偏振模色散PPT课件
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光的偏振解析PPT课件
纸面
双 折 射
光 光
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方解石 晶体
o光的像
33
继续旋转方解石晶体：
纸面
双 折 射
光光
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方解石 晶体
34
继续旋转方解石晶体：
纸面
双 折 射
光光
第35页/共48页
方解石 晶体
35
继续旋转方解石晶体：
纸面
双 折 射
光光
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方解石 晶体
36
继续旋转方解石晶体：
用偏光镜减弱 了反射偏振光
用偏光镜几乎消 除了反射偏振光 使玻璃门内的人 物清晰可见
22
自然光
24.3 反射和折射时光的偏 振反射光 —垂直振动能量大于平行振动能量
折射光 —平行振动能量大于垂直振动能量
S
R
理论和实践都证明：
n1
i
M
n2
o
反射光和折射光的偏振化 N 程度与入射角i有关。
当入射角等于某一特定
晶 第42页/共但48页速度上是分开的，
体
e oe o
这仍是双折射。
42
2、光轴平行晶体表面，且垂直入射面
自然光斜入射
sin i sin ro
c vo
no
sin i sin re
c ve
ne
····i ···· cΔt
vvoeΔΔtt ro
re
o
·· e
• 光轴
··晶体
o
e
第43页/共48页
在这种特殊的情况下，对e 光也可以用折射定律。
成分所占的比例。
解：设该光束中线偏振光的强度为I01，自然光的强度
偏振模色散PPT课件
01.06.2020
.
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4.3.2 光纤的色散
• 多模色散(模式色散、模间色散)
• 多模－阶跃折射率光纤
Tm in(c0L /n1)L cn 01............(4.17)
T m axL (c /0 co /s n (1 θ ))c0c L o n s1 (θ)c L 0 n n 1 2 2.....(4.18)
第四章 新型光纤和光纤 的基本特性
介绍不同结构、不同材料的光纤及其传输 特性
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.
1
4.1 不同波导结构的石英光纤
• 渐变折射率多模光纤 • 匹配包层和凹陷包层单模光纤 • 色散位移单模光纤
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.
2
4.1.1 渐变折射率多模光纤
• 历史：多模------渐变多模------单模
材料色散是石英光纤的本征特 性，只有改变玻璃的组成成分， 才能改变其色散值，而这样会 引起衰减的增加。
通过设计纤芯和包层结构调整 波导色散，可以使色散最小值 发生移动
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.
10
4.1.3 零色散位移光纤
零色散位移光纤 不适用于波分复用 系统——— 当光纤中存在多个 光信道时，各信道 对应波长的色散接 近于零，因此会引 发四波混频效应， 影响传输信号
• 色散是指光纤对在其中传输的光脉冲的展 宽特性(ps/nm·km)——单位长度的光纤对 单位谱宽的光脉冲的展宽量。
• 衰减特性影响信号的振幅，色散特性影响 脉冲的半高宽，从而影响信息传输速率
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4.3.2 光纤的色散
tto ta l ( tm o d a l) 2 ( tc h r o m a tic ) 2 ( tp o la r iz a tio n m o d e ) 2
光纤中的色散和偏振模色散PPT教学课件
2020/12/11
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其他形状的脉冲
高斯形状的光脉冲，经过傅里叶变换后仍为高 斯型，即频谱在载波频率附近服从高斯分布。实 际上，光通信中的脉冲并不是严格的高斯脉冲， 脉冲形状的变化导致频谱分布的变化，因而会影 响到在色散介质中传输后脉冲的展宽。图7.3展示 了三种不同脉冲的展宽。它们是梯形脉冲，高斯 脉冲和余弦脉冲。注意它们有不同的频谱分布和 不同脉冲展宽。梯形脉冲具有最宽的频带宽度，
