光波导.ppt

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1、第二章介质光波导,波导的概念来自于微波为了将微波约束在导体中，又要减少欧姆损耗用铜或银做成空心微波波导，在光传输中同样低损耗传输，用光波导的概念。,2.1在界面上光的反射和折射,1.几何光学的反射、折射定律、全反射临 界角,全反射临界角,2.光波在界面上的反射和透射,Ei,Er,Et,q1,q1,q2,Ei,Er,Et,qi,q1,q2,3.全反射时相位的变化,当,为虚部,r=exp(2jf),r =1,当,RTE,R,R(0),TM,qB,q1,qC,0.7,0.9,fTE,入射角,0.99,4 古斯-汉欣位移 在介质面上位相跃变可等效反射光线的位置，如图：,d位移十分微小当l550nm，d

2、=6nm-10nm这是难以观察到的。而穿透深度在10微米左右，当n2介质层比它小时，有部分光将透射出去，这现象称为光学隧道效应。,虚反射面,侧面位移,反射面,d,穿透深度,2.2 平面光波导,如图：,波矢量分解,y,x,z,渐消场,n2,n1n2,入射波,驻波,波导的等效深度,衬底,包层,2Ze1,2Ze2,xe1,xe2,h,按几何光学概念，凡是满足 的光线均可在波导中 低损耗 传输。情况并非如此，只有某些分离的 角的光线才能建起真正的有效传播。其模式将由光波导参数方程及电磁场方程及边界条件导出：即那些 是可以传播的. 这里可以从平面波简单理论得到相同的结果.如下图:,一。平面光波导,1.薄

3、膜光波导模式的射线理论分析,对平面波BB,CC 同相位,可见由B 到 C ,由 B 到 C 所经历的相位差为2p 的整数倍. 从 B-C 没有反射,位相变化为 k0n1BC 从BC 经过上下两次的反射,其附加位相为2f2,2f3,光线1,A,A,B,C,d,n1,n2,n3,C,光线2,B,D,D,q1,产生的相位差为,光线1,A,A,B,C,d,n2,C,光线2,B,D,D,q1,m=0时 为最低模,m=1,m=2其模式结构如图,n2=n3,n1,m=0,m=1,m=2,E,对称平面光波导n1=n3,上述的方程决定模式的特性与 k0,cosq1,d,f2,l,f3有关. 计算结果有如下特征：

4、,3)等效折射 :对不同的模式来说,在光导波中反射的次数不同,若仅考虑波的前面方向上距离与时间的关系,可得,为光线与此同时 Z轴的夹角,由全反射定率可得,一 个 例 子：,以GaAlAs为衬底，镀一层1.0微米厚的GaAs薄膜波导，当l1微米，n3=1.0,n1=3.50和n2=3.20,在其中只能传播TE0,TE1,TE2三个模式，它们的等效折射率分别为3.47，3.39，3.26，这三个模式对应的入射角为82.9，75.9，68.8，这些角度都比临界角66.1大,m=0基模是具有入射角，折射率接近大的，高阶模接近小的折射率,2.非对称平面光波导和截止波长,n1,n2,n3,n1,n2,n3

5、,截止波长,3.单模传输与模式数量,在同一波中, TE模的截止波长最长,称基模.如果波导中,仅基波允许传输,称为单模传输,条件为 单模传输条件破坏后,波导中可多模传输,其传播的模数为:,从结果看: d 大, n1,n2 差别大,波导中 的模式多, TM,TE 模之和为总模数.,二。薄膜波导的波动理论分析,对导波来说,场沿 y方向不变; z 方向按exp( -i b z)变化 因此,只要满足x方向的关系即可.在不 同区,场性质可满足试探解:,X0,xd,区域,满足驻波解. 其它为衰减。,上式中,由于三个区 ，玄姆赫兹方1程为,由方程和边界由条件定。,1,2,3,4,5,6,7,n1,n2,n3,

