非线性光纤光学第一章-绪论

第一章绪论1.光纤与光纤通信2.光纤概述3.光纤的损耗特性4.光纤的色散特性5.光纤非线性效应1.光纤与光纤通信光源1841瑞士丹尼尔·科拉登光束被限制在喷射的水流中传播光纤的发展历史(a)全内反射(b)玻璃光导：20世纪20年代，美国电子工程师ClarenceW.Hansell首先申请了利用玻璃光纤（实际上就是非常纤细的小棒）传输图像的专利。德国医生HeinrichLamm在1930年首先制作了图像传输光纤束。(c)意识到全内反射的重要性：MollerHansen用人造黄油覆盖在玻璃外以产生全内反射，但结果不实用。(d)“包层”(cladding)概念的提出:1951年，美国光物理学家BrianO’Brien和VanHeel分别独自提出了“包层”概念。VanHeel使用蜂蜡和塑料，比黄油实用。1956年底，密歇根大学的一个本科生LarryCurtiss制作了第一个包裹良好的玻璃包层光纤，用低折射率的玻璃管熔化到高折射率的玻璃棒上。随后发展成塑料包层。光纤和通信古希腊人用烽火来传播特洛伊战争的消息—最早的光通信1953年，在伦敦皇家科学技术学院工作的NarinderKapany开发出了用不同光学玻璃作芯和包层的包层纤维，这也就诞生了今天所用光纤的结构，“光纤”这个词就是Kapany给出的。1960年Mainman制作出第一台激光器才引发人们对光通信的关注。但是最初光纤的损耗很大，只传输3m就可以损失掉一半的能量，传输20m就只剩下1％。用在胃部检查还可以,用于光通信不可能。20世纪60年代，光纤损耗超过1000dB/km；1966年，高锟预言高纯度的光纤可以传输光500m还剩余10％的能量，当时听起来是神话。1970年出现突破，光纤损耗降低到约20dB/km(1m附近波长区)1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km(在1.55m处)－低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。•雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年贝尔的光电话激光器(发送源）光纤(传输介质)1960Maiman发明红宝石激光器1962半导体激光器诞生(GaAs870nm)70年代室温工作LD(GaAsAI850nm)1300、1550nm多模LD单模LD1951医用玻璃纤维(损耗1000dB/km)1966高锟理论预言1970康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300(0.5dB/km),1550nm(0.2dB/km)低损耗窗口光纤开发单模光纤光纤通信的历史光纤通信最具代表性技术：掺铒光纤放大EDFA和波分复用WDMEDFA光纤通信超高速大容量长距离网络化一根光纤中可同时传输一百多路信号，采用特殊技术甚至可以同时传输1022路；采用DWDM技术实现了数十Tb/s的传输容量单路速率不断提升，已达到10、20、40Gb/s采用OTDM技术甚至可达1.28Tb/s各种通信技术的快速发展使上千甚至上万公里的长距离传输成为可能全光网成为目前光通信领域最热门的话题之一光纤通信的发展现状和趋势2.光纤概述光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad)＋涂覆层。特点：ncorenclad光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。纤芯包层涂覆层光纤的基本结构结构及其分类根据纤芯折射率径向分布的不同，可分为：阶跃型（均匀）光纤和渐变型（梯度）光纤光纤的类型（1）阶跃光纤(a)与渐变光纤(b)的横截面和折射率分布光纤的芯径、折射率差（）、所使用波长可传播的模的数量不同多模光纤2a=50m单模光纤2a=4~10m外径：2b=125m光纤的类型（2）单模光纤和多模光纤光纤的类型（3）—按制做光纤的材料分类：石英系光纤这种光纤的纤芯和包层是由高纯度的SiO2掺有适当的杂质制成，这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，目前应用最广泛。