式中 F是高斯包络ex tp 2的傅里叶变换
F 4 1e x p 4 2
（7.2-3）
在上面的公式中，忽略了波函数u0x,y。波函数
在信号频带范围内保持不变时，这种忽略是合理
的。注意，高斯函数的频谱函数也是高斯函数。
可以把式（7.2-2）看成是谐波场的集合，每个谐
波都是其独特的频率
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激发。这里的 u0x,y是一个约束模式的波函数，
是常数， 0 是光载波的频率。考虑慢变包络的情 形以使包络包含多个光振荡，这种情形对应于
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5
12 0。我们可以把输入脉冲 E x ,y ,z 0 ,t表示
为傅里叶积分的形式
E z 0 , t e ix 0 t F p e i t d （7.2-2）
就是众所周知的群速度色散（GVD）。在光电子
学中，我们经常要处理光波在各种光学系统中的
传输，包括光纤，调制器，以及放大器。在这样
一个普通光学系统中的群速度色散，可以通过相
移是频率的函数来描述。
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3
7.2 色散介质中的光脉冲传播
事实上在现代通信中，光纤中所携带的载流子 基本上都是以数字脉冲的形式存在的，每个脉冲 代表一个比特的信息。因此，脉冲越窄，在一个 给定的时隙中就能容纳更多的脉冲，更多的数据 （比特）就能在时隙中传输。实际上，现代通信 系统的脉冲宽度窄至 311 0s 1，数据速率超过1010bits 在一个 10Gbs的系统中，每秒钟就有100亿个比特。 窄脉冲高速度的趋势一直不会衰减。进一步降低
光学(第六章--偏振)2PPT课件
能够形成这样功能的材料有天然的（比如晶体）和人工制造的。
一种人造偏振片原理是，将聚氯乙烯薄膜沿一个方向拉伸，然后在 碘的溶液中浸泡，干燥后就可以成为偏振片。
光 轴
偏振片中可以透过电矢量的方向称做偏振片的光轴。
光
学
第六章 偏 振
第一节 光的五种偏振态
3．五种偏振光入射到偏振片后出射光情况
线偏振光：设入射光的振动方程为 EAcost
对于部分偏振光，定义偏振度的概念：
P IMAX IMIN IMAX IMIN
自然光：当自然光入射到偏振片上时，随着偏振片旋转，出射光的光强 不发生变化，与圆偏振光相似。
可以证明，出射光强是入射光强的一半：
I
1 2
I0
光
学
第六章 偏 振 第二节 光在电介质表面折射和反射
本节要讨论的问题是 ➢ 光在电介质表面折射和反射的电磁学本质 ➢ 光在电介质表面折射和反射时能量的传递 ➢ 光在电介质表面折射和反射时偏振的变化 ➢ 光在电介质表面折射和反射时位相的变化
光
学
第六章 偏 振 第二节 光在电介质表面折射和反射
1. 菲涅耳反射、折射公式
设一光波从折射率为n1的介质入射
到折射率为n2的介质，考察光波经界 面反射、折射后，光波的的电磁矢量在
P1
P1’
界面处的比例。
因为光波是横波，所以光波的电磁
n1
矢量垂直于传播方向，处在与光波垂
直的平面P内。
o
在P平面内的电矢量总可以分解
入射光强为 I A2 I0
设偏振方向与偏振片光轴方向夹角为
，则出射的偏振光振动方程为
E A c o sc o st
偏振方向与偏振片光轴一致
光轴方向
一种人造偏振片原理是，将聚氯乙烯薄膜沿一个方向拉伸，然后在 碘的溶液中浸泡，干燥后就可以成为偏振片。
光 轴
偏振片中可以透过电矢量的方向称做偏振片的光轴。
光
学
第六章 偏 振
第一节 光的五种偏振态
3．五种偏振光入射到偏振片后出射光情况
线偏振光：设入射光的振动方程为 EAcost
对于部分偏振光，定义偏振度的概念：
P IMAX IMIN IMAX IMIN
自然光：当自然光入射到偏振片上时，随着偏振片旋转，出射光的光强 不发生变化，与圆偏振光相似。
可以证明，出射光强是入射光强的一半：
I
1 2
I0
光
学
第六章 偏 振 第二节 光在电介质表面折射和反射
本节要讨论的问题是 ➢ 光在电介质表面折射和反射的电磁学本质 ➢ 光在电介质表面折射和反射时能量的传递 ➢ 光在电介质表面折射和反射时偏振的变化 ➢ 光在电介质表面折射和反射时位相的变化
光
学
