《光纤光学》刘德明华中科技大学.pdf

光纤光学刘德明编华中科技大学光电子工程系目录第一章光纤光学的基本理论1.1引言1.2光纤光学的基本方程A1.3光线理论101.4光纤中的模式及性质161.5阶跃折射率分布光纤中的场解21Q1.6弱导光纤与线偏振模2951.7渐变折射率分布光纤中的场解361.8单模光纤中的场解42习题与思考52参考文献53第二章光纤的特性及特征参数测量542.1引言542.2光纤的损耗552.3光纤的色散与带宽602.4单模光纤模场半径672.5单模光纤止波长692.6光纤的物理化学特性702.7光纤参数测试技术71习题与思考83参考文献84第三章光纤无源及有源器件853.1自聚焦透镜853.2光纤定向耦合器923.3光纤偏振控制器993.4光纤激光器与光纤放大器108习知创思考120参考文献120第四章光纤的连接与耦合1224.1光纤一光纤的连接损耗1224.2光纤固定接头1284.3光纤活动连接器1334.4光纤一光源的耦合136W4.5光纤一光无源器件的合144习题与思考147参考文献147第五章光纤中的非线性效应及其应用149自学5.1引言149自笔记5.2参量过程及自相位调制与交叉相位调制1505.3受激喇曼散射及其应用1625.4光孤子与光孤子通信1715.5光纤脉冲压缩技术180习题与思考184参考文献185第六章光纤传感技术187,6.1光纤传感器概述1876.2强度调制光纤传感器1926.3频率调制光纤传感器2016.4波长（颜色）调制光纤传感器2066.5相位调制光纤传感器2116.6偏振态调制光纤传感器225$6.7复用式和分布式光纤传感器231习题与思考234参考文献235第七章光纤技术的主要应用2367.1光纤技术在通信中的应用2367.2光纤技术在工业上的应用2407.3光纤技术在军事上的应用2437.4光纤技术在医学上的应用2467.5光纤技术在信息处理中的应用250习题与思考255参考文献255第八章特种光纤及应用2568.1零色散平移光纤和色散平坦光纤2568.2保偏光纤及低双折射光纤2588.3红外光纤2598.4衰减场光纤2628.5其它特种光纤264第一章光纤光学的基本理论1.1引言光纤光学是一门研究光波在光纤中传播特性的科学。光纤是一种介质圆柱光波导，它能够约束并导引光波在其内部或其表面附近沿其轴线方向向前传播。光纤的基本结构如图1.1.1所示，由纤芯、包层和套层构成。纤芯由高度透明的介质材料（如石英玻璃等）经过严格的工艺制成，是光波的传播媒体；包层是一层折射率稍低于纤芯折射率的介质材料，它一方面与纤芯一起构成光波导，另一方面也保护纤壁不受污染或损坏；套层一般由高损耗的柔软材料（如塑料等）制成，起着增强机械性能，保护光纤的作用，同时也阻止纤芯光功率串入邻近光纤线路，抑制串扰。L(a)nn(b)折射率分布(c).1.1光纤的结构(a)阶跃光纤；(b)渐变光纤；(c)单模光纤。1一纤芯；2一包层；3一套层一般讲，光纤可分为两大类，一类是通信用光纤，另一类是非通信用光纤，前者主要用于各种光纤通信系统之中；后者则在光纤传感、光纤信号处理、光纤测量及各种常规光学系统中广为应用。对于通信用光纤，在系统工作波长处应满足低损耗、宽传输带宽（大容量)以及与系统元器件（如光源、探测器和光无源器件）之间的高效率耦合等要求，同时，也要求光纤具有良好的机械稳定性、低廉的成本和抗恶劣环境的性能。2非通信用光纤通常要求具有特殊的性能（例如高双折射、物理敏感性强以及具有非线性等)，而在其它方面的要求则相应降低。根据光纤的结构、材料、折射率分布和传播特性可将其分为如下几种类型：1.