光波在光纤波导中的传播课件

2024/6/161一、一、光纤波导的结构及弱导性光纤波导的结构及弱导性光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，它由纤芯、包层和护套三部分组成。当满足一定的它由纤芯、包层和护套三部分组成。当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。护套包层纤芯2a2.5光波在光纤波导中的传播光波在光纤波导中的传播2023/8/91一、光纤波导的结构及弱导性2024/6/1621、光纤的分类、光纤的分类按折射率分布的方式分类：按折射率分布的方式分类：阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。按传输的模式数量分类：按传输的模式数量分类：单模光纤和多模光纤。单模光纤和多模光纤。按传输的偏振态分：按传输的偏振态分：单模光纤又可进一步分保偏光纤非保偏光纤。单模光纤又可进一步分保偏光纤非保偏光纤。2023/8/921、光纤的分类按折射率分布的方式分类：按2024/6/163按制造光纤的材料分，有：按制造光纤的材料分，有：高纯度熔石英光纤高纯度熔石英光纤其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dBkm，一般均小于，一般均小于ldBkm；多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维其特点是芯-皮折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为:1dBm2023/8/93按制造光纤的材料分，有：2024/6/164塑料光纤塑料光纤其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；红外光纤红外光纤其特点是可透过近红外（15m）或中红外（10m）的光波；液芯光纤液芯光纤特点是纤芯为液体，可满足特殊需要；晶体光纤晶体光纤纤芯为晶体，可用于制造各种有源和无源器件。2023/8/94塑料光纤2024/6/1652023/8/952024/6/166波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义 为纤芯和包层间的相对折射率差为纤芯和包层间的相对折射率差2、光纤的特性、光纤的特性此即为光纤波导的弱导条件。此即为光纤波导的弱导条件。通信光纤通信光纤，上式简化为，上式简化为2023/8/96波导的性质由纤芯和包层的折射率分布2024/6/167光光纤纤的的弱弱导导特特性性是是光光纤纤与与微微波波圆圆波波导导之之间间的的重重要要差差别别之之一一。弱弱导导的的基基本本含含义义是是指指很很小小的的折折射射率率差差就就能能构构成成良良好好的的光光纤波导结构，纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便而且为制造提供了很大的方便。一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为上式中上式中a为纤芯的半径，为纤芯的半径，n1为光纤轴线上的折射率，为光纤轴线上的折射率，n2为包为包层折射率，层折射率，为一常数。为一常数。2023/8/97光纤的弱导特性是光纤与微波圆2024/6/168阶跃阶跃剖面剖面n(r)a n2n1 r纤芯阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤 a n2 n1 r纤芯渐变渐变剖面剖面n(r)梯度折射率光纤梯度折射率光纤2023/8/98阶跃剖面n(r)a2024/6/169综合光纤纤芯半径、相对折射率差和工作波长，光纤的结综合光纤纤芯半径、相对折射率差和工作波长，光纤的结构参量用光纤归一化频率构参量用光纤归一化频率V表示：表示：式中，式中，为光波在自由空间的波数。将（为光波在自由空间的波数。将（2-86）式代入上式式代入上式2023/8/99综合光纤纤芯半径、相对折射率差和工作波长，2024/6/1610二、光束在光纤波导中的传播特性二、光束在光纤波导中的传播特性射线理论的基础是光线方程射线理论的基础是光线方程：空空间间光光线线上上某某点点的的位位置置矢矢量量，s：该该点点到到光光线线到到原原点点的的路路径径长长度度，：折折射射率率的的空空间间分分布布。