第六章 偏 振 第二节 光在电介质表面折射和反射
1. 菲涅耳反射、折射公式
设一光波从折射率为n1的介质入射
到折射率为n2的介质，考察光波经界 面反射、折射后，光波的的电磁矢量在
P1
P1’
界面处的比例。
因为光波是横波，所以光波的电磁
n1
矢量垂直于传播方向，处在与光波垂
直的平面P内。
o
在P平面内的电矢量总可以分解
入射光强为 I A2 I0
设偏振方向与偏振片光轴方向夹角为
，则出射的偏振光振动方程为
E A c o sc o st
偏振方向与偏振片光轴一致
光轴方向
光的偏振和晶体光学基础3PPT课件
半波损失现象
总结词
当光在分界面上发生反射时，有时会在反射光中产生半个波长的相位延迟，这种现象被称为半波损失 。
详细描述
半波损失现象是光学中的另一种重要现象。当光在分界面上发生反射时，有时会在反射光中产生半个 波长的相位延迟。这一现象的产生与光的电磁性质有关，当光在分界面上发生反射时，其电场和磁场 分量会受到不同的影响，导致反射光产生半个波长的相位延迟。
光的偏振和晶体光学基础 PPT课件
• 光的偏振 • 晶体光学基础 • 光的干涉和衍射 • 光的全反射和半波损失 • 光的吸收、散射和色散
01
光的偏振
光的偏振现象
光的偏振是指光波在振动时，其电矢量或磁矢量只在某一特定方向上保持不变，而 在其他方向上发生变化的物理现象。
自然光中，光波的电矢量和磁矢量在垂直于波传播方向上的所有方向上都有振动， 而偏振光中，电矢量或磁矢量只在一个特定的方向上振动。
全反射和半波损失的应用
总结词
全反射和半波损失在光学、物理、工程等领域有着广泛的应用，如光学仪器、光纤通信、 光学传感器等。
详细描述
全反射和半波损失的应用非常广泛。在光学领域，全反射现象被广泛应用于光学仪器和 光纤通信中，如光纤连接器、光纤耦合器等。而半波损失现象则被应用于光学传感器的 设计和制造中，如薄膜干涉滤镜、光栅等。此外，全反射和半波损失在其他领域也有着
光的色散现象
总结词
光的色散是指白光通过棱镜或其他光学 元件后分解成不同波长的单色光的现象 。
VS
详细描述
光的色散现象是牛顿于17世纪发现的。 白光是由不同波长的单色光组成的复合光 ，当白光通过棱镜时，不同波长的光折射 率不同，从而发生色散，分解成红、橙、 黄、绿、蓝、靛、紫七种单色光。这种现 象可以用光的波动理论或量子理论来解释 。
光的偏振第一讲PPT课件
04
光的偏振分类
线偏振光与椭圆偏振光
线偏振光
光的电矢量只在某一特定方向上振动，该方向垂直于光的传播方向。
椭圆偏振光
光的电矢量在两个相互垂直的方向上振动，且电矢量端点轨迹呈椭圆。
圆偏振光与自然光
圆偏振光
光的电矢量在垂直于传播方向的平面上旋转，且旋转方向随时间变化。
自然光
光的电矢量在各个方向上均匀分布，没有特定的偏振方向。
偏振片是常见的产生偏振光的器件， 它通过特定的涂层使光线在特定方向 上折射，从而产生偏振光。
偏振光的其他性质
01
偏振光在传播过程中，其电场和 磁场分量始终保持相互垂直，这 使得偏振光具有方向性，可以用 来控制光波的传播方向和强度。
02
偏振光的干涉现象是偏振光的一 个重要性质，当两束偏振光干涉 时，会产生明暗相间的干涉条纹 。
02
光的偏振现象
自然光与偏振光
自然光
光线在各个方向上的振动是均匀 分布的，表现为无规则的波动。
偏振光
光线在某一特定方向上的振动占 优势，表现为有规律的波动。
偏振现象的观察
偏振滤光片
通过偏振滤光片观察自然光，可以观 察到光的强度减弱，呈现出特定的色 彩。
液晶显示器
液晶显示器利用偏振光原理，通过调 整偏振片的旋转角度来控制像素的明 暗。
偏振态的描述方法
01
02
03
斯托克斯参量
描述线偏振光、椭圆偏振 光和圆偏振光的三个参量， 包括幅度、方位角和旋转 方向。
琼斯矩阵
描述线性光学系统对偏振 态的影响，通过输入和输 出光的偏振态矩阵运算来 描述。
Stokes矢量
由四个参数构成的矢量， 用于描述光的偏振状态， 包括幅度、方位角、主轴 角和退偏振程度。
光纤中的色散和偏振模色散39页PPT
光纤中的色散和偏振模色散
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
光纤中的色散和偏振模色散
光纤中的色散和偏振模色散
7.0 引言
色散实际上是所有光学材料的一个固有特性。
这一现象主要表现为一束在透明介质中传输的光 的相速度（和群速度）对其频率（或波长）的依 赖性。类似地，色散也存在于由透明材料制作而
成的光纤中。正是由于色散的存在，一束光脉冲
