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1、2024/7/272024/7/27 HUST 20121.1 引言1 1、什么是光纤光学？、什么是光纤光学？研讨光波在光纤中传播特性的科学。研讨光波在光纤中传播特性的科学。内容包括：根本原理、技术及其相关的器件内容包括：根本原理、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走漏，纵向实现长间隔传输。有辐射走漏，纵向实现长间隔传输。根本构造：纤芯、包层、套塑层根本构造：纤芯、包层、套塑层2024/7/272024/7/27 HUST 2012nTypical Dimension for Sil
2、ica Fibers:nSMF: 8 mm core, 125 mm claddingnMMF: 50, 62.5, 100 mm core, 125 mm claddingnIndex profile:nStep vs. Graded vs. multi-stepCladdingPrimary coating(e.g., soft plastic) CoreSiO2 Glass2024/7/272024/7/27 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：遭到约束的光波光波导三要素：“芯 / 包构造凸形折射率分布，n1n2低传输损耗2024/
3、7/272024/7/27 HUST 20123、光纤光学所涉及的根本问题 光纤方式的鼓励光的入射； 光纤中的方式分布光线传播轨迹； 方式的传播速度光线的延迟： 方式沿横截面的分布； 光信号的畸变； 传输损耗； 方式的偏振特性； 方式的耦合。a.实际研讨所涉及到的方面：2024/7/272024/7/27 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； 衔接、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。2024/7/272024/7/27 HUST 2012c.光纤器件所涉及到的方面：自聚焦透镜；
4、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。2024/7/272024/7/27 HUST 2012光纤光学的研讨方法几何光学方法：几何光学方法： 光纤芯径远大于光波波长0时, 可以近似以为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实际。优点：简单直观，适宜于分析芯径较粗的多模光纤。优点：简单直观，适宜于分析芯径较粗的多模光纤。缺陷：不能解释诸如方式分布、包层模、方式耦合以及光场分缺陷：不能解释诸如方式分布、包层模、方式耦合以及光场分布等景象，分析
5、单模光纤时结果存在很大的误差。布等景象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。 2024/7/272024/7/27 HUST 2012动摇光学方法：动摇光学方法： 是一种严厉的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发，经过求解电磁波所服从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。优点：具有实际上的严谨性，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。缺陷：分析过程较为复杂。2024/7/272024/7/27 HUST 2012光纤光学的研讨方法比较2024/7/272024/7/27 HUST 20121.2 光纤的分类按用途进展分类按纤芯的折射率分布进展分类按光纤中的传输方式进展分类2
6、024/7/272024/7/27 HUST 2012光纤按用途分类：通通讯誉光誉光纤 高速率高速率DWDM系系统、低速率的局域网、低速率的局域网 有源光有源光纤、高非、高非线性光性光纤、色散管理光、色散管理光纤、大有效面、大有效面积光光纤、光子晶体光、光子晶体光纤、多、多包包层光光纤 非通非通讯誉的光誉的光纤 传感光感光纤、传光光光光纤、传像光像光纤、特殊、特殊用途光用途光纤2024/7/272024/7/27 HUST 2012 Index-Guiding Fiber Index-Guiding FiberAcrylate-CoatingLow Index Silica-Air Cladd
7、ingHigh Index Silica Core2024/7/272024/7/27 HUST 2012 Bandgap Guiding Fiber Bandgap Guiding FiberAcrylate-CoatingBendgap Silica-Air CladdingLow Index Air Core2024/7/272024/7/27 HUST 2012Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap deviceCartoon picture of light guidance in BGFnlownhighBragg law(1st ord
8、er)Constructive interference Total reflection for centred around Judicious choice of nlow, nhigh and1915 Bandgap Guiding Fiber Bandgap Guiding Fiber2024/7/272024/7/27 HUST 2012forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF Bandgap
9、Guiding Fiber Bandgap Guiding Fiber2024/7/272024/7/27 HUST 2012forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF2024/7/272024/7/27 HUST 2012forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of
10、light guidance in BGF2024/7/272024/7/27 HUST 2012forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles forbidden rangeof angles Cartoon picture of light guidance in BGF2024/7/272024/7/27 HUST 2012Bragg conditions fulfilled Bragg conditions unfulfilledBragg conditions fulfilledThe structure of the claddi
