光限制在纤芯内传输，由snell定律知道：,只有当c的光才能传输对应入射角大于max,.,定义数值孔径NA（numerical aperture）表示对入射光线的最大接受角度，NA只取决于光纤折射率，与几何尺寸无关。 =(n1-n2)/n1称为相对折射率差,光纤的参数（1）：数值孔
6、径,.,光纤的参数（2）：归一化频率V,V与光纤的结构参数和光波长有关，V越大，能够传播的模式数就越多。,.,光纤的参数（3）：截至波长,V=2.405时所对应的波长，为截止波长。 截止波长为多模和单模的分界点。,.,阶跃折射率光纤的（只传输HE11 模）单模条件是：V2.405,.,光纤的参数（4）：模场直径,.,倏逝波古斯汉森相移,.,古斯汉森相移光学隧道效应,.,光纤的参数（5）：非线性系数,用于评估光纤非线性效应的强度,.,.,光纤的参数（6）：色散系数,材料色散可用Selleier方程表示，石英的Selleier方程：,对石英有：A1=0.6961663,A2=0.4079426,A
7、3=0.8974794, 10.0684043m, 20.1162414m, 39.896161m,模式有效折射率,.,应指出的是：此处波长是以微米为单位，如题目中是纳米则需首先转换成微米。,clear,clc syms lambda0 b1=0.6961663;b2=0.4079426;b3=0.8774794; b4=0.0684043;b5=0.1162414;b6=9.896161; n=sqrt(1+b1*lambda02/(lambda02-b42)+b2*lambda02/(lambda02-b52)+b3*lambda02/(lambda02-b62); lambda=0.6:
8、0.01:1.6; n=subs(n,lambda0,lambda); plot(lambda,n),.,D0，反常色散区！反之为正常色散区！,.,.,单模光纤的种类,G. 651 标准多模光纤 G. 652 标准单模光纤 G. 653 色散移位光纤 G. 654 衰减最小光纤 G. 655 非零色散光纤 G. 656 宽带全波光纤 G. 657 接入网用光纤 色散补偿光纤,.,介绍与本节课有关联的工作来自浙大,减小模场面积纳米线,.,29,NEXT-GENERATION FIBERS: Optical fibers go nano,With large evanescent fields a
9、nd high optical nonlinearity, nanofibers drawn from optical fiber are well suited for optical sensors and other devices. Their standard-size fiber ends allow for easy coupling of light in and out.,.,.,.,.,.,.,.,光纤的特性,光纤模式特性 光纤的双折射特性 光纤衰减特性和激光 光纤色散特性 光纤非线性特性,.,光纤的模式：浅析（1）,在光纤内传输的场分布（是局限空间中场存在状态） 这种场分
10、布在传播过程中只有相位变化而没有形状的变化，且始终满足边界条件。 电磁场不是以连续的、而是以离散的模式在光纤中传播。,.,m = 0基模沿波导 y 方向的电场分布，通常入射角 = 90o，沿 z 轴的传输速度最大。 三种模式的波沿波导y方向的电场分布，m越大光场进入包层越深，消逝波以指数衰减 。从下图可见m值决定在y方向上出现的0值个数。如果对光纤则指纤芯内沿径向出现0值个数,此处，请同学们对比驻波概念进行思考,.,基模电力线和磁力线在光纤中的分布,.,光纤的模式：基模和高阶模（1）,模式的等效折射率neff,.,从图可见，随着V的增大，b可取值数目增加，即光纤中模式数目增加。,最先激发的是H
11、E11，其次是HE21、TM01、TE01，再其次?,.,基模的两个兼并偏振态,.,二阶模式,.,径向偏振,.,偏振转换器,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,出现双折射现象的原因： 实际光纤的纤芯形状不完善 不是理想的圆柱形。 应力不均匀也使光纤的圆柱对称性受到破坏。,双折射带来的不利影响！ 如果纤芯是理想圆柱形，这两个正交的模式将以相同的速度传播，并同时到达输出端。 如果圆柱对称性出现了改变，这两个模式就会以不同的速度传播，导致脉冲展宽。 偏振的不确定性对相干通信系统对信号的检测、接收将产生不良影响。,光纤的双折射特性（1）,.,双折射特性（2）,双折射程度的定义：两个偏振模的模折射率