沿着光纤传播时会发生展宽。这一展宽导致了相 邻脉冲重叠时信号的衰减。随着传播距离和传输
宽—带宽积。这与物理最小波包的概念是一致的。
眼图是传输和网络系统工程中用来描述数字
二进制脉冲由于传输过程中的脉冲展宽，畸变和
噪声导致的信号退化的一种方法。接收脉冲波流 被呈现在存储示波器中，示波器的水平扫描和比 特速率相同。存储示波器因而可记录若干比特序 列（伴随着扩展和畸变）而形成眼图。具有大的
“眼睛”的眼图表示传输质量高和比特率低。
子的变化而不会改变输出琼斯矢量偏振状态的变
化。满足上面公式的状态被称为偏振主态（PSP）
输出偏振模色散（PMD）矢量
输出PMD矢量定义为斯托克斯空间中的矢量，它
平行于输出PSP慢模的斯托克斯矢量，大小为 。
对于单个双折射网络，群时延可以描述信号脉冲
的展宽。当多个双折射网络的网络中，总的群迟
结果为
E z , t F expi0 t i 0 z d （7.2-5）
其他形状的脉冲
高斯形状的光脉冲，经过傅里叶变换后仍为高
斯型，即频谱在载波频率附近服从高斯分布。实
际上，光通信中的脉冲并不是严格的高斯脉冲，
脉冲形状的变化导致频谱分布的变化，因而会影
斯矢量 由式（7.5-27）给出。对于一个均匀双
折射率网络或者波阵面，PMD矢量平行于慢模的偏
振方向，其大小由式（7.3-1）给出。
7.0 引言
色散实际上是所有光学材料的一个固有特性。
这一现象主要表现为一束在透明介质中传输的光 的相速度（和群速度）对其频率（或波长）的依 赖性。类似地，色散也存在于由透明材料制作而
成的光纤中。正是由于色散的存在，一束光脉冲
沿着光纤传播时会发生展宽。这一展宽导致了相 邻脉冲重叠时信号的衰减。随着传播距离和传输
宽—带宽积。这与物理最小波包的概念是一致的。
眼图是传输和网络系统工程中用来描述数字
二进制脉冲由于传输过程中的脉冲展宽，畸变和
噪声导致的信号退化的一种方法。接收脉冲波流 被呈现在存储示波器中，示波器的水平扫描和比 特速率相同。存储示波器因而可记录若干比特序 列（伴随着扩展和畸变）而形成眼图。具有大的
“眼睛”的眼图表示传输质量高和比特率低。
子的变化而不会改变输出琼斯矢量偏振状态的变
化。满足上面公式的状态被称为偏振主态（PSP）
输出偏振模色散（PMD）矢量
输出PMD矢量定义为斯托克斯空间中的矢量，它
平行于输出PSP慢模的斯托克斯矢量，大小为 。
对于单个双折射网络，群时延可以描述信号脉冲
的展宽。当多个双折射网络的网络中，总的群迟
结果为
E z , t F expi0 t i 0 z d （7.2-5）
其他形状的脉冲
高斯形状的光脉冲，经过傅里叶变换后仍为高
斯型，即频谱在载波频率附近服从高斯分布。实
际上，光通信中的脉冲并不是严格的高斯脉冲，
脉冲形状的变化导致频谱分布的变化，因而会影
斯矢量 由式（7.5-27）给出。对于一个均匀双
折射率网络或者波阵面，PMD矢量平行于慢模的偏
振方向，其大小由式（7.3-1）给出。
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第四章 新型光纤和光纤 的基本特性
介绍不同结构、不同材料的光纤及其传输 特性
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4.1 不同波导结构的石英光纤
• 渐变折射率多模光纤 • 匹配包层和凹陷包层单模光纤 • 色散位移单模光纤
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4.1.1 渐变折射率多模光纤
• 历史：多模------渐变多模------单模
材料色散是石英光纤的本征特 性，只有改变玻璃的芯和包层结构调整 波导色散，可以使色散最小值 发生移动
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4.1.3 零色散位移光纤
零色散位移光纤 不适用于波分复用 系统——— 当光纤中存在多个 光信道时，各信道 对应波长的色散接 近于零，因此会引 发四波混频效应， 影响传输信号
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4.1.3 大有效面积光纤
• 大有效面积可以减小非线 性效应
• 模场直径大约为9.6微米， 小色散斜率光纤的模场直 径约为8.4微米，导致有 效面积相差30%，非线性 效应存在明显差异