11、ng and its scale dictate the “colour and spectral width of the guided light Output end of different HC-PCFs illuminated with white lightCartoon picture of light guidance in BGF2024/7/272024/7/27 HUST 2012光纤按纤芯折射率分布分类：a. 阶跃折射率分布光纤SIOFb. 渐变折射率分布光纤GIOF2024/7/272024/7/27 HUST 2012Basic Step-Index (SI) F
12、iberRefractiveIndex (n)Diameter (r)CladdingPrimary coating(e.g., soft plastic) Core1.4801.460SiO2 Glass140 m100 m2024/7/272024/7/27 HUST 2012 Standard Fiber Analogy Index Guiding Standard Fiber Analogy Index GuidingCoreRefractive indexEffectiveCladdingFundamental modeHigher-order mode2024/7/272024/7
13、/27 HUST 2012Gradient-Index (GI) Fiber1.4751.460nr2024/7/272024/7/27 HUST 2012什么是光纤的方式？什么是光纤的方式？光场在光纤横截面上的分布。横模光场在光纤横截面上的分布。横模光纤传输方式分类：单模光纤：只允许一个方式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的方式传播。传输的方式总数：2024/7/272024/7/27 HUST 2012Single-Mode Fiber (SMF)Step-Index type with very small coreMost common design: 9/125 m or
14、10/125 m, NA 0.1Bitrate x Distance product: up to 1000 Gb/s km(limited by CD and PMD - see next slides)nr1.4651.4602024/7/272024/7/27 HUST 2012光纤的设计与制造2024/7/272024/7/27 HUST 20121、光纤的设计如何改善光纤的传输特性：减少如何改善光纤的传输特性：减少OH- OH- ，降低损耗；，降低损耗； 改动芯经和构造参数，色散位移；改动芯经和构造参数，色散位移； 改动折射率分布，降低非线性。改动折射率分布，降低非线性。石英为根本资
15、料：纤芯掺入GeO2和P2O5 n 添加 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思索：损耗、色散、色散斜率、有效面积、宏弯特性、PMD等2024/7/272024/7/27 HUST 20122、光纤的制造1、制、制备预制棒制棒方法：改良的化学汽相堆方法：改良的化学汽相堆积法法Modified chemical-vapor deposition(MCVD) 轴外汽相堆外汽相堆积法法 Outside-vapor deposition(OVD) 轴向汽相堆向汽相堆积法法Vapor-axial deposition(VAD) 等离子体化学汽相堆等离
16、子体化学汽相堆积法法Plasma chemical-vapor deposition(PCVD)2024/7/272024/7/27 HUST 2012改良的化学汽相堆积法改良的化学汽相堆积法 (MCVD) (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 玻璃粉层堆积玻璃粉层堆积 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，纤芯由汽相堆积资料构成，包层由原始的石英管构成烧结后，纤芯由汽相堆积资料构成，包层由原始的石英管构成反响物质金属卤化物蒸汽+氧气粉尘状生成物排气口SiO2饵管 烧结后的玻璃粉层堆积物来回挪动的喷灯H-O20
17、24/7/272024/7/27 HUST 2012MCVD光纤预制棒设备 2024/7/272024/7/27 HUST 2012等离子体活性化学汽相堆积法 (PCVD)熔融石英管SiCl4 + O2 + 参杂物质反响物质排气口低压任务的等离子体玻璃层快速来回挪动的微波谐振腔 (2.45 GHz，8米/分钟)10001200度飞利浦提出1978年运用于量产直接玻璃堆积不需高温烧结反响管不易变形可快速挪动，堆积厚度减少，有利于控制折射率分布PCVDPCVD方法可以更方法可以更方法可以更方法可以更为为准确地准确地准确地准确地控制光控制光控制光控制光纤纤的折射率分布。而的折射率分布。而的折射率分布
18、。而的折射率分布。而且堆且堆且堆且堆积积效率高效率高效率高效率高, , 堆堆堆堆积积速度快速度快速度快速度快, , 有利于消除有利于消除有利于消除有利于消除SiO2 SiO2 层层堆堆堆堆积过积过程程程程中的微中的微中的微中的微观观不均匀性不均匀性不均匀性不均匀性, , 从而大从而大从而大从而大大降低光大降低光大降低光大降低光纤纤中散射呵斥的本中散射呵斥的本中散射呵斥的本中散射呵斥的本征征征征损损耗耗耗耗, , 适宜制适宜制适宜制适宜制备备复复复复杂杂折射折射折射折射率剖面的光率剖面的光率剖面的光率剖面的光纤纤。2024/7/272024/7/27 HUST 2012汽相氧化法：外部汽相氧化法
19、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堆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2024/7/272024/7/27 HUST 2012汽相轴向堆积法汽相轴向堆积法 (VAD) (VAD)推进机 马达马达保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响室 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. 预制棒可以恣意长预制棒可以恣意长3. 堆积室和熔融室严密堆积室和熔
20、融室严密 相连，可以保证制造相连，可以保证制造 环境清洁环境清洁4. 没有运用氢氧焰，单没有运用氢氧焰，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2024/7/272024/7/27 HUST 20122024/7/272024/7/27 HUST 20122、 拉丝拉丝Heat (2000C-2200C) (melting)Coating Coil2024/7/272024/7/27 HUST 2012 Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) System Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) System2024/7/272024/7/27 HUST 2012光纤拉丝2024/7/272024/7/27 HUST 20123、涂覆、涂覆提供机械维护，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2024/7/272024/7/27 HUST 2012