6、b,k0n1,k0n2,k0n3,（b),(c),3导波的特征方程,在7个关系式中，最后两个可得,该式也可写成,称为特征方程,当 ，方程恒有解， 无论d的大小,当d0，解的交点2,当d增加时， 可能 有交点，但必须在区域,2pnd/l,2f2,q2,q3,q,f2+f3,f,p/2,f2,f3,也可以用图表示即： 传播常数与相速的关系,neffk0：,n3k0,n2k0,m=0,1,2,3,注：对条型光波导常见结构,讨论需用到电磁波理论，射线光学不适用,光纤通信的优点,频带宽 光频率（红外）1014Hz 微波1010Hz单路电话占4*106 Hz,光频可容纳3*108路 尺寸小重量轻光纤芯10

7、微米包层125微米 抗电磁波干扰 保密性强外界干扰进不去，内部光漏不出来，窃听必须破坏光纤，容易发现 传输损耗低同轴电缆510db,光纤0.2db 缺点:线路折断修复难，中继站需要供电。,2.3 光纤传输原理,1854年，就认识到光纤导光传播的基本原理 全内反射。 十九世纪二十年代，制成了无包层的玻璃光纤； 二十世纪五十年代，用包层可以改善光纤特性， 当时的主要目的是传输图像。 1966年，英藉华人科学家高琨提出了发送光脉冲信号的概念，并进行了相关实验 缺点：损耗大 1000dB/km,历史的回顾,七十年代：随着光纤制造技术的突破，使损耗降低到0.2dB/km（1.55m附近）仅受瑞利散射损耗

8、限制。 1973年从理论上预言通过光纤的色散和非线性互作用可以产生光孤子；1980年从实验上获得了光孤子，将超短光脉冲压缩到了6fs。,1 光纤的结构和分类,10-100m,1mm,100-200m,阶跃型多模光纤,梯度型多模光纤,阶跃型单模光纤,n,2阶跃光纤的数值孔径,当n1n2时，称弱 导光纤,定义相对折射差为,子午线,光纤的射线,光纤的数值孔径N.A.,n1,当,用qz表示有,全反射,它表示捕捉光线的能力，即集光本领，它与光 纤的折射率有关与光纤的粗细无关，一般NA在0.1 0.2，对应的角度11.523度,入射点 n0sinf=n1sinqz 有,3.梯度光纤的射线理论分析,在阶跃光

9、纤中 q不同，在光纤中几何程长不同 当q0时，光线与轴平行，路程最短，轴向速度最大。 当q=qc时，路程最长，轴向速度最小 不同的传播模式，轴向速度不同，产生模式色散。,为了减少这种色散，设计的折射率沿半径渐变的光纤，称为梯度光纤 在梯度光纤中，由于n(r)的变化，光线不走直线如图,n(r),r,r,P,z,如光线在光纤中走如图的轨迹，称为自聚焦现象，可以消除模式色散。 （1）子午光线的传播，光线方程 子午面指光纤的直径所在平面 设n=n(r),在P点，由折射定律n(r)sinq=常数 q为光线轨迹切线对应斜率的补角。 n(r) 随r n(r) 即q 路径弯曲向n大的方向，其曲率中心C位于n大

10、的一方，曲率定义,P,ds,q,dr=cosqds得,由于 是负的,当q=0, 直线 当 如图，从O点出发，当光线前进时q角不断 增加，同时 也不断增加，当qp/2时， 光线与轴线平行曲率达到最大，光线的轨迹是一种周期性曲线。,q,f0,（2）数值孔径与截面上功率分布,由折射率公式 n(r)cosf=常数 光线从不同的O点其入射角不同，在中心ff0的光线都能进入光纤，但当O点上下移动时，f0将变化，当f00时，光线离轴线最大，设为RS,该处的折射率为n(R),f0,O,若r=0,n(0) 有n(0)cosf0=n(r)cosf=n(Rs) 光线以q0入射有 n0sinq0=n(0)sinf0=

11、n(0)(1-cos2f0)1/2 =【n2(0)-n2(Rs)】1/2 当n0=1时，最大入射角 sinqa= =【n2(0)-n2(Rs)】1/2=NA 在端面上不同的r处，NA是不同的称为本地数值孔径 sinq(r)= =【n2(r)-n2(Rs)】1/2,在r处的功率密度 设光源按不同角度辐射的光线包含的功率相同或者说均匀地分布在各个模式中，此时某点的数值孔径越大，它所收集的光功率越多，设r=0处的功率密度为P(0),可以测出光纤输出端的功率的分布，来推测光纤的折射率分布,（3）子午光线的路径方程 由n=n(r)和nsinq=常数可以导出光线方程设光线在某点的斜率：,P,ds,f,z,