12、的差,双折射效应将导致两个偏振分量间功率的周期交换，该周期为拍长。 把两个正交偏振模的相位差达到2的光纤长度定义为拍长LB：,从物理角度讲：线偏振光只有当它沿一个主轴偏振时才能保持线偏振，否则其偏振状态将沿光纤长度方向周期性的从线偏到椭圆偏，然后再到线偏这样的变化,.,解决双折射问题的方法,减小单模光纤的不完善性。 采用保偏光纤（线偏振光沿一个主轴偏振） 人为引入较高的固定双折射，压低小的双折射随机波动的影响。 典型保偏光纤，B104。,.,偏振保持光纤,某些系统，如相干光系统和某些滤波器是偏振敏感的，需要具有确定的偏振光才能工作 保偏光纤具有不对称的纤芯结构或应力分布，本身具有很高的双折射系
13、数；因而具有确定的快慢轴，沿快慢轴入射的光可以保持其偏振方向。,快轴折射率小于慢轴折射率nFns,.,.,.,.,.,对长度为L的光纤，两个模式的时延差为,.,拍长怎么测量？,.,光纤的衰减特性和激光应用,.,石英光纤通光窗口,全波光纤的制作？,.,英藉华人高锟（K.C.Kao)博士 “光纤之父”，2009诺贝尔物理奖获得者,“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”,.,68,弯曲损耗对模式的控制，能够利用泄漏效应减少高阶模数目，提高光纤的光束质量M2。,.,ZBLAN光纤通光窗口,.,.,.,稀土掺杂ZBLAN光纤激光器的发射波长和当时输出功率,.,.,.,.,.,.,.,.,
14、.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,硫系玻璃光纤,.,.,.,.,.,.,能否把SC扩展到16um甚至是20um？是当前的一个挑战。,.,.,.,.,光子晶体光纤 Photonic Crystal Fiber,.,PCF 的导光原理,1. 基于全内反射原理 “实芯”,2. 基于光子带隙原理 “空芯” neff 1 “实芯” 全固带隙,.,PCF为何能引起大家广泛的兴趣？,数值孔径大耦合效率高. 无尽单模. 弯曲损耗小. 高双折射高保偏光纤. 小纤芯（实芯）高非线性. 空气芯中传光低色散，低非线性. 空气芯中填充气体或液体传感器等. 色散可调. ,.,Photonic crystal f
15、ibres (PCFs),包层周期性排列的空气孔结构,.,PCF的拉制过程,1. 制作预制棒,2. 拉丝it,源自：P. Russell et al. Science 299 (2003), 358 J Knight et al. Opt. Lett. 21 (1996), 1547,.,106,.,2.2 光子晶体光纤PCF超连续谱光源,包层内含有周期性排列的空气孔结构。 特点：可调控色散、非线性，并具有高光束质量。 因此是产生超连续谱的优良材料。,.,PCF超连续谱光源： 光学物理领域内最引人瞩目的新型光源技术 （美国纽约城市大学P.R.Alfano教授评语）,超连续谱是指一束高强度的激光
16、经过非线性介质后，出射的光谱中产生许多新的频率成分使其光谱宽度远远大于入射激光的宽度,.,PCF超连续谱光源（2）,光子晶体光纤（PCF）是产生超连续谱的优良材料，它通过包层内沿轴向的空气线阵列将光的能量限制在纤芯内传输。,图片源自：www.crystal-,这类光纤可以“灵活调控”光纤的色散特性和非线性系数，适合产生超连续谱；下图为我们计算的光纤结构变化时色散系数、非线性系数、模场直径的变化,.,PCF超连续谱光源（3）产生机理和优点,PCF超连续谱的产生涉及多种非线性光学效应：调制不稳定性、自相位调制、拉曼频移效应、高阶孤子分裂效应等； 超连续谱光源具有超宽带、超平坦、超亮度等优势，它既具有像白炽灯一样的谱宽，又可以同时具有像激光器一样的高亮度，它相当于一个超宽带激光器。这是一项正在快速发展的高新技术。,图片源自：深圳市激光工程重点实验室,图片源自：深圳市激光工程重点实验室,时域图，时间为横坐标，光纤长度为纵坐标,频谱图，波长为横坐标，光纤长度为纵坐
