单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,光纤技术及应用,教材,：,光纤技术及应用 石顺祥 华中科技大学出版社,2009,光纤技术及应用教材：光纤技术及应用 石顺祥 华中科技大学出版,第,1,章 光传输的基本理论,1.1,麦克斯韦方程组和波动方程,1.1.1,麦克斯韦方程组和边界条件,1,麦克斯韦方程,物构方程,各项同性介质,第1章 光传输的基本理论 1.1 麦克斯韦方程组和波动方程1,它们实质上是边界上的场方程，是,Maxwell,方程组在介质交界面上的具体化。,2,边界条件,它们实质上是边界上的场方程，是Maxwell方程组在介质交界,1.1.1,波动方程,由麦克斯韦方程，推导出,再根据矢量公式， 推导出,1.1.1 波动方程由麦克斯韦方程，推导出再根据矢量公式，,前面是矢量方程，每个分量都满足如下的标量方程,能流密度,说明：非均匀介质中，只要满足下式，则可用上面的波动方程,前面是矢量方程，每个分量都满足如下的标量方程能流密度说明：非,1.2,平面光波及在介质面上的反射、折射,1.2.1,均匀平面光波,1,亥娒霍玆方程,以一定频率作正弦振荡的波称为时谐电磁波,(,单色波,),平面波,电、磁场满足以下关系,K,为常矢量,1.2 平面光波及在介质面上的反射、折射1.2.1 均匀平面,对应的波动方程,-,亥娒霍玆方程,各分量足以下标量方程,2,均匀平面光波,振幅为常量，与空间位置无关,对应的波动方程-亥娒霍玆方程各分量足以下标量方程2 均匀平面,E,和,H,的关系,由麦克斯韦方程有,又由矢量公式,得到,对比前面，得,同理,E H K,三者正交，构成右手关系,E和H的关系由麦克斯韦方程有又由矢量公式得到对比前面，得同,波阻抗,波阻抗,1.2.1,平面光波在介质界面上的反射折射,1.,反射与折射定律,入射，反射、折射分别为,边界条件,相位：,振幅：,1.2.1 平面光波在介质界面上的反射折射1. 反射与折射定,根据振幅关系，得出,即反射折射定律,在各向同性介质中,根据振幅关系，得出即反射折射定律在各向同性介质中,1.2.1,平面光波在介质界面上的反射折射,1.,平面光波的全反射,光密介质到光疏介质，超过临界角后发生全反射,沿,x,方向衰减,-,倏逝波,1.2.1 平面光波在介质界面上的反射折射1. 平面光波的全,介质内的光场则为,且,或,介质内的光场则为且或,1.3,程函方程与光线方程,1.,局部平面波,细光束在局部范围内可看作平面波,是光程,2.,程函方程,将前式带入麦克斯韦方程，得,1.3 程函方程与光线方程1. 局部平面波细光束在局部范围内,化简得到：,对比前面平面波关系,得到,也就有,注：有更严格的求解程函方程的方法，但上述方面也可以直观得到正确的结果,程函方程,化简得到：对比前面平面波关系得到也就有注：有更严格的求解程函,3.,光线方程,程函方程是光程与位矢的关系，现在要找光纤轨迹坐标与位矢的关系,p,点切向单位矢量,注意：光程,S,大写，,轨迹坐标,s,小写,p,0,:,曲线坐标原点,也是波矢方向，即波阵面或光程的梯度,由以上两式得,3. 光线方程程函方程是光程与位矢的关系，现在要找光纤轨迹坐,对程函方程求导,将 代入上式，得,利用关系：,得,即光线方程,对程函方程求导将,2.1,理想平板波导的射线光学理论,第二章 平板介质波导,2.1.1,均匀平面波在平面波导中的传输,1.,平板波导中的导模和辐射模,临界角,2.1 理想平板波导的射线光学理论第二章 平板介质波导2.1,边界连续性要求，,处处相等,因为,，因此,，上下包层光场向外衰减,边界连续性要求，处处相等因为，因此，上下包层光场向外衰减,下界面是部分反射，有如下关系,上、下界面都是部分反射，有如下关系,在包层向外衰减，在衬底中向外辐射,在包层和衬底中都向外辐射,（,2.1,）,（,2.1,）,下界面是部分反射，有如下关系上、下界面都是部分反射，有如下关,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,从波阵面,AB,CD,，,要求所有光线之间的位相延迟差都是,2,的整数倍,干涉相长,因此要求,(BC=s,1, AED=s,2,),从波阵面ABCD，要求所有光线之间的位相延迟差都是2的整,根据关系,上式改写为,图中有几何关系,s,2,-s,1,=2acos,i,横向衰减系数,得到,位相关系,根据关系上式改写为图中有几何关系 