12、r,可得,为路径方程,1。设折射率分布为,两种常见的折射率分布,这时子午光线的传播路径是正弦曲线,2。,也是正弦曲线,若斜光线入射到梯度光纤中，光线在光纤中路径为螺旋线型。,子午光线的自聚焦光纤的最佳折射率分布,为了使模式色散趋于最小，必须选择折射率最优化分布，使任一方向入射的子午光线在一周期内的平均轴向速度相等，或者各子午线在一周期沿轴向传播相等的距离，如图，这种光纤称为自聚焦光纤。,要达到这种要求，n分布如何？,根据费马原理，光线取极值，自聚焦方程关系为,(a)抛物线型分布 n2(r)=n2(0)(1-cos2f0a2r2),从上述结果看，不同的f0有不同的光程，即不满足条件。若f0很小，

13、即入射角小时，上式 变为 是常数。 在此条件下，折射率分布为 n2(r)=n2(0)(1-a2r2) n(r)=n(0)(1-1/2 a2r2)抛物线型分布,n(r)=n(0)sech(ar),(b)双曲正割型分布,4。阶跃光纤的模式电磁波理论,（a)场方程,在柱坐标系中,设场有如下形式的解,（1）阶跃光纤的标量分析(只考虑电场大小）,代入上式可得： 在ra 式中，,上式是贝塞尔函数的微分方程，可以有多种（）与的组合满足方程。每一个组合称为一个导波模式。 在纤芯内，光场在z方传播的速度小于平面向波的n1中的速度，所以有 ，场在r 方向振荡，且在r0处场幅为有限值。用第一类贝塞尔函数表示为：,在

14、包层中，有 ，场在r方向上为衰减场，用第二类贝塞尔函数表示为： 采用同样的方法可以求得磁场的解为： 纤芯 包层,(b)标量解的特征方程 特征方程由边界条件给出 r=a时 Ey与 在边界上连续，由E(r,f,z)可得 Jm (u)=A Km (w) u Jm (u)=w A Km (w) 由贝塞尔函数的递推公式 U J m (u) +m Jm( u)=uJm-1(u) M Km (w) +w Km (w)=-wKm-1(w),得特征方程,从方程中可以解出u或者w，从而确定沿z方向传播的传播常数b （c)截止条件与传输模式 对Km (wr/a) 当w0时， Km (wr/a) 将很快衰减到0，即包

15、层中很快衰减，光只能在光纤中播。 当w0时， Km(wr/a) 将不再衰减到0，即包层中光也能传播。,取w0表示光在光纤中截止的临界条件。 当w=0时有 若m=0 J-1(u)=0 可以求出 u=0, 3.832, 7.016, 10.173 当u上述值时，波导将截止。 m=1时 J0(u)=0 u=2.405, 5.520, 8.654 m=2时 J1（u)=0 U=3.832, 7.016, 10.173,Jm-1(u)=0,当模式远离截至时，即w，由特征方程可知此Jm(u)=0 ，而模式Jm-1(u)=0 表明光纤传输每一种模式对应的值必须在各自的Jm和Jm-1之间。,m=1,m=0,m

16、=2,2.41,3.83,5.14,5.52,7.02,得到各种模式u的取值范围,用fml表示不同的模式，m为参数，l为第几个根。,（d）标量模的功率,计算各个模式在纤芯和包层的功率，可以看出光能量在光纤中传播的情况。,可得当,（2）阶跃光纤的矢量分析,在标量理论中，仅考虑了E的大小未考虑方向，而实际E是矢量，有方向性。 设Ez,Hz为电磁场的两个z方向的分量。 电场与r,f的关系式可以通过Ez,Hz得到。,(a)阶跃光纤中的本征值方程,它们的波动方程为在r=a的边界上 E切向连续 即有Ez1=Ez2 和Ef1=Ef2 以及H的边界条件得到的两个方程，,传播常数的本征方程为: 对于给定的m，都

