光纤技术基础(单模光纤)

光纤技术基础*1单模光纤 1. 阶跃折射率单模光纤 2. 无界抛物型折射率分布弱导光纤 3. 单模光纤的高斯拟合和模场直径 4. 单模光纤的主要类型 5. 近似方法 6. 单模光纤的偏振特性 光纤技术基础*2限制层波导层限制层n3n1n2xyzh三层均匀一维平面光波导知识回顾 光纤技术基础*3全反射条件相干加强条件特征方程几何光学：波动光学：场分布边界条件特征方程kkxkz知识回顾 光纤技术基础*4知识回顾 满足全反射条件时，只有某些以 特定角度入射的光线才能在波导 内传导，每一种可以传导的电磁 波称为波导的一种模式。光纤技术基础*5阶跃折射率光纤Step indexn1n2ab知识回顾 光纤技术基础*6W=0, U=Vc,归一化截止频率截止条件单模条件：矢量法TE0n模，TM0n模， EHmn模， HEmn模标量法LPmn模知识回顾 光纤技术基础*7光波导中模式的普遍性质完备性 正交性2的稳定性横向非均匀性光波导微扰法纵向非均匀性光波导模式耦合知识回顾 光纤技术基础*8一.阶跃折射率单模光纤 Ø 单模光纤与多模光纤 Ø 单模工作条件与单模截止波长 Ø 阶跃折射率单模光纤中的场分布与功率限制因子 Ø 阶跃折射率单模光纤的特征方程及其近似表述光纤技术基础*9结构 折射率剖面形状 阶跃型step n1n2 ab阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*10阶跃折射率单模光纤 阶跃折射率光纤中的传导模的数量由光纤归一化频率决定。归一化频率 基模： HE11光纤技术基础*11bV曲线 bV曲线只有LP01模传输基模 b：归一化传输常数阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*12单模传输条件 光纤模式理论阶跃折射率光纤最低阶高次模（LP11, TE01, TM01，（HE21 弱导）的归一化 截止频率单模条件只传输基模(HE11, LP01)基模的归一化截止频率：阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*13单模工作波长范围 只有当光纤的工作波长大于截止波长时，光纤才处于单模工 作状态。单模工作波长范围c光纤技术基础*14多模光纤和单模光纤 单模光纤： 多模光纤： 设计光纤结构，选择工作波长，控制光纤中导模数量同时支持多个导模传输的光纤只支持基模传输的光纤阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*15单模光纤与多模光纤区别 结构性能 单模光纤多模光纤510m较大，50m芯径较小剖面多样性设计折射率分布和包 层结构 SMF，DSF，DFF，DCF， NZDF，PMF等，便于光源耦合，芯径不能太小模式色散模式色散较大，传输带宽受 限制用于短距离，低速率系 统，芯径大，便于耦合,在传 感系统中应用没有模式色散，传输带宽大 用于长距离大容量光纤通信系统阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*16弱导光纤的场分布 阶跃折射率单模光纤光纤技术基础*17单模光纤的场分布 单模光纤中沿y方向偏振的基模场 m = 0 纵向分量 /横向分量LP01阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*18功率限制因子 m = 0单模光纤中阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*19特征方程 LP模特征方程m = 0基模特征方程 近似表述 阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*20二、无界抛物型折射率分布弱导光纤 Ø 抛物型光纤与无界抛物型光纤 Ø 无界抛物型光纤的标量近似解（LPmn模） Ø 无界抛物型光纤中的基模场分布与光强分布 Ø 模场直径的概念光纤技术基础*21结构 折射率剖面形状 渐变型grading n1n2 ab无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*22折射率分布 无界抛物型折射率分布实际的抛物线型折射率分布包层：对光纤中的导模施加了截止条件近似 解析解无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*23无界抛物型光纤中的场模式 弱导近似 光纤中的场Ex或Ey满足柱坐标下的标量波动方程分离变量法 无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*24无界抛物型折射率分布本征函数解与m, n有关的常数N-1阶Laguerre多项式传输常数本征值本征解无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*25基模场分布 LP01模 m = 0，n = 1基模的功率分布无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*26说明1.抛物型折射率分布单模光纤中的场分布和光功率分布 均为高斯型无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*27说明模场直径：单模光纤内场强衰减到其最大值的1/e的宽度。模斑直径： 单模光纤内光功率衰减到其最大值的1/e的宽度。抛物型折射率分布单模光纤耦合、接续、弯曲损耗、色散无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*28三、单模光纤的高斯拟合和 模场直径 单模光纤的模场直径 对基模场分布的高斯拟合近似 模场直径的近场二阶矩定义(PetermannI) 模场直径的远场二阶矩定义 (PetermannII) 模场直径的高斯拟合定义光纤技术基础*29模场直径 §定义：单模光纤内光功率衰减到 其最大值的1/e的宽度。 §定义：单模光纤内场强衰减到其 最大值的1/e的宽度。 §CCITT建议：普通单模光纤在1310nm处的模场 直径标称值为910微米。色散位移光纤在1550nm处的模场 直径标称值为78.3微米，容差范 围均为±10%。 d耦合、接续、弯曲损耗、色散光纤技术基础*30模 场 直 径耦合、接续耦合和接续时选择模场直径一致的光纤，否则会造成 光功率的损失。研究表明，对于两根模场直径分别为w1和 w2的单模光纤，其接头损耗为：W1=W2，即两根光纤的模场直径完全匹配时，表明两根光纤之间由于模场直径的容差所引入的接头 损耗为零。2W1=8um, 2W2=10um时， 光纤技术基础*31耦合、接续模 场 直 径模场直径的容差范围必须根据工程的要求来选择。如果要求所有接头损耗小于0.05dB，则模场直径的容差范围不能超过±0.5um在中继距离较短或者光功率富裕量大的场合，对接头损耗的要求可以降低一些，这样可以放宽对光纤要求的模场直径的容差范围。光纤技术基础*32弯曲损耗模 场 直 径模场直径小的光纤，能量在芯子中集中的程度好，光纤弯曲造成的损耗较小。模场直径大的光纤，能量在芯子中集中的程度较差，包层中存在较多的光能量，光纤弯曲造成的损耗较大。（选择截止波长）光纤技术基础*33思考题§ 信号光工作波长1550nm， 现有阶跃折射率分布的 圆光纤1、2 两种，其中1 光纤：截止波长 标称值 700nm， 2：截止波长标称值1400nm。1，为减小弯曲损耗，欲挑选束光能力强的单模光纤 ，我们应当选用那个光纤？写出理论依据和推理 过程。 2，若需要该光纤在980nm单模工作，我们应选哪个 光纤？光纤技术基础*34模 场 直 径色散 不同模场直径的光纤感受到的芯子和包 层的有效折射率不同，因此所对应的波 导色散的大小不同。光纤技术基础*35单模光纤的高斯拟合和模场直径 拟合的目的1.简化计算2.可以直接导出以光功率衰减到其最大值1/e的 宽度定义的模斑直径3.可以直接导出以场强衰减到其最大值1/e的宽 度定义的模场直径光纤技术基础*36阶跃折射率单模光纤横向电磁场径向分布函数：J0(x)抛物型单模光纤横向电磁场分布 函数：Gaussian : exp(-x2) 任意折射率剖面光纤基模场分布函数：近似高斯函数 用高斯函数拟合实际光纤的基模场分布，用拟合得到 的高斯函数近似表示实际单模光纤中的场分布。拟合的依据单模光纤的高斯拟合和模场直径 光纤技术基础*37高斯拟合 假定基模场分布为实函数，实际的场分布用高斯函数表示。重叠积分最大近似精度最高 待定参数w的最优值实际场分布单模光纤的高斯拟合和模场直径 光纤技术基础*38拟合结果 折射率分布阶跃型 抛物型 三角型 误差 < 0.02 ! ?单模光纤的高斯拟合和模场直径 导波光学范崇 澄， 理工大学出版 社， 1988 w？光纤技术基础*39光纤的等效归一化频率 阶跃折射率光纤：T = V高斯型场分布的1/e 全宽度：2w2模场直径模场直径单模光纤的高斯拟合和模场直径 光纤技术基础*40阶跃型抛物型三角型场分布向芯区集中耦合、接续、弯曲损耗模场直径与光纤芯径 Tw/aV阶跃折射率光纤：T = V光纤技术基础*41模场直径的标准定义近似方法存在误差实际场分布可能与高斯型分布差异较大，高斯拟合误差较大制定模场直径标准定义的原因：制定模场直径标准定义的目的：对各种实际单模光纤的模场直径作出统一和标准化的定义。单模光纤的高斯拟合和模场直径 光纤技术基础*42近场：光纤中或紧靠光纤截面的场分布远场：远离光纤截面的场分布光纤中近场与远场的概念 光纤技术基础*43模场直径的标准定义第一种定义Petermann I单模光纤中实际场分布（近场）的二阶矩来定义，可以用远场 分布来表示。远场分布函数的表示dn模场直径的近场定义单模光纤的高斯拟合和模场直径 M. Artiglia, “Mode field Diameter measurements in single-mode optical fibers,” J. Lightwave Tech. Vol. 7, no. 8, pp. 1139-1152, 1989.光纤技术基础*44§ 二阶矩光纤技术基础*45模场直径的标准定义 第二种定义Petermann II实际测量的往往是光纤的远场分布函数，因此给出基于光纤远场分布 函数的模场直径定义。 单模光纤中实际场分布（远场）的二阶矩来定义，可以用近场分布来 表示。近场分布函数的表示模场直径的远场定义df单模光纤的高斯拟合和模场直径 光纤技术基础*46模场直径的标准定义 第三种定义 高斯拟合定义光纤中的场分布与高斯函数 十分接近时， 欲与Petermann一致，对模场直径的定义。dg单模光纤的高斯拟合和模场直径 光纤技术基础*47模场直径定义的说明 1.一般地，场分布不是严格的高斯型，dn df dg2.场分布恰好是高斯型 则：单模光纤的高斯拟合和模场直径 光纤技术基础*48四、单模光纤的主要类型 光纤技术基础*49单模光纤的主要类型单模光纤的性能对长距离、大容量光通信系统的影响 在单模光纤通信系统中，影响光纤传输距离和传输容量的因素损耗色散非线性损耗、色散和非线性对光信号传输的影响衰减输入信号输出信号时间频率新频率时间脉冲展宽光纤技术基础*50EDFA 频带损耗谱 单模光纤的主要类型光纤技术基础*51损耗与放大 EDFA 频带单模光纤的主要类型光纤技术基础*520.10.20.30.40.50.6衰减 (dB/km)1600170014001300120015001100波长(nm)EDFA 频带20100-10-20色散(ps/nm.km)G.652 & G.654G.655G.653色散与损耗单模光纤的主要类型光纤技术基础*53光纤的种类：G.651光纤：多模光纤G.652光纤：普通单模光纤(SMF)G.653光纤：色散位移光纤(DSF) G.654光纤：低损耗光纤（截止波长位移光纤） G.655光纤：非零色散位移光纤(NZ-DSF) G.656光纤：宽带传输用非零色散位移光纤 G.657光纤：耐弯曲单模光纤光纤技术基础*54ITU-T关于单模光纤的技术规范单模光纤的主要类型 光纤技术基础*55G.652光纤