s2-s1=2acosi,m,值取整数，对应入射角只能取离散值,本征方程的讨论,对给定的波导和工作波长，不同的,m,值对应不同的横向传播,常数,k,1x,，进一步可确定,、,p,、,q,，完全确定波的传播特性,m,一定，,m值取整数，对应入射角只能取离散值本征方程的讨论对给定的波,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,代入方程可得,代入方程可得,得到,因此,与射线光学理论得到相同结果,得到因此与射线光学理论得到相同结果,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,p,值变为负数，则场在衬底向外不衰减,-,衬底辐射模,截止条件,：,p,0,值,与射线光学理论得到相同结果,p值变为负数，则场在衬底向外不衰减-衬底辐射模截止条件：,p,值变为负数，则场在衬底向外不衰减,-,衬底辐射模,截止条件,：,p,0,值,与射线光学理论,得到相同结果,p值变为负数，则场在衬底向外不衰减-衬底辐射模截止条件：,，模式的正交可写为,归一化的,TE,、,TM,模式的正交,，模式的正交可写为归一化的TE、TM模式的正交,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,2.4.1,耦合模理论,介电常数的变化可看作理想波导的微扰,假设理想波导的简正模已知,任意光场可表示为,存在微扰时，光场仍可以展开,将上式代入波动方程,2.4.1 耦合模理论介电常数的变化可看作理想波导的微扰假设,耦合模理论的基本方程,耦合模理论的基本方程,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,耦合条件,只能实现相同的偏振模式间的耦合,对,A,k,有贡献的项是：在,z,距离内没有明显变化，使对,z,积分,平均值不为零。要求条件,耦合条件只能实现相同的偏振模式间的耦合对Ak有贡献的项是：在,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,如果有,如果有,逆向耦合的例子,逆向耦合的例子,：结构参数,0.3%0.6%,单模光纤；,1%2%,多模光纤。,：结构参数,Multimode step-index fiber,Single-mode step-index fiber,Multi-mode graded-index fiber,Material: SiO,2, n1 1.44, 1.46,Multimode step-index fiberSing,子午光线,Meridional Rays,斜光线,Skewed Rays,子午光线斜光线,波矢分量,波矢分量,焦散面以内衰减，,以外振荡,K,r,=0,焦散面以内衰减，Kr=0,稳定传播,位相自洽,A,沿着圆弧到达,B,，,A,经,O,反射到达,B,位相差,=2m,光在横截面内传播,稳定传播位相自洽光在横截面内传播,（子午光线）,（单位长度）,（子午光线）（单位长度）,数值孔径,NA= (sin,c,),max,数值孔径NA= (sinc)max,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,轨迹,平方律光纤的光线轨迹和延迟差,光线,为什么延迟差,小于阶跃光纤？,轨迹平方律光纤的光线轨迹和延迟差光线为什么延迟差,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,K,为实数,K,为虚数,K为实数K为虚数,当,v,=0,时，横模。,E,z,E,r,H,0,，,H,z,=H,r,=0,，,E,=0,，,TM,0,。,2.,H,z, H,r,E,0,E,z,=E,r,=0,，,H,=0,，,TE,0,。 ,当,v,0,时，电磁场六个分量都存在，,混合模,(,波,),。,1.,E,z,H,z,，记为,HE,v;,2.,HzEz,，记为,EH,v,。 下标,v,和,都是整数。,当v=0时，横模。