17、有n个解。求出u，或w，得到mn。不同的mn对应光纤中光场的不同光场分布。 这种分布称为模式。即同一模式在传播过程中只有相位变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件。,(b)模式的划分与截止条件,用矢量解法得到的解称为精确模式，用TE0n,TMon HEmn，EHmn表示。n=l+1. 当Ez0，即A,C0，m0 对应的模称为TE0n模（TE,TM模只能取m=0) 其特征方程,w=0为临界截止条件，得到J0（u)=0其截止条件为该式的根u=2.41,5.53,8.65,(*)TE0n模,即TE01，TE02，TE03截止时 u01，u02，u03分别为2.41, 5.53, 8.65,当Hz0

18、，即B,D0，m0 对应的模称为TH0n模 其特征方程,w=0为临界截止条件，得到J0（u)=0其截止条件与TE0n相同。,(*)TM0n模,当m0时， 称为混合波型。 相互之间有耦合，相对来说Ez大的称为EH模 Hz大的称为HE模 m=1 w=0 有J1(u)=0 u=0, 3.83, 7.02.为截止条件 对u0，HE11与标量解中的基模相当。,（*）HEmn模与EHnm模,设 由于不同的模式可能其V相接近，它们的b就很接近，构成兼并模式 图为b/k0与V的关系图,TE01,HE11,HE21,TM01,HE12,EH11,HE31,b/k0,1,2,3,4,5,(c)模的电场图与光斑,模

19、式的电力线和磁力线由场方程给出，下面画出几个低阶模的场型图：,TE01,TM01,电力线,HE11,由于TE01,TM01,HE21三个模式的b很接近，其传播过程可能合起来出现特有的光斑 由兼并关系用LPmn表示模式 例如LPmn=HEm+1nEHm-1,n,LP11,+,=,+,=,TE01,HE21,TM01,HE21,LP01,单模光纤中只有最低阶模式HE11 存在，它的光纤横向光斑图类似 于左上角的截面图：,光纤模式,圆柱空心波导中的模式 结论：低阶模能量集中在波 导中心，而模式阶数越高横 截面直径越大且能量分布越 分散,(d)单模传输条件,由于基模不会截止,所以单模条件由次高阶模式T

20、E01和TM01到达截止时的V决定。 当m0时，TE01和TM01的本征方程为： 当w0时模式截止，即 解得V2.405 结论：阶跃折射率分布光纤的（只传输HE11模）的条件是 V2.405,解：当V2.405时可实现单模传输。于是有,例：纤芯折射率n1=1.468,包层折射率n2为1.447,假如光源波长为1300nm请计算单模光纤的纤芯半径。,求得a2.01m 所以这样细的芯径，对于光纤与光纤耦合，光纤与光源的耦合都是困难的，另芯径已经和光源波长相比拟，所以几何光学已不适用。,例：典型的单模光纤的纤芯直径是8mm,折射率是1.460，归一化折射率差是0.3%,包层直径是12.5mm，光源波

21、长为0.85mm,计算光纤的数值孔径、最大可接受角和截至波长。 解：光纤的数值孔径,（n1-n2)=n1D和（n1n2)=2n1 NA=0.113 最大可接受角sinamax=NA/n0=0.113/1 amax=6.5度 单模条件V2.405 对应的截至波长 l=2paNA/2.405=1.18m 光源波长小于1.18将导致多模工作。,(e)光纤的传输模数,对阶跃光纤，D2.4 大部分模式没有截止 光纤传输模式总数近似于 N=V2/2 对于梯度光纤NV2/4 例如n=1.5 D=0.01,l=1m 2a=60m,=40,传输的模式数N800,2.4光纤的基本特性,前面讨论光纤的传输特性 其他

22、特性包含 光纤的损耗特性 色散特性 偏振特性 非线性特性,1。光纤的损耗特性,ap为每千米光纤的衰减系数，目前其理论值为0.2db/km,损耗特性常用公式,(a)材料吸收损耗 本征吸收。这是物质的固有吸收， 紫外吸收，称为电子共振吸收，这是由于在高能级激发下，石英材料产生了受激跃迁，发生在紫外0.4微米。 红外吸收，称为分子共振吸收，这是因为光子与石英分子振动之间交换能量造成的，其峰值出现在微米光波长附近，在光子的作用下，石英结构会产生振动Si-O健振动波长在7.2mm，杂质链如P-O（8.1mm）B-O（7.2mm）Ge-O(11.0mm）它们在0.8-1.7mm为低损窗口。为了使红外吸收峰