应应用用上上式式，结结合合初初始始条条件件，原则上就可确定任意已知折射率原则上就可确定任意已知折射率分布介质光线的轨迹。分布介质光线的轨迹。2023/8/910二、光束在光纤波导中的传播特性射线2024/6/16111、阶跃光纤中光束的传播阶跃光纤中光束的传播均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。反射。光纤可视为圆柱波导，在圆柱波导中，光线的轨迹光纤可视为圆柱波导，在圆柱波导中，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内，如图可以在通过光纤轴线的主截面内，如图2(a)所示，也可以不所示，也可以不在通过光纤轴线的主截面内，如图在通过光纤轴线的主截面内，如图2(b)所示。所示。要完整的确定要完整的确定一条光线，必须用两个参量，即光线在界面的入射角一条光线，必须用两个参量，即光线在界面的入射角 1 和和光线与光纤轴线的夹角光线与光纤轴线的夹角 1。2023/8/9111、阶跃光纤中光束的传播均匀介质2024/6/1612Prn2n1QQn2n1P(a)rt PQ Prn2n1Q(b)图图2阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径(a)子午光线的锯齿路子午光线的锯齿路径；径；(b)偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。2023/8/912Prn2n1QQn2n1P(a)rt2024/6/1613（1）子午光线）子午光线当入射光线通过光纤轴线当入射光线通过光纤轴线，且入射角，且入射角 1大于界面临大于界面临界角界角时，光线将在柱体界面上不断发生全时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。线的平面称为子午面。A2023/8/913（1）子午光线当入射2024/6/1614设光线从折射率为设光线从折射率为n0的介质通过波导端面中心点入的介质通过波导端面中心点入射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定律，射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定律，当产生全反射时，要求当产生全反射时，要求，因此有，因此有2023/8/914设光线从折射率为n0的介2024/6/1615一般情况下，一般情况下，n0=1（空气），则子午光线对应的最大入射角（空气），则子午光线对应的最大入射角称为光纤的数值孔径称为光纤的数值孔径它代表光纤的集光本领。它代表光纤的集光本领。光纤的数值孔径光纤的数值孔径为：为：2023/8/915一般情况下，n0=1（空气），2024/6/1616（2）、斜射光线）、斜射光线当当入入射射光光线线不不通通过过光光纤纤轴轴线线时时，传传导导光光线线将将不不在在一一个个平平面面内，这种光线称为斜射光线。内，这种光线称为斜射光线。如果将其投影到端截面上，就会更清楚地看到传导光线将如果将其投影到端截面上，就会更清楚地看到传导光线将完全限制在两个共轴圆柱面之间，其中之一是纤芯完全限制在两个共轴圆柱面之间，其中之一是纤芯-包层边界，包层边界，另一个在纤芯中，其位置由角度另一个在纤芯中，其位置由角度 1和和 1决定，称为决定，称为散焦面散焦面。2023/8/916（2）、斜射光线当入射光线2024/6/1617显然，随着入射角显然，随着入射角 1的增大，内散焦面向外扩大并趋近为边界面。在极限的增大，内散焦面向外扩大并趋近为边界面。在极限情况下，光纤端面的光线入射面与圆柱面相切（情况下，光纤端面的光线入射面与圆柱面相切（1=90），在光纤内传导的），在光纤内传导的光线演变为一条与圆柱表面相切的螺线，光线演变为一条与圆柱表面相切的螺线，两个散焦面重合两个散焦面重合。0为端面入射角，为端面入射角，1为折射角，为折射角，为折射光线与端面的夹角。为折射光线与端面的夹角。O 0 1APQ 1OCBO(a)0O(b)图图3阶跃光纤中的斜射光线阶跃光纤中的斜射光线B2023/8/917显然，随着入射角1的增大2024/6/1618当满足全反射条件时，得到波导内允许的最大轴线最大轴线角角为当（空气）时，最大入射角为式中式中是传导子午光线的最大入射角。