1、第五部分光電子的應用光纖光學第1頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學n2n1n2n1n2n12a2arr = ar = 0單模階躍折射率光纖多模階躍折射率光纖多模梯度折射率光纖剖面折射率分布2. 按纖芯折射率分布階躍折射率光纖梯度折射率光纖3. 按傳輸的偏振態，單模光纖可分為：a. 非偏振保持光纖(非保偏光纖)b. 偏振保持光纖 （保偏光纖）單偏振光纖高雙折射光纖低雙折射光纖圓保偏光纖第2頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學階躍折射率分布：梯度折射率分布a-纖芯半徑，=1當10時，趨近階躍型當=1時

2、，三角型（色散位移）當=2時，平方律分布在石英光纖中相對折射率差折射率分布的表示第3頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學4. 按制造光纖的材料分：(1). 高純度熔石英光纖傳輸損耗低(2). 多組分玻璃纖維纖芯包層折射率可在較大范圍內變化，易于制造大數值孔徑 的光纖。(3). 塑料光纖成本低、材料損耗大、溫度性能差。(4). 紅外光纖(5). 液芯光纖纖芯為液體(6). 晶體光纖纖芯為單晶，可用于制作有源和無源光纖器件。近紅外15m，中紅外10 m第4頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學光纜：第5頁

3、，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學傳輸特性損耗(dB/km)、色散(ps/nm.km)、非線性效應等 損耗直接影響中繼距離； 色散將引起光脈沖展寬和碼間串擾，最終影 響通信距離和容量。因此，高速長距離信息 傳輸，要求光纖具有低損耗和低色散第6頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學子午光線的傳播n0n1n2子午面：通過光纖中心 軸的任何平面。子午線：位于子午面內 的光線。子午光線的入射光線、反射光線和分界面的法線三者均在子午面內。 要使光能完全限制在光纖內傳輸，則應使光線在纖芯包層分界面上的入射角 大于

4、或等于臨界角 0，即n2sin 0 n1， 0 arcsin n2/n1 或 sin 0 = 1 n2/n12光纖的數值孔徑（NA）：NA n0sin0 n1 n222第7頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學光纖的特征參數1、光纖的數值孔徑（NA）sin 0 = NA = n0= n12; = n1 n2 2n12222、歸一化頻率V 2a1 2a1 n1 23、衰減系數 10Llog PiP0dB/Km4、色散特性n1 n222n1 n222 n1 n2n1相對折射率差：模間色散模式色散材料色散波導色散第8頁，共19頁，2022年，5月20日，

5、1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學光纖的損耗光纖的損耗吸收損耗散射損耗雜質離子的吸收過渡族離子金屬OH離子本征吸收紫外吸收紅外吸收制作缺陷本征散射及其他折射率分布不均勻芯涂層界面不理想氣泡、條紋、結石瑞利散射布里淵散射喇曼散射第9頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學第三傳輸窗口第二傳輸窗口第一傳輸窗外吸收紅外吸收瑞利散射0.22.5損耗(dB/km)波長(nm)光纖損耗譜特性第10頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學外界因素引起的光纖系統的損耗1、彎曲引起的光纖

6、損耗 光纖的宏彎損耗 微彎引起的光纖損耗2、光纖和光源的耦合損耗3、多模光纖和多模光纖的耦合損耗4、光纖種類不同對耦合損耗的影響 光纖芯徑不同 折射率不同5、單模光纖和單模光纖直接耦合的損耗第11頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學光纖與光源的耦合第12頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學光纖的色散 在光纖中傳輸的光脈沖，受到由光纖的折射率分布、光纖材料的色散特性、光纖中的模式分布以及光源的光譜寬度等因素決定的“延遲畸變”，使光脈沖波形在通過光纖后發生展寬。1、多模色散：2、波導色散：3、材料色散：