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4.1.3 色散补偿光纤
• 用于抵消或补偿标准单模 光纤的色散
• 渐变折射率光纤利用折射而不是全内反射 传导光
• 折射率梯度决定了孔径角的大小
• 渐变折射率光纤中的光线也是经过不同的 路径传播的，它们的速度却是不同的，因 为光在光纤纤芯中的速度是随折射率变化 的，光束偏离光纤轴越远，光速就越快。
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4.1.1 渐变折射率多模光纤
缺陷：
• 最小色散值在1310nm波长处，而最小衰减值在 1550nm波长处
• 掺铒光纤放大器，其工作波长范围是1530～ 1610nm，阶跃折射率单模光纤在这一波段的色散 非常大
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4.1.2 单模光纤
• 匹配包层单模光纤 • 折射率分布图
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4.1.2 单模光纤
• 芯径为50或62.5微米 渐变多模光纤的缺陷：
• 不同模式间相互干扰, 产生模噪声、模色散 • 残余色散 • 实际的折射率分布并非连续分布
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4.1.2 单模光纤
普通阶跃单模光纤
• 阶跃折射率分布，折射率差为0.36%
• 纤芯直径足够小，传输模式只有一个HE11
• 避免了模色散、模噪声
波导色散：入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的 距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导结构引起的，由此产生的脉冲展宽现 象叫做波导色散。
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4.1.3 色散位移单模光纤
材料的固有色散取决于光速随 波长增大还是减小，n~n(λ)， 可正可负
石英材料色散和波导色散在 1310nm附近恰好互相抵消
它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气 孔,从光纤端面看, 存在周期性的二维结构, 如果其中1个孔遭到破坏和缺失,则会出现 缺陷, 光能够在缺陷内传播。
材料不存在折射率差，而是通过周 期性结构的变化实现纤芯和包层的 功能
图4.13典型光子晶体的横截面结构
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• 纤芯-包层折射率差大 • 有效面积小 • 波导色散非常大
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4.2 其它材料光纤
4.2.1 塑料光纤 4.2.2 光子晶体光纤 4.2.3 掺稀土元素光纤 4.2.4特种材料光纤
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4.2.1 塑料光纤
• 优点：轻便、廉价、柔软、易于处理等 • 缺点：损耗大、温度特性、耐久性差 跟普通光纤的区别之处： • 适用于图像传输和照明 • 纤芯和包层的折射率差比较大 • 一般纤芯直径大，数值孔径大
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自然界中的 光子晶体现 象
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光子晶体光纤的导光机制
1、 光子禁带（PBG ） 六边形晶格结构存在完全的二维禁带，
即在一定频率范围内光无法在横向传播。 2、全反射
利用周期性排列的空气孔形成纤芯和包 层结构，使传输光能够满足全反射条件。
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4.2.2 光子晶体光纤的特性
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4.1.3 非零色散位移光纤
G.655标准，其色散值为
0.1~6ps/(nm km )
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4.1.3 非零色散位移光纤