是传导子午光线的最大入射角。为入射面与子午的夹角。为入射面与子午的夹角。2023/8/918当满足全反射条件2024/6/16192023/8/9192024/6/1620由上述讨论可知，在圆柱界面上一点由上述讨论可知，在圆柱界面上一点A处所有可能的入射光处所有可能的入射光线可分为三部分：线可分为三部分：A.非导引光线（折射光线，折射角小于临界角）：不满足非导引光线（折射光线，折射角小于临界角）：不满足全反射，部分光线折射到包层中去。全反射，部分光线折射到包层中去。B.导引光线（折射角大于临界角）：光线将限制在纤芯中导引光线（折射角大于临界角）：光线将限制在纤芯中传播传播。C.泄漏光线（隧道光线）：光线虽然满足折射角大于临界泄漏光线（隧道光线）：光线虽然满足折射角大于临界角，但弯曲面上并不发生全反射。角，但弯曲面上并不发生全反射。2023/8/920由上述讨论可知，在圆柱界面上一点A处所有2024/6/1621（3）、不同光程引发的光脉冲的弥散）、不同光程引发的光脉冲的弥散阶跃光纤中与光纤轴成不同夹角的导引光线，在轴向经过同阶跃光纤中与光纤轴成不同夹角的导引光线，在轴向经过同样距离时，各自走过的光程是不同的。因此，若有一个光脉冲样距离时，各自走过的光程是不同的。因此，若有一个光脉冲（含有多种频率的光波含有多种频率的光波）在入射端激发起各种不同角度的导引）在入射端激发起各种不同角度的导引光线（光线（色散：折射率是频率的函数色散：折射率是频率的函数），那么由于每根光线经过），那么由于每根光线经过的光程不同，就会先后到达终端，从而引起光脉冲宽度的加宽，的光程不同，就会先后到达终端，从而引起光脉冲宽度的加宽，称为光脉冲的弥散。称为光脉冲的弥散。2023/8/921（3）、不同光程引发的光脉冲的弥散2024/6/1622光线经过轴向距离光线经过轴向距离L所花的最长和最短时间差为所花的最长和最短时间差为可见，光脉冲弥散正比于可见，光脉冲弥散正比于，愈小，愈小，就愈小。就愈小。2023/8/922光线经过轴向距离L所花的最长和最短时间差2024/6/16232、渐变光纤中光束的传播渐变光纤中光束的传播只讨论平方率梯度光纤中光波的传播特性。只讨论平方率梯度光纤中光波的传播特性。平方律折射率分布光纤的平方律折射率分布光纤的n(r)可表示为可表示为2023/8/9232、渐变光纤中光束的传播只讨论平方率梯2024/6/1624PQrn(r)znrtPQrn(r)nrt2PQrt(a)rt1rt2(b)r(r)(c)图图4渐变折射率分布光纤纤芯内光线的路径及其在纤渐变折射率分布光纤纤芯内光线的路径及其在纤芯横截面上的投影芯横截面上的投影(a)子午光线路径；子午光线路径；(b)斜射光线路斜射光线路径；径；(c)投影和切向间的夹角投影和切向间的夹角 (r)2023/8/924PQrn(r)znrtPQrn(r)n2024/6/1625（1）平方律梯度光纤中的光线轨迹）平方律梯度光纤中的光线轨迹由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化式中式中r0、由光纤参量决定。由光纤参量决定。可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤，如可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤，如图图5所示。所示。等效焦距等效焦距：2023/8/925（1）平方律梯度光纤中的光线轨迹由光纤2024/6/1626fmin=1/n(0)1/n(0)=2/z(a)fA z/2 /2/3/(b)图图5自聚焦光纤的透镜特性自聚焦光纤的透镜特性(a)子午光线；子午光线；(b)f的周期变化的周期变化/42023/8/926fmin=1/n(0)1/n(0)2024/6/1627（2）平方律折射率分布光纤中光线）平方律折射率分布光纤中光线的群迟延和最大群迟延差的群迟延和最大群迟延差光线经过单位轴向长度所用的时间称为比群迟延即单位长光线经过单位轴向长度所用的时间称为比群迟延即单位长度的群迟延。在非均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。沿光线度的群迟延。在非均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。