当v0时，电磁场六个分量都存在，混合模,包层中：,截止,第一个根为,0,包层中：截止第一个根为0,基模,基模,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,TIR-PCF,PBG-PCF,TIR-PCFPBG-PCF,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,例：,0.2dB/km,， 一公里传输下降为,0.955,例：0.2dB/km， 一公里传输下降为0.955,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,振动基频和玻璃分子的振动基频相互作用,水分子,通信窗口：,0.85,m,、,1.31,m,、,1.55,m,振动基频和玻璃分子的振动基频相互作用水分子通信窗口：,瑞利散射,d,米氏散射,非线性散射,瑞利散射和本征吸收构成光纤损耗的极限,瑞利散射 d,，,如果两模式相同,单模光纤，反射式，是同种模式耦合,透射式，同向传播，不同模式，只能是纤芯模,与包层模耦合,，如果两模式相同单模光纤，反射式，是同种模式耦合,掩膜板：相位光栅，抑制零级，增强正负一级,原理：正负一级干涉,优点：,缺点：一个相位模板只对应一种布拉格波长，昂贵,光栅制作,掩膜板：相位光栅，抑制零级，增强正负一级原理：正负一级干涉优,无外加电场：偏振面旋转,90,度， 合成，从光纤,4,输出；,有外加电场：偏振面不发生变化，合成，从光纤,3,输出；,光开关,无外加电场：偏振面旋转90度， 合成，从光纤4输出；光开,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,1.,晶体型,2.,非线性光学效应型,3.,掺杂型,类型,优点,1.晶体型类型优点,基本概念,基本概念,光放大,存储粒子,泵浦抽运,光放大存储粒子泵浦抽运,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,形成驻波,基本条件：,构成：,原理：泵浦,粒子数反转,受激辐射,形成驻波基本条件：构成：原理：泵浦粒子数反转受激辐射,衡过程,衡过程,要求：,M1,透泵浦，高反激光；,M2,部分反激光，全反泵浦,诸多问题：间隙，离轴，倾斜，畸变,.,要求：M1透泵浦，高反激光；M2部分反激光，全反泵浦,（略）,980 nm,1550 nm,4I,15,4I,11,4I,13,（略）980 nm1550 nm4I154I114I13,1,光纤通信系统的基本组成,2,光纤通信原理基础,3,光纤通信系统的光源和调制特性,4,光纤通信系统中的光放大和光放大器,5,光检测原理和光检测器,6,光纤通信系统的复用技术,7,相干光纤通信系统,1 光纤通信系统的基本组成,发送机,信道,接收机,发送机信道接收机,将电信号转化为合适的传输形态，并加载到载波上,模拟调制格式,载波源,信道耦合器,放大,将电信号转化为合适的传输形态，并加载到载波上模拟调制格式载波,模拟信号：放大、滤波,数字信号：放大、滤波、门限判决,，还,（ ）,器件：,任何一个比特时间内判断是,0,、,1,模拟信号：放大、滤波，还（,模拟光纤通信系统中不同参考点处的信号,受信者为人： 声音，可视图像,受信者为其他设备：电形态信号,模拟光纤通信系统中不同参考点处的信号受信者为人：,原始非电信号,原始电信号,(,基带信号,),调制信道解调,7.2.1,连续信息,模拟信息,离散信息,数字信息,通信,信息与传递的信号要建立一一对应关系,特点：可以通过编码来实现差错控制；,可以加密；通信要求两端节拍一致，编码一致,优点：,1,抗干扰力强，,2,误码可控，,3,计算机技术直接易于处理，,4,保密性好，,5,适用性广,代价：比模拟信号占据更大带宽,原始非电信号原始电信号(基带信号)调制信道解调7.2,为什么要载波发射,1),天线要将低频信号有效地辐射出去，它的尺寸就必须很大。例如，频率为,1KHz,的电磁波，其波长为,300km,。如果采用,1,4,波长的天线，则天线的长度应为,75Km,。这是难于办到的。,2),为了使发射与接收效率高，在发射机与接收机方面都必须采用天线和谐振回路。但语言、音乐、图像信号等的频率变化范围很大，因此天线和谐振回路的参数应该在很宽范围内变化。这又是难于做到的,3),如果直接发射音频信号，则发射机将工作于同一频率范围。这样，接收机将同时收到许多不同电台的节目，无法加以选择。,为了克服以上的困难，必须利用高频振荡，将低频信号“附加”在高频振荡上。这样，就使天线的辐射效率提高，尺寸缩小；同时，每个电台都工作于不同的载波频率，接收机可以调谐选择不同的电台。这就解除了上述的种种困难。,为什么要载波发射,或者说信息量是指从,N,个相等可能事件中选出一个事件所需要的信息度量或含量，也就是在辩识,N,个事件中特定的一个事件的过程中所需要提问,是或否,的最少次数,.,在信息论中，认为信源输出的消息是随机的。即在未收到消息之前，是不能肯定信源到底发送什么样的消息。