北京理工大学导波光学基础 (12)

CHAPTERⅢOpticalFiberFIBERMANUFACTUREProtectivepolymerinccoatingBuffertube:d=1mmCladding:d=125-150mCore:d=8-10mnrThecrosssectionofatypicalsingle-modefiberwithatightbuffertube.(d=diameter)n1n2?1999S.O.Kasap,Optoelectronics(PrenticeHall)FIBERMANUFACTURE预制棒－拉丝FIBERMANUFACTURELeft:Thesootrodfedintotheconsolidationfurnaceforsintering.Right:Glasspreformfedintothefiberdrawingfurnace.(CourtesyofCorning.)FIBERMANUFACTURE五种光纤预制棒制造工艺技术：OVD-OutsideVaporDeposition，管外气相沉积技术VAD-Vapor-phaseAxialDeposition，轴向气相沉积技术MCVD–ModifiedChemicalVaporDeposition，改进的化学气相沉积技术PCVD–Plasma-activatedChemicalVaporDeposition等离子化学气相沉积技术IVD-IntegratedVaporDeposition，综合气相沉积技术FIBERMANUFACTUREMCVD原理示意图MCVD工艺系统包括：原料供应单元，原材料汽化/气体控制单元，沉积单元，工艺PC控制单元，废气/粉末收集单元和废气处理单元等。黄色FIBERMANUFACTUREMCVD沉积单元FIBERMANUFACTUREPCVD原理示意图PCVD与MCVD比较：同样是管内壁沉积－称为管内法；化学反应能量来源不同－喷灯加热/微波激发混合气体，形成等离子体，高温达60,000℃，离开等离子区即直接形成SiO2；优点：无粉末过程，化学反映效率高（～100％）；每层厚度约1微米，适合复杂折射率分布。FIBERMANUFACTUREOVD原理示意图OVD流程：水解反应与SiO2（白色粉末）沉积；脱水：－高温下物理去处表面绝大部分水和少部分OH；－再升温＋(Cl2+N2+Ar)混合气体+一定压力，与OH反应生成HCl+O2，送废气处理系统，去处残余OH；烧结：－1650℃下白色SiO2粉末变成透明石英棒。FIBERMANUFACTUREVapors:SiCl4+GeCl4+O2Rotatemandrel(a)DepositedsootBurnerFuel:H2TargetrodDepositedGedopedSiO2(b)FurnacePoroussootpreformwithholeClearsolidglasspreformDryinggases(c)FurnaceDrawnfiberPreformSchematicillustrationofOVDandthepreformpreparationforfiberdrawing.(a)Reactionofgasesintheburnerflameproducesglasssootthatdepositsontotheoutsidesurfaceofthemandrel.(b)Themandrelisremovedandthehollowporoussootpreformisconsolidated;thesootparticlesaresintered,fused,togethertoformaclearglassrod.(c)Theconsolidatedglassrodisusedasapreforminfiberdrawing.?1999S.O.Kasap,Optoelectronics(PrenticeHall)FIBERMANUFACTUREOVD主机外形FIBERMANUFACTUREVAD原理示意图VAD原理与OVD完全相同；工艺上略有不同：OVD－SiO2粉末横向沉积在石英（或陶瓷、石墨）棒上；AVD－垂直向上沉积在一个堞上，SiO2粉末棒沿轴向生长。两者结合：OVD－芯棒，AVD－包层。FIBERMANUFACTUREIVD综合化学气相沉积技术:把管内沉积工艺（MCVD和PCVD）技术和VAD管外沉积工艺技术的优点融合进了单模/多模光纤预制棒的生产工艺过程中。技术的实质是：MCVD+VAD—用MCVD技术制作出光纤预制棒芯棒，然后再用VAD技术在预制棒的芯棒上沉积成光纤所需要的包层.IVD光纤的包层分隔成了两部分一传光包层和外包层，制作外包层时可以选用不同纯度的原材料－降低成本；还能加入某些特殊材料增加光纤的强度改善光纤的机械性能，FIBERMANUFACTURE五种工艺比较工艺沉积速度（g/min)优点缺点MCVD2.5～3工艺简单易掌握，设备投资少，有害物排放少，适于制作复杂折射率剖面的多模和单模光纤，宜于开发新产品等。沉积速率低PCVD1.1～1.5OVD15～20沉积率高，按单模光纤芯配方用VAD制作的母棒粗大，再拉成若干根直径相等、参数相同的芯棒，外层再用VAD制作无需参杂的包层，生产效率高且几万公里光纤的几何参数相同，光纤连接衰耗小。是大批量生产单模光纤较理想的工艺。