沿光线轨迹经过距离轨迹经过距离s所用的时间所用的时间 为为2023/8/927（2）平方律折射率分布光纤中光线2024/6/1628可可以以看看到到，平平方方律律分分布布光光纤纤中中的的群群迟迟延延只只有有阶阶梯梯折折射射率率分分布布光光纤的纤的/2（与（与2-103式比较）。式比较）。详细计算表明最大的群迟延差为详细计算表明最大的群迟延差为2023/8/928可以看到，平方律分布光纤中的群迟延只有阶2024/6/1629三、光束在光纤波导中的衰减和色散特性三、光束在光纤波导中的衰减和色散特性1、光纤的衰减、光纤的衰减若若Pi、Po分别为光纤的输入、输出光功率，分别为光纤的输入、输出光功率，L是光纤长度。是光纤长度。衰减系数衰减系数 定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即2023/8/929三、光束在光纤波导中的衰减和色散特2024/6/1630光纤衰减有下列两种主要来源：吸收损耗和散射损耗。光纤衰减有下列两种主要来源：吸收损耗和散射损耗。（1）、吸收损耗）、吸收损耗材料吸收损耗是一种固有损耗，不可避免。我们只能选择固有材料吸收损耗是一种固有损耗，不可避免。我们只能选择固有损耗较小的材料来做光纤。石英在红外波段内吸收较小，是优损耗较小的材料来做光纤。石英在红外波段内吸收较小，是优良的光纤材料。良的光纤材料。有害的杂质吸收主要是由于光纤材料中含有有害的杂质吸收主要是由于光纤材料中含有Fe，Co，Ni，Mn，Cu，V，Pt，OH等离子。等离子。2023/8/930光纤衰减有下列两种主要来源：吸收损耗和散2024/6/1631（2）、散射损耗）、散射损耗由于光纤制作工艺上的不完善，例如有微气泡或折射率由于光纤制作工艺上的不完善，例如有微气泡或折射率不均匀以及有内应力，光能在这些地方会发生散射，使光纤不均匀以及有内应力，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大损耗增大。另一种散射损耗的根源是所谓瑞利散射。另一种散射损耗的根源是所谓瑞利散射。光纤中尚存在所谓布里渊和拉曼散射损耗。光纤中尚存在所谓布里渊和拉曼散射损耗。2023/8/931（2）、散射损耗由于光纤制作2.光纤的色散光纤的色散1).色散的概述色散的概述2).色散的分类色散的分类2.光纤的色散1).色散的概述2).色散的分类色散和损耗一样都是影响光信号在光纤中传输的主要因素。损耗主要导致光信号幅度的衰减，是早期限制无中继传输距离的主要因素。随着光纤制备技术的进步，特别是近年来掺饵光纤放大器的实用化有效的补偿光功率的损耗，使损耗已经不再是一个主要的限制因素了，所以光纤的色散特性已经成为光纤最重要的特性指标。色散主要特点是导致光纤中传输的光脉冲展宽，引起信号的畸变。1).光纤色散的概述色散和损耗一样都是影响光信号在光纤中传输的主要因素。色散的定义：光纤的色散是在光纤中传输的光信号，随传输距离增加，由于不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。色散的大小常用时延差表示，时延差是光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时间差。色散的定义：2).光纤色散的分类首先，不同频率或波长的光显然是以不同速进行传播的。其次，多模光纤中，不同的传播模式具有不同的相位常数，因而也具有不同的相速度和群速度。根据上述不同机理引起的色散效应，可以把光波在光纤中传输的色散现象分成波长色散、模式色散两大类。2).光纤色散的分类首先，不同频率或波长的光显然是以不(1)、波长色散光纤中传输的光信号是用需要传输的信号去调制光源所发出的连续光波产生的，因而这种光信号是由多种频率成分的光波构成的。光信号的频谱宽度决定于光源的线宽和调制信号的频谱。在大多数情况下，光纤通信系统主要采用光源为LED和LD，此时光信号的谱宽主要取决于光源的线宽。但对于高速率的传输系统，一般采用DFB激光器作为光源，这时信号谱宽几乎完全决定了光信号的谱宽。(1)、波长色散光纤中传输的光信号是用需要传输的信号去光信号在光纤中以群速度传播，群速度定义为光载波的角频率对相位常数的微分，即于是可以得到光信号在光纤中传播单位距离的时间，即群时延，为(1)(2)光信号在光纤中以群速度传播，群速度定义为光载波的角频率对在自由空间中，光的速度c是个物理常数，相位常数为，同时注意到，则又可群时延写成波长的关系式可以看到，一般情况下，群时延都是波长的函数，除非相位常数正好是波长的线性关系。