而通信的目的也就是要使接收者在接收到消息后，尽可能多的解除接收者对信源所存在的疑义（不定度），因此这个,被解除的不定度,就是在通信中所要传送的信息量。,消息是信息的载体，信息是消息中对通信者有意义的,那部分内容,或者说信息量是指从N个相等可能事件中选出一个事件所需,香农（,C. E. Shannon,）信息论应用概率来描述不确定性。信息是用不确定性的量度定义的,.,一个消息的可能性愈小，其信息愈多；而消息的可能性愈大，则其信息愈少,.,事件出现的概率小，不确定性越多，信息量就大，反之则少。,信息量,香农（C. E. Shannon）信息论应用概率来描,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,例题：,p142,例题：p142,这是理论上无差错传输的极限，实际通信总有一定的差错几率,这是理论上无差错传输的极限，实际通信总有一定的差错几率,作用：,作用：,调制后,基带信号,仍包含基带信号频谱，,只是平移,调制后基带信号仍包含基带信号频谱，,上边带,下边带,上边带下边带,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,瞬时角频率,瞬时角频率,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,(a),本征半导体；,(b) N,型半导体；,(c) P,型半导体,半导体中由于原子间的相互作用，电子所处的,能级,扩展成能级连续分布的,能带,。能量低的称为价带，高的称为导带，导带底的能量,E,c,和价带顶的能量,E,v,之间的能量差,E,g,=E,c,-E,v,称为禁带宽度或带隙。电子不可能占据禁带。,半导体的能带和电子分布,(a) 本征半导体； (b) N型半导体； (c) P型半,在,PN,结界面上，载流子发生扩散运动，形成内部电场，阻碍漂移运动，最终达到平衡，使,P,区和,N,区的,E,f,相同，结果能带发生倾斜。,PN,结的能带和电子分布,在PN结界面上，载流子发生扩散运动，形成内部电场，阻碍漂移运,PN,结的能带和电子分布（加压）,在,PN,结上施加正向电压，减弱内部电场，能带倾斜减小，扩散增强。最后在,PN,结形成一个特殊的增益区。增益区的导带主要是电子，价带主要是空穴，结果获得粒子数反转分布。在电子和空穴扩散过程中，导带的电子可以跃迁到价带和空穴复合，产生自发辐射光。,PN结的能带和电子分布（加压）在PN结上施加正向电压，减,同质结：由同种材料（掺杂不同）形成的,PN,结,异质结：由不同材料形成的,PN,结,同质结：由同种材料（掺杂不同）形成的PN结,双异质结构,折射率,电子能量,有源区,注入电子,电子势垒,电子,-,空穴复合,注入空穴,空穴势垒,波导区,异质结：,为提高辐射功率，需要对载流子和辐射光产生有效约束,1.,不连续的带隙结构,2.,折射率不连续分布,+,+,典型的,GaAlAs,双异质结,LED,剖面图,双异质结构折射率电子能量有源区注入电子电子势垒电子-空穴复合,转化效率,d,小于,10%,。,I,较小时，,P-I,线性较好；,I,过大时，由于,PN,结发热产生饱和现象，使,P-I,曲线的斜率减小。,LED,工作电流为,50100 mA,，输出光功率为, mW,转化效率d小于10%。,数字调制,模拟调制,数字调制模拟调制,与,LED,相似，两个区别：,纵向两端是晶体解理面，形成谐振腔；,有源层光场在横向和侧向都受到限制。,与LED相似，两个区别：,光功率特性,II,th,时是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。,光功率特性 I n,cladding,，光集中在纤芯,n,core,n,cladding,，光进入包层,随着包层相对纤芯的折射率的增大，从限制在纤芯传播变为在包层中传播，纤芯中能量中断,报警,ncore ncladding，光集中在纤芯ncore,测定,840nm,和,860nm,处光强，由比值确定温度,测定840nm和860nm处光强，由比值确定温度,探测黑体辐射的功率，推断出温度,探测黑体辐射的功率，推断出温度,黑体辐射,黑体辐射,马赫,-,泽德光纤干涉仪,灵敏度高，,对多种物理量敏感；,对光纤本身要求高,引起相位变化,或,马赫-泽德光纤干涉仪引起相位变化或,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,光纤技术及应用-石顺祥-复习资料课件,