23、的高波长延伸，非O玻璃正在研究如氟化物氯化物等.,非本征吸收在生产石英光纤中，由于一些金属元素杂质是非本征吸收的一个重要根源，这些金属如铁铜铬。在石英中，水分子解析出来的OH-1离子也是非本征吸收的重要原因。在图中，峰与峰之间留下低损窗口波长为1.31,1.55mm可以进行光通讯波段。,瑞利散射 玻璃在加热过程中，热扰动不均匀造成线度小到可以与波长接近的不均匀折射率起伏。 材料组分，密度不均匀造成的瑞利散射因子可以表示为,(b)散射损耗,p为平均光弹系数T为温度bco绝对压缩率,损耗因子,瑞利（18771919） 瑞利散射发明家 1904年获得诺贝尔奖,例：石英玻璃的T为1400K，其绝热压缩

24、率bco7*1011m2N-1, n=1.46 p0.286, k=1.38*10-23JK-1。 计算波长为0.63、1.00、1.30mm瑞利散射损耗。 l=0.63*10-6 a=1.199*10-3m-1 l=0.301 l=1.00m L=0.8dB/km l=1.30m L=0.3dB/km,米氏散射 不均匀引起的线性散射，如光纤非圆对称芯与包层界面不规则、芯与包层折射率不一致、光纤直径起伏、应力不均匀，微小气泡。米氏散射基本上是向前的，用工艺、设计可以减少。,（c）非线性散射损耗,当传输功率密度超过一定限度时，某些散射会产生非线性效应，使得光频率发生变化 受激布里渊散射 光纤中分

25、子振动引起光调制，即媒质产生密度起伏，形成一个光栅，该光栅相当于超声波，当光入射时，产生多普勒平移，出现上下两个边带，在散射给出中，产生一个散射光子和一个声子，散射光子的频率于散射角有关，反向时频移最大，因此受布里渊散射主要表征是背向散射。,产生布里渊散射的门限功率可表示为,d光纤直径,l波长，a光损db/km， n光源的带宽GHz 受激拉曼散射 分子内部的转动和振动变化引起的，这种改变将吸收和放出能量，使得光子的频率发生改变 与受激布里渊散射过程相同，但门限不同,n1,n1- n,n1,n1+ n,(d)弯曲损耗,光纤的过分弯曲造成的损耗称为弯曲损耗。,由于渐消尾，部分光功率存在在包层介质中

26、，在弯曲段的外侧，要保持原来的波前平面，就要求该部分渐消尾光波速度大于该介质中的光速这是不可能的，于是该模式这部分光功率产生辐射变成损耗。,辐射,该损耗可以描述为,c,b为常数,在光纤中，多模中高次模能量存储在包层中多，损耗大，其临界半径为,1300,1550,850,紫外吸收,红外吸收,瑞利散射,0.2,2.5,损 耗 (dB/km),波 长 (nm),OH离子吸收峰,光纤的损耗谱特性,例：石英综合损耗图,2光纤中的色散现象,色散特性是光纤传输中最为重要的问题。由于色散现象会使光纤中传输的过程中的脉冲数字信号或者模拟信号的波形畸变，轻则失真，重则无法进行。 a)色散对光纤传输信号带宽的限制

27、光源谱线宽度 发光二极管Dl=1250A (面发射）750A（边发射） 半导体激光器Dl=10A 氦氖激光器Dl=103107A,t,输入,尚可以分辨,不可分辨,码间干扰,距离L的输出,LL,若输出脉冲宽度为Dt。信号数码率为BT BT Dt/2时不搭接。,由于光谱的存在，使得各波长的群速度不同（色散），达到终点出现时间差，造成的结果可用图表示,（b)基本的色散机理,（*）材料色散n=n(l) 不同的频率群速度不同 每个频谱成分传播单位长度的所用时间称为群速度,传播距离为L，谱线的延时为,设光源的均方根谱宽为sl,中心波长为l，由材料引起的输入脉冲的展宽sm,可以从tm对泰勒级数展开得到,取一