正因为这种函数关系，所以光信号中不同频率的成分以不同的速度传播。在输入端，这些不同频率的成分同时出发，将在不同时刻到达终端，引起信号畸变。对于数字信号，将导致光脉冲的展宽，展宽的程度用时延差来表示。(3)在自由空间中，光的速度c是个物理常数，相位常数为所谓时延差，是指光信号中传播速度最慢的频率成分的传输时延与传播速度最快的频率成分的传输时延之差，记。可表示为由此可以看到，光信号非单色波引起的群时延与光信号的谱宽成正比。这种与光信号谱宽成比例的色散效应是波长色散，或叫色度色散。根据波长色散产生的机理，又可以将波长色散区分为材料色散、波导色散和折射率剖面色散。(4)所谓时延差，是指光信号中传播速度最慢的频率成分的传输时延a)、材料色散材料色散是由于构成光纤的纤芯和包层材料的折射率是频率的函数引起的。构成介质材料的分子、原子可看成是一个个谐振子，它们有一系列固有的谐振频率。但在外加高频电磁场作用下，这些谐振子都将作受迫振动。根据经典的电磁理论可以知道，这时介质的电极化率、相对介电常数或者折射率都是频率的函数，而且都是复数。由于折射率随外加电磁场频率而变化，所以介质呈色散特性，这就是材料色散。a)、材料色散材料色散是由于构成光纤的纤芯和包层材料的外加电磁场后，介质折射率可写为正常色散反常色散从图中可以看出，是谐振偶极子的一个谐振频率.在外加电磁场时，随着频率的升高，折射率的实部n上升，波的相速度随频率升高而下降，这种色散称为正常色散。此时，折射率虚部很小，介质对电磁能量的吸收很小。(5)外加电磁场后，介质折射率可写为正常色散反常色散从图中正常色散反常色散同样可以看出，在外加电磁场时，随着频率的升高，折射的实部n反而下降，这时波的相速度是随频率升高而升高的，这种色散称为反常色散。另外，在反常色散区，折射率的虚部很大，在时达到极大值，此处介质对电磁波有强烈吸收，称共振吸收。材料色散是伴随着损耗的。正常色散反常色散同样可以看出，在外加电磁场b)、波导色散由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。b)、波导色散由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此c)、折射率剖面色散折射率剖面色散是由于光纤纤芯和包层的相对折射率差是频率的函数而产生的。是频率的函数表明纤芯折射率和包层折射率随频率变化的规律不一致。但实际光纤都是弱导光纤，很小，所以与材料色散和波导色散相比，折射率剖面色散通常是可以忽略的。上述三类波长色散效应产生的传播时延差与光信号的谱宽成正比，所在光源本身起决定性作用的条件下，减小波长色散影响的最有效措施是采用窄线宽的光源。c)、折射率剖面色散折射率剖面色散是由于光纤纤芯和包层(2)、模式色散模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下传播速度不同，使传播时延不同而产生的色散。这种色散的机理与波长色散不同，它与光信号的谱宽没有关系，仅由传播模式间相位常数的差异导致色散效应。(2)、模式色散模式色散是由于光纤不同模式在同一波长下2024/6/16463光纤的带宽光纤的带宽光脉冲展宽与光纤带宽有一定关系。实验表明光纤的频率响应光脉冲展宽与光纤带宽有一定关系。实验表明光纤的频率响应特性特性H(f)近似为高斯型，如图近似为高斯型，如图2-23所示。所示。fc是半功率点频率。是半功率点频率。fcfH(f)02023/8/9463光纤的带宽光脉冲展宽与光纤带宽有一定2024/6/1647显然有显然有因此，因此，fc称为光纤的称为光纤的3dB光带宽。光带宽。2023/8/947显然有因此，fc称为光纤的3dB光带宽。2024/6/16482、光纤色散、带宽和脉冲展宽参量间的关系、光纤色散、带宽和脉冲展宽参量间的关系（1）光纤的色散）光纤的色散光纤的色散会使脉冲信号展宽，即限制了光纤的带宽或传输光纤的色散会使脉冲信号展宽，即限制了光纤的带宽或传输容量。一般说来，单模光纤的脉冲展宽与色散有下列关系：容量。一般说来，单模光纤的脉冲展宽与色散有下列关系：即由于各传输模经历的光程不同而引起的脉冲展宽。即由于各传输模经历的光程不同而引起的脉冲展宽。单模光纤色散的起因有下列三种：单模光纤色散的起因有下列三种：材料色散、波导色散和折射率分布色散。材料色散、波导色散和折射率分布色散。2023/8/9482、光纤色散、带宽和脉冲展宽参量间的关系