石英芯、塑料包层光纤将高纯度的石英玻璃作纤芯，而将折射率比石英稍低的如硅胶等塑料作为包层的阶跃型光纤。其特点是：易于和发光二极管（LED）光源结合，损耗也较小，非常适用于局域网（LAN）和近距离通信。塑料光纤纤芯和包层都用塑料（聚合物）做成，纤芯直径为1000μm，比单模石英光纤大100倍，接续简单，易于弯曲，施工容易。多组分玻璃光纤多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的SiO2为主，还包含有碱金属、碱土金属、铝、硼的氧化物的总称。其特点是：折射率一般比石英玻璃高，n=1.49~1.54，可以用来制作大数值孔径（NA＝0.2~0.6）的光纤。熔融温度比石英系玻璃低一些，在1400摄氏度以下；抗压抗拉强度低于石英玻璃。晶格：三角空气柱包层＋Silica柱芯原理：低等效包层折射率－全内反射特性：次高阶模截止带宽内单模传输折射率导引光纤（TIR-PCF〕光子带隙导引光纤（PBG-PCF〕晶格：六角空气柱包层＋空气柱芯原理：光子带隙限制局域单模传输特性：带隙窗口(数m)内单模传输光子晶体光纤——PCF不同结构的光子晶体光纤折射率引导型光子晶体光纤（图中A、C、D）和光子带隙引导型光纤（图中的E、G、I）。光纤的类型（4）—按表面涂层结构分类有：紧套光纤：光纤不能在塑套管内活动松套光纤：光纤能在塑套管内活动短波长光纤：早期使用的光纤波长都在0.6～0.9μm范围内(典型值为0.85μm)，把在此波长范围内工作的光纤称为短波长光纤。长波长光纤：把波长在1.3lμm和1.55μm区域内工作的光纤称为长波长光纤。光纤的类型（5）—按工作波长分类有：光纤的类型（6）—按照ITU-T提出的规范划分:多模光纤G.651(MMF)，单模光纤G.652（常规单模光纤）G.653光纤（色散位移光纤）G.654（低损耗光纤）G.655（非零色散位移光纤）G.656光纤（宽带光传输用非零色散位移光纤）G.657光纤（弯曲不敏感光纤）色散平坦光纤（DFF）色散补偿光纤（DCF）表示光纤性质的光学参数相对折射率差(阶跃光纤)相对折射率差是表示纤芯和包层折射率差异程度的参数，其物理含义是表示把光封闭在光纤中的难易程度。2212212nnn纤芯折射率包层折射率•不是所有的光线能够在光纤内传输，只有一定角度范围内的光线产生的折射光线才能在光纤中传输。假如在光纤端面的入射角是，在波导内光线与垂直于光纤轴线的夹角是。c(临界角)的光线将发生全反射，而c的光线将进入包层泄漏出去。•为了光能够在光纤中传输，入射角必须要能够使进入光纤的光线在光纤内发生全发射而返回纤芯，并以曲折形状向前传播。n1n2n0全反射n2cAABmaxmaxc消逝波nn12损失Bn0900_c不同入射角的光线数值孔径（NA）最大的角应该是使c。在10/nn界面，根据斯奈尔(Snell)定律，得到01comax90sinsinnn全反射时满足，12csinnn，将此式代入上式，得到0212221maxsinnnn当光从空气进入光纤时，10n，所以212221maxsinnnn1n2n0全反射n2cAAmax消逝波nn12n0900_c定义数值孔径(NA,NumericalAperture)2NA12221nnn•NA(或sinmax)越大，光纤接收光的能力越强。从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在max内的入射光都能在光纤中传输。•NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。•但NA越大，经光纤传输后产生的输出信号展宽越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据使用场合，选择适当的NA。