设备复杂、较贵，废气处理AVDIVD生产成本低，效率高，可制作多种光纤（单/多模、位移、高强度）CHAPTERⅣTheoryofModeCouplinginOpticalWaveguidesandIt’sApplications光波导模式耦合理论及其应用耦合概念端面直接耦合（FireCoupling)横向耦合（TransverseCoupling)定向耦合器（DirectionalCoupler)光栅耦合器（GratingCoupler）棱镜耦合器（PrismCoupler）端面直接耦合（FireCoupling)Ddq(a)间隙;(b)横向位移;(c)倾斜角(d)端面不平图5-9光纤的连接损耗横向耦合（TransverseCoupling)例1：波导定向耦合器（DirectionalCoupler)图4-2定向耦合器结构图(a)平板波导定向耦合器；（b）带状波导定向耦合器；（c）平板波导定向耦合器中的场分布横向耦合（TransverseCoupling)例2：光纤定向耦合器（DirectionalCoupler)图5-162×2定向耦合器横向耦合（TransverseCoupling)例3：光栅耦合器（GratingCoupler)图4-5矩形槽光栅耦合器横向耦合（TransverseCoupling)例3：棱镜耦合器（PrizmCoupler)图4-7棱镜—平板波导耦合系统（a）剖面结构；（b）折射率分布4.1耦合模理论简介在理想的介质光波导中，各模式相互独立地传输。当波导边界或折射率出现畸变时，各模式不再独立，它们之间将产生功率交换，这时称模式间发生了耦合。导模与辐射模之间的耦合会产生附加损耗；导模与截止模的耦合还会产生足够大的损耗；导模之间的耦合会减小模间色散，改善脉冲响应。利用导模一导模、导模一辐射模之间的耦合可把光能量耦合进入或耦合出光波导，或从一个波导耦合到另一个波导。对模式耦合的分析和计算是介质光波导理论的一个重要方面，也是分析和设计各种波导器件的基础。4.1耦合模理论简介4.1.1规则波导与波导畸变麦克斯韦方程的分量形式E＝Et＋izEz（4-1）H=Ht＋izHz(4-2)（4-3）代入麦克斯韦方程（1-1）和（1-2）zizt)(120ttzHnEj)(10ttzEHj求出电磁场横向分量后，即可求出电磁场的纵向分量，这样只需求解Et和Ht即可。4.1耦合模理论简介4.1.2规则波导的模式薄膜波导、带状波导和光纤都是理想的规则波导，即波导轴是直线、波导的截面和折射率分布沿轴向都是不变的。因折射率与z无关，与θ也无关，故可表示为n(x，y)或n(r)。为书写方便，本章都用n0表示之。在规则波导中有导模、辐射模、泄漏模和消失模，其中导模和辐射模又称为正规模或本征模。4.1耦合模理论简介下脚标l表示模阶数，对薄膜波导，l是一维脚标，对带状波导和光纤则是二维脚标，对导模是分立的整数，对辐射模可以是连续值。传播常数对导模和辐射模是实数，即无衰减，对消失模是虚数，对泄漏模则是复数。由分量形式的麦克斯韦方程求解Et、Ht。)jexp(zlltlEE)jexp(zlltlHH假设规则波导正规模的z坐标函数仅为exp(-jβz)，正规模的场表达式可写为4.1耦合模理论简介规则波导的正规模有四个基本特点：①谐振性。在薄膜、带状波导和光纤中利用它导出了正规模的特征方程。②对称性。沿+z与-z方向（即反向）传输的正规模之间存在对称性，Et2（z）=Et1（-z）（4-16）③正交性。正规模的正交性可用场矢量的分量式表示（4-20）④完备性。正规模构成完备正交系，即波导中任一电磁场都可用导模和辐射模（不包括泄漏模和消失模）的线性叠加来表示，换言之，波导中任一电磁场均可用正规模作级数（包括积分）展开。（4-21）（4-22）PyxiHEztt2dd)(NltltltEaEaE10dNltltltHbHbH10d4.1耦合模理论简介4.1.3波导畸变制造上的缺陷，光纤的微弯，人为地设置某种几何形状或折射率分布的畸变，这些畸变都会引起模式耦合。折射率分布畸变是最简单也是最基本的情况。把光波导的微小几何畸变等效成折射率分布的畸变。图4-1光波导一般几何畸变示意图4.1耦合模理论简介4.1.4理想波导正规模与本地正规模根据正规模的完备性，具有微小畸变的光波导中的电磁场可以用正规模的线性叠加来表示。正规模并不是唯一的。可以用各种不同的正规模叠加来表示，因而也有不同的耦合系数形式。最重要的正规模有两类，一类是理想波导正规模，另一类是本地正规模。理想波导正规模就是前面提到的规则波导的正规模。对图4-l所示的那种有畸变的波导情况，就是取了图中虚线所示的规则波导的正规模。本地正规模与理想波导正规模不同，它是选取波导中一点（如图4-1中C点）处的两条短实线作为假想波导，这两条短实线与理想波导的边界平行，而与实际波导相交，它的宽度与所考虑点C处的实际波导局部宽度相同。4.2理想波导模式耦合振幅方程4.2.1模式耦合振幅方程先讨论较普遍的理想波导正规模的方法，即用理想波导正规模的叠加来表示折射率为任意分布的介质波导中的电磁场，如（4-21）和（4-22）式所示。将Et和Ht的表达式（4-21）和（4-22）两式代入任意折射率分布的横向麦克斯韦方程可以得到（4-25）（4-26）式中al、bl是z的函数，在无耦合时关系比较简单，仅是相位关系，可写成形式，其幅度为常数；在有耦合时，其相位关系和幅度都在改变。0])())([(2020ltlltzlllEannHiazbjjdd0)])(11(1))([(2020ltttlltzlllHnnbEibzajjddexp()ljz－理想波导模式的耦合振幅方程，描述了电场和磁场的零阶模到∞阶模的耦合。耦合系数和则分别描述了μ阶模和ν阶模之间电场和磁场之间的耦合程度。yxEEnnjPKttdd)(420204.2理想波导模式耦合振幅方程k利用正规模的正交性（4-20）式，并做归一化，令P＝1，可得（4-27）aKazb2jddbkbza2jddyxHnnHPjkttttdd)11[(412020（4-28）（