7、4、偏振模色散：色散一般分為 4 種：發生于多模光纖中由于各模式之間群速度不同而產生的色散，即各模式以不同時刻到達光纖出射端而使脈沖展寬。由于某一傳播模的群速度對于光的頻率（或波長）不是常數，同時光源的譜線又有一定的寬度，因而產生波導色散。由于光纖材料的折射率隨入射光頻率變化而產生的色散。一般的單模光纖中都同時存在兩個正交模式。若光纖的結構為完全的軸對稱，則這兩個正交偏振模在光纖中的傳播速度相同，即有相同的群延遲，故無色散。實際的光纖必然會有一些軸的不對稱，因而兩正交模有不同的群延遲，這種現象稱之為偏振模色散。第13頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光

8、纖光學光纖器件光纖耦合器當兩光纖纖芯相互充分靠近時，通過包層中消逝場的互相滲透而產生光纖間能量的耦合，其中一部分變為傳輸模，這就使得功率可以互易地從一根光纖轉換到另一根光纖中去，功率轉移比由纖芯距離和相互作用長度決定。制作光纖耦合器的方法：熔拉法和磨拋法磨拋型單模光纖定向耦合器第14頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學光纖偏振控制器 利用彈光效應改變光纖中的雙折射，以控制光纖中光波的雙折射。 當光纖在 x-z 平面內彎曲時，由于應力作用，光纖折射率發生變化，n = nx ny = 0.133a/R2a：為光纖半徑，R：為光纖彎曲半徑 快軸位于彎曲

9、平面內，慢軸垂直于彎曲平面。因此利用彎曲光纖的雙折射效應，可以制成波片，對于彎曲半徑為R的N圈光纖，如適當選擇 N，R 使得n 2NR /m (m 1，2，3)則該光纖圈即成為 /m 波片 第15頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學PZT3dB耦合器3dB耦合器LL + L1243Mach-Zehnder 光纖濾波器 MZ 的傳輸特性:T1-3 = cos2/2 ，T1-4 = sin2/2 ， = 2Lnf1C若有兩個頻率分別為 f1 和 f2 的光波從 1 端輸入，且 f1 和 f2 分別滿足：1 2 Lnf11C2 2 Lnf21C 2m

10、2m 1/2m 1, 2, 3, 則有：T1-3 1， T1-4 0 f f1T1-3 0， T1-4 1 f f2頻率間隔： fc 2nLC (12)/(2nL)或：第16頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學FabryPerot 光纖濾波器(fiber Fabry-Perot filter)PZT光纖PZT光纖光纖PZT光纖光纖光纖 FP 腔(a)(b)(c)光纖波導腔 FFPF 光纖兩端面直接鍍高反射膜， 腔長一般為厘米到米量級，因 此自由譜區小。空氣隙腔 FFPF 腔長一般小于 10 m，因此自 由譜區較大。插入損耗也比較 大。改進型波導腔

11、 FFPT 可通過中間光纖波導段的長度 來調整其自由譜區，其光纖長 度一般為 100 m 到 幾厘米。第17頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光電子技術的主要應用光纖光學FFPT 一般用 4 個指標來衡量其性能：1、自由譜區(FSR, free spectrum range) 光濾波器的相鄰兩個透過峰之 間的譜寬，既是光纖濾波器的調諧范圍。FSR 1 2。2、細度 N 細度定義為： FSR/。 為光纖濾波器透過峰的半寬度。3、插入損耗 反映了入射光波經光纖濾波器后衰減的程度，損耗值為 10lg(P2/P1),P1,P2 分別為入射和出射光功率。4、峰值透過率 在光纖濾波器的峰值波長處測量的輸入光功率和輸出 光功率之比。細度 N 的峰值透過率 的 表達式N = (1 ) R1(1 ) R 1 R A1 R RA：反射鏡的吸收與散色因子，R：反射率，：腔內損耗（包括光纖的吸 收與反射損耗、彎曲損耗、 光纖兩端面與反射鏡之間 的耦合損耗等）。第18頁，共19頁，2022年，5月20日，1點30分，星期一光