阶跃折射率分布光纤(SIOF)与渐变折射率分布光纤(GIOF)两种光纤的折射率分布如图1.1.1(a)、(b)所示，其中SIOF中纤芯各处折射率均等于n1,包层各处的折射率均等于n,且有n1n1,在纤芯与包层分界面处折射率发生突变或阶跃变化。其折射率分布形式为：(1.1.1)在GIOF中，纤芯中的折射率是变化的，在轴线处最高(n1),沿径向则随半径r的增大面减小，在包层与纤芯分界面处最低(n2),在包层中折射率般恒定不变。多数GIOF遵从型折射率分布：n)=11-2A(r/a)0ra(1.1.2)ra这里，a为纤芯半径，为纤芯轴线折射率与包层折射率的相对差（简称为“相对折射率差”)-tsn(1.1.3)8是折射率分布参数，它决定了折射率分布曲线的形状，当8-时，为SIOF;当g=2时为平方律分布或抛物线分布光纤;又称为“自聚焦光纤”;g=1时为三角分布光纤。2单模、双模与多模光纤模式是光纤传播的一种极为重要的特性，其严格的意义将在本章第二节中讨论。这里，可直观地将光纤的模式看成光场在光纤截面上的一种分布图当光纤中只允许一个模式传播时，就称之为单模光纤；当光纤中允许两个或更多的模式传播时，就称之为双模光纤或多模光纤。在光纤中允许存在的模式数目可由下式来估算：AM=2(+2)(1.1.4)其中V称为光纤的归一化频率，是一个反映光纤结构特征的重要参数，定义为v=Ka vn=nj=m.(1.1.5)J2ni式中k真空中的光波波数，。真空中光波的波长。当V很大时，光纤中可以传输几十甚至几百个模式；当V值较小时，则只允许少数几个或单个模式传播。阶跃单模光纤确切的判据是：V2.405(1.1.6)这时，在光纤中只有一个模式传播，称之为主模或基模。很显然，当波长。和折射率参数确定之后，光纤中允许传播的数目就与纤芯半径a有关。因此，多模光纤芯径较粗(5060m),而单模光纤芯径就很细(510um,与入射波1长有关)。33.石英、塑料与红外光纤石英玻璃光纤是采用改进的化学汽相沉积法(MCVD法：Modificated Chemical VapourDeposition)或汽相轴向沉积法(VAD法：Vapour Phase Axial Deposition),以 SiCl,为原始材料，GeCl,PoCl及BCl等为掺杂材料，在高温下沉积为“预制棒”，然后进行拉丝、套塑和成缆（光缆）等等。图1.1.2示出了石英光纤制备工艺流程。石英光纤的主要优点是通过严格的提纯工艺来减少原材料中的Cr+、Fe2+和Cut等过渡金属元素离子以及OH离子，可获得损耗极低的光纤。目前已研制出在1.55m波长处损耗低达0.16dB/km的单模光纤。预制件馈送机构预制件位置控制控制加热炉光纤直径测量一第一涂敷器第一次涂敷固化光纤直径控制第二涂敷器第二次涂敷固化拉丝纹盘+光纤卷盘图1.1.2光纤拉制工艺塑料光纤是采用高度透明的光学塑料为材料制成的光纤，具有重量轻（为石英光纤的1/31/2),韧性好（直径2mm仍可自由弯曲不断裂，而同样粗的石英光纤实际上已成为玻璃棒了)，工艺简便，成本低廉以及在远红外和紫外波段光波透过率优于石英玻璃等诸多优点，在导弹制导、人造卫星、宇宙航行等领域都有重要的应用。红外光纤是利用红外材料（如氟化物玻璃和硫属化合物玻璃等）制作的光纤。这种光纤具极低的理论损耗极限(10-dB/km),因此在长距离光纤通信，尤其是跨洋通信中具有极其诱人的前景。同时，红外光纤透过区域可延伸到几微米甚至十几微米，因此在红外探测与传输方面具有石英光纤无法替代的作用。不过，由于工艺和技术上的原因，目前红外光纤的损耗还相当高（每公里几十至几百分贝），还需要进行更深入的理论与实验研究方可达到实用。4.特种光纤特种光纤是指具有某种特殊性能的光纤，它包括：(1)保偏（单偏振）光纤通过波导结构的特殊设计，使在纤芯中传播的基模只沿一个