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1、2023/9/17,1.1 引言,1、什么是光纤光学？,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,2、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,2023/9/17,Typical Dimension for Silica Fibers:SMF:8 mm core,125 mm claddingMMF:50,62.5,100 mm core,125 mm claddingIndex profile:Step vs.Graded vs.multi-step,2023/9/17,纤芯与包层
2、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,2023/9/17,3、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.理论研究所涉及到的方面：,2023/9/17,b.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）。,2023/9/17,c.
3、光纤器件所涉及到的方面：,自聚焦透镜；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。,2023/9/17,光纤光学的研究方法,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：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。缺点：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。,2023/9/17,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，
4、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。,2023/9/17,光纤光学的研究方法比较,2023/9/17,1.2 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,2023/9/17,光纤按用途分类：,通信用光纤 高速率DWDM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、大有效面积光纤、光子晶体光纤、多包层光纤 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,2023/9/17,Index-Guiding Fi
5、ber,Acrylate-Coating,Low Index Silica-Air Cladding,High Index Silica Core,2023/9/17,Bandgap Guiding Fiber,Acrylate-Coating,Bendgap Silica-Air Cladding,Low Index Air Core,2023/9/17,Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap device,Cartoon picture of light guidance in BGF,nlow,nhigh,Bragg law(1st order
6、),Constructive interference Total reflection for centred around,Judicious choice of nlow,nhigh and,1915,Bandgap Guiding Fiber,2023/9/17,Cartoon picture of light guidance in BGF,Bandgap Guiding Fiber,2023/9/17,forbidden rangeof angles,Cartoon picture of light guidance in BGF,2023/9/17,forbidden range
7、of angles,Cartoon picture of light guidance in BGF,2023/9/17,forbidden rangeof angles,Cartoon picture of light guidance in BGF,2023/9/17,Bragg conditions fulfilled,Bragg conditions fulfilled,Cartoon picture of light guidance in BGF,2023/9/17,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）,2023/9/1
8、7,Basic Step-Index(SI)Fiber,2023/9/17,Standard Fiber Analogy Index Guiding,2023/9/17,Gradient-Index(GI)Fiber,1.475,1.460,n,r,2023/9/17,什么是光纤的模式？,光场在光纤横截面上的分布。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：,2023/9/17,Single-Mode Fiber(SMF),Step-Index type with very small coreMost commo
9、n design:9/125 m or 10/125 m,NA 0.1Bitrate x Distance product:up to 1000 Gb/s km(limited by CD and PMD-see next slides),n,r,1.465,1.460,2023/9/17,光纤的设计与制作,2023/9/17,1、光纤的设计,如何改善光纤的传输特性：减少OH-，降低损耗；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。,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,
10、并综合考虑：损耗、色散、色散斜率、有效面积、宏弯特性、PMD等,2023/9/17,2、光纤的制作,1、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),2023/9/17,改进的化学汽相沉积法(MCVD),贝尔实验室设计，可用于制造低损耗梯度折射率光纤,玻璃粉层沉积初步烧结加强热成实心棒烧
11、结后，纤芯由汽相沉积材料构成，包层由原始的石英管构成,2023/9/17,MCVD光纤预制棒设备,2023/9/17,等离子体活性化学汽相沉积法(PCVD),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,PCVD方法可以更为准确地控制光纤的折射率分布。而且沉积效率高,沉积速度快,有利于消除SiO2 层沉积过程中的微观不均匀性,从而大大降低光纤中散射造成的本征损耗,适合制备复杂折射率剖面的光纤。,2023/9/17,汽相氧化法：外部汽相氧化法(OVPO),1970年 康宁 第一根损耗小于20 dB/km的光纤,2023/9
12、/17,汽相轴向沉积法(VAD),优点：1.预制棒不再具有空洞2.预制棒可以任意长3.沉积室和熔融室紧密 相连，可以保证制作 环境清洁4.没有使用氢氧焰，单 模光纤所含的OH-较 低，因此损耗较低在 0.20.4 dB/km,1977年日本开发,2023/9/17,2023/9/17,2、拉丝,2023/9/17,Modified Chemical Vapor Deposition(MCVD)System,2023/9/17,光纤拉丝,2023/9/17,3、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）,成缆方式：层绞式、骨架式、中心管式、带状光缆,2023/9/17,