折射率分布系数折射率分布函数折射率分布系数是用来描述折射率变化规律的物理量。2()(0)12()()rnrnraanrnra纤芯中心的折射率折射率分布系数纤芯半径归一化频率归一化频率说明光纤中允许传输的模式的数量。12220121222aVaknnNAanV值越大，能够传播的模式越多！可传播的模式数212MV2.405V时，只传输基模。归一化频率与归一化传输常数的关系曲线单模光纤截止波长当V2.405时，光纤只能传输基模一个模式，其他模式均被截止。满足单模传输条件的最小波长称为截止波长，112222()2.405ccananmV单模光纤模场直径（MFD）对单模光纤，2a与处于同一量级，由于衍射效应，模场强度有相当一部分处于包层中，不易精确测出2a的精确值，因而只有结构设计上的意义，在应用中并无实际意义，实际应用中常用模场直径2w，即光斑尺寸表示，近似为：3260.691.16192.879waVV2a2w电场强度降到峰值的1/eE0/ee=2.71828上式在1.2V2.4范围内,误差1%。例如，V＝2时，几乎75%的模式功率在纤芯内，而当V＝1时，降到20%，这就是为什么大多数通信光纤的V值在2V2.4。coretotalPP，但是V2.405后，就不是单模运转了！】归一化模场半径w/a与归一化频率V的关系【V，举例：1.纤芯折射率n1=1.468，包层折射率n2=1.447，假如光源波长为1300nm，计算单模光纤的纤芯半径是多少？2.405V解：当时可以实现单模传输，于是1221222.405Vann将数值代入可得2.01am2.典型单模光纤的纤芯直径是8μm，折射率是1.46。归一化折射率差是0.3％，包层直径是125μm，光源波长为0.85μm。计算光纤的数值孔径、最大可接收角和截止波长。112222121212()NAnnnnnn121121()()2nnnnnn用和代入上式得到111222111NA=2n()(2)1.46(20.003)0.113nnmax0maxsin/0.133/16.5NAn最大可接收角或者单模传输的条件是V2.405,对应的截止波长为2/2.4051.18caNAm解：光纤的数值孔径为光纤制造原料制备原料提纯制棒拉丝涂敷筛选合格光纤纯度分析质量控制性能测量制造光纤的工艺流程汽相沉积法CVD－化学汽相沉积法MCVD—改进的化学汽相沉积法PCVD－等离子体化学汽相沉积法OVD－棒外汽相沉积法VAD－轴向汽相沉积法非汽相沉积法多组分玻璃法凝胶法机械成形光纤预制棒法(1)制作预制棒化学气相沉积法(CVD)美国康宁公司1970年首先得到20dB／km的低损耗光纤所采用的方法，它是光纤制造采用的基本工艺。这种工艺必须满足两个要求，即高纯度和精确控制折射率分布。4222422SiCl+OSiO+2Cl;SiCl+2HOSiO+HCl改进的化学气相沉积法(MCVD)贝尔实验室在1974年开发MCVD法的特点：在石英反应管（衬底管）内沉积内包层和芯层的玻璃，整个系统处于封闭的超提纯状态下。等离子气相沉积法(PCVD)菲利浦公司、荷兰消费电子和电信公司在1975年联合开发。它不同于MCVD的地方在于加热反应区的方法不是通过燃烧灯把热量从外部传输进去，而是利用微波激活气体，使气体电离成为等离子，即离子化气体，简称等离子体。棒外气相沉积法(OVD)康宁公司(Corning)1972年研发出来的第一个批量光纤制作工艺；通过沉积和固化两个步骤完成预制棒的制作。轴向气相沉积法(VAD)日本科学家在1977年开发；把SiCl4、掺杂剂气体送入氢氧火焰喷灯，使之在氢氧火焰中水解，生成氧化物粉尘，即石英玻璃微粒。这些粉尘沉积在基底棒或种子棒的下端部，而不是表面。各种气相沉积法的比较多组分玻璃法多组分玻璃的成分是以重量占百分之几十的SiO2为主，还包含有碱金属、碱土金属、铝、硼的氧化物等玻璃的总称。熔制玻璃时，一般先按组分在洁净室里配好比例，然后均匀搅拌装填到