28、级近似,定义材料色散参量, 单位为ps.nm-1km-1 其物理意义是光源谱宽为1纳米的输入光传播1公里距离引起的脉冲展宽是多少皮秒（1012）。 纯石英材料，MM(l)如图，在1.3m附近有0色散这是选择大容量光纤通信中心波长在1.31m的最重要的原因。（其他选择该波长光纤损耗低也是原因）,在零色散区，各波长延时相等，同时到达 M0短波长慢 M0长波长慢,零色散区,0,50,100,M,l,图SiO2,n,dn/dl,dn2/dl2,l,l,l,不同的模式具有不同的群速度，因此输入脉冲到达终点时必然会产生脉冲展宽，是色散引起的展宽中最严重的，基本现象可用图表示。,（*）模间色散 ：多模光纤中

29、各模式间的色散现象,阶跃型多模光纤,子午光线轨迹,通过L的延时,延时差产生的脉冲展宽用数值孔径表示,由于光纤中的高阶模的损耗，实际展宽比上述小。,渐变型多模光纤： 对抛物型折射率分布，不同的模式中的传播延时可以得到补偿。理论计算证明,D0.01量级，可以比阶跃光纤提高2个数量级。 渐变折射率光纤脉冲展宽值在0.2-1ns/km之间。,（*）波导色散,对于单模光纤也会产生脉冲展宽，这主要是光源有谱宽，不同的波长相同的模式有不同的群速度，用射线光学可表示为如图 这称为波导色散定义波导色 散参量,c)总色散及频带展宽,对多模光纤;模式数量大，总色散基本取决于模间色散其次为材料色散。 对应单模光纤，主

30、要是材料色散和波导色散。 单模光纤的技术 由于波导色散的存在，实际零点色散波长发生漂移，波长将1.30m1.31m,零点色散,材料色散,波导色散,石英光纤最低损耗是在1.55m，如何将零点色散与最低损耗波长统一起来，方法有二。 *改变光纤的直径，称为色散位移单模光纤（DS光纤）提高芯区与包层之间相对折射率差。但n大，则掺杂浓度大，产生超额损耗2db/km。,40,20,0,20,40,1.2,1.4,1.6,1.8,总色散,它主要来源于界面引发的缺陷或者界面折射率的不均匀。并不是好的方法可以改变芯的分布到达目的.,2a=6mm,5mm,4mm,色散平坦光纤 将色散曲线变形，使其在1.331.5

31、5mm两次过零点。 这种光纤可以用于波分复用，获得色散平坦曲线的方法为多包层结构，其结构如图,40,20,0,20,40,1.2,1.6,1.7,1.4 1.5,1.3,3光纤中的偏振现象,光纤传输中，除频率（波长）振幅和位相外，还有一个重要特性，偏振， 考虑偏振使得光波导变得复杂，但也多一种信息载体。 对圆柱型普通光纤，不能确保其输入光的偏振态在传播中保持不变，一般说来，传播几米就发生明显变化，早期的应用主要是强度调制，对偏振不敏感。,偏振态的基本表示式,若bx=by没有双折射现象 当f1-f2=0 f1-f2=p时为线偏振光 f1-f2=p/2 3p/2时 为椭圆偏振光 在光纤中，由于应力

32、关系bx=by 基模HE/电场分成HE/x和HE/y 模式双折射参量定义为,高104 低10-9 一般为106,在传播过程中，位相差为 f(L)=(bx-by)L 线性变化 偏振态的周期称为拍长Lp,Lp,低双折射率Db=0.15rad/km Lp=50m 高双折射率Db=6280rad/km Lp=1mm,光纤的扭曲也会改变偏振面的旋转角度，即旋光性,引起双折射的原因： 1 椭圆度双折射，由于光纤不圆或者弯曲引起 2应力双折射 机械形变，应力不均匀 3温度双折射 光纤芯与包层的热胀系数不同 偏振保持光纤 采用高双折射率光纤， 很小，由微扰产生的耦合作用很小，从而在光纤中所激励起的模式HE11

33、x就可以在较长的范围的距离保持主导地位，使得偏振态基本不变,保偏光纤就是增加应力提高双折射。常见结构：,应用：高精度光纤干涉仪分布式光纤传感器,2.5光纤放大器,光在传输中产生损耗，需要放大 光纤放大器的作用和优点： 1代替光电光中继器，减少电子线路 2作为光发射机的功率放大 3作为光接受机的低超声预放器改善接收机的灵敏度 4有很宽的放大谱宽（大约400A) 5超长距离光纤传输能够实现。,光纤放大器的种类： 1掺稀土元素光纤放大器 2受激拉曼散射和受激布里渊散射光纤放大器 3半导体光放大器 放大器结构,输出信号,输入信号,泵浦光,二色耦合器,1。掺稀土元素光纤放大器,SiO2掺铒光纤放大器在1

34、.55m 具有良好的性能。4I13/2是10ms亚稳态与4I15/2构成反转。,泵浦光,信号光,1.48m,1.53-1.56m,1.48m,1.53-1.56m,0.98m,0.80m,0.816m,2H11/2,4I9/2,4I11/2,4I13/2,4I15/2,其他掺杂元素,b)受激拉曼和受激布里渊散射光纤放大器,原理：利用光纤中泵浦光子与SiO2分子体系相互作用，吸收泵浦光子后获得一个不稳定的高振动能级上产生一个比泵浦光子能量低的斯托克斯光子，如该光子与信号能量相同时，获得光放大。 C)半导体放大器 在半导体激光二极管的两个理解面上，沉积一层SiO2或者SiN薄膜，使得反射率R由0.

35、3变为0.01-0.3之间，就实现了半导体放大器。,2.6 光纤特性测量方法,损耗测量 带宽测量 色散测量,用特定波长的光通过光纤，然后测出输出端相对于输入端的光功率或幅度、相位等物理量的变化，再经过相应的数据处理而实现。 测量系统一般包括：发射光源、注入装置和接收与数据处理部分。 各部分要求稳定、可靠，并有足够的精确度。测量的详细技术规范由国际标准（ITU-T）或国标确定。,测量的共同特点,只要测量长度L2的输出光功率 Pout, 在注入条件不变的情况下，在离光源23m 附近剪断光纤，测量长度 L1 的输出光功率，可以认为该功率就是长度 L光纤的输入光功率 Pin。这样由式(2.3.14)就

36、可以计算出光纤的衰减系数。,剪断法测量光纤损耗系数,光源通常采用谱线足够窄的激光器 注入器的作用是，在测量多模光纤的损耗系数时使多模光纤在短距离内达到稳态模式分布；在测量单模光纤的损耗系数时应保证全长为单模传输。 光功率计用来测量光纤输出端的光功率。,剪断法测量光纤损耗系数 系统配置,OTDR 的用途,利用后向散射原理设计的测量仪器叫光时域反射机（OTDR，Optical Time Domain Reflectometer） 这种仪器采用单端输入和输出，不破坏光纤，使用非常方便。 OTDR不仅可以测量光纤损耗系数和光纤长度，而且还可以测量连接器和熔接头的损耗，观测光纤沿线的均匀性和确定光纤故障

37、点的位置，在工程上获得了广泛地使用。,瑞利散射光功率与传输光功率成正比。后向散射法就是利用与传输光方向相反的瑞利散射光功率来确定光纤损耗系数的。,后向散射法（OTDR） 测量光纤损耗系数,后向散射法测量损耗系数和 确定光纤的长度,2. 带宽测量,时域法测量光纤带宽,3. 色散测量,对于单模光纤，色散与光源的谱线宽度密切相关。 光源的谱宽越窄，光纤的色散越小，带宽越大。 光纤色散测量有相移法和脉冲时延法，前者是测量单模光纤色散的基准方法，所以这里只介绍相移法。,相移法色散测量原理,相移法测量光纤色散系统框图,光纤检验,光纤制造流程图,光纤预制棒置备好之后进行光纤拉丝,光纤拉丝机,直接熔化法：双坩埚法,直接熔化法： 可用于制造石英 光纤、卤化物光 纤和硫属光纤 具有产量大、可 连续制造的优点 但坯料棒熔化过 程中容易带来杂 质，它的最低损 耗值为5 dB/km,园柱波导:光导纤维,单模：8 10mm,多模：50mm,125mm,成缆单模光纤典型特性,