零色散点小于1500nm 波长
在C波段，光纤的色散 为正值更容易补偿
色散曲线为正的部分倾 斜度小，因而在铒光纤 波段上，色散幅度的起 伏更小。
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4.1.3 非零色散位移光纤
长波长非零色散位移光 纤的零色散波长值约为 1640nm
负色散值可以部分补偿 直接调制半导体激光器 光源的正波长啁啾—— 使相对便宜的激光发射 机能达到2.5Gbit/s的数 据率。
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4.1.3 小色散斜率光纤
改变光纤的色散能使之 适用于密集波分复用系 统的另一种方法是减小 色散曲线的斜率。 但是有效面积也相应变 小，单位面积的功率密 度增加，非线性效应增 强。
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4.2.1 塑料光纤
500nm附近，损 耗为70dB／km
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4.2.1 塑料光纤
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氟化的塑料光纤 在800～1340nm 的宽带内的衰减 约为60dB／km， 这使得它们可以 工作在850nm和 1300nm通信窗口。
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4.2.2 光子晶体光纤
• 无休止单模特性：所有波长上都支持单模传输
条件：空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2
原因：
1. 波长变短时, 模式电场分布更加集中于纤芯, 延伸 入包层的部分减少, 从而提高了包层的有效折射率, 减少了折射率差
2. 波长降低到一定程度时,高阶模光从孔间泄漏出去
• 凹陷包层单模光纤 • 折射率分布图
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4.1.3 色散位移单模光纤
色散的概念：在光学中一般所说的色散是指材料色散，在光纤光学中包括材料色 散和波导色散。光纤色散可以使脉冲展宽，而导致误码。这是在通信网中必须避 免的一个问题，也是长距离传输系统中需要解决的一个课题。 材料色散：n=n(λ)，光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。
介绍不同结构、不同材料的光纤及其传输 特性
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4.1 不同波导结构的石英光纤
• 渐变折射率多模光纤 • 匹配包层和凹陷包层单模光纤 • 色散位移单模光纤
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4.1.1 渐变折射率多模光纤
• 历史：多模------渐变多模------单模
材料色散是石英光纤的本征特 性，只有改变玻璃的芯和包层结构调整 波导色散，可以使色散最小值 发生移动
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4.1.3 零色散位移光纤
零色散位移光纤 不适用于波分复用 系统——— 当光纤中存在多个 光信道时，各信道 对应波长的色散接 近于零，因此会引 发四波混频效应， 影响传输信号
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4.1.3 大有效面积光纤
• 大有效面积可以减小非线 性效应
• 模场直径大约为9.6微米， 小色散斜率光纤的模场直 径约为8.4微米，导致有 效面积相差30%，非线性 效应存在明显差异
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4.1.3 色散补偿光纤
• 用于抵消或补偿标准单模 光纤的色散
• 渐变折射率光纤利用折射而不是全内反射 传导光
• 折射率梯度决定了孔径角的大小
• 渐变折射率光纤中的光线也是经过不同的 路径传播的，它们的速度却是不同的，因 为光在光纤纤芯中的速度是随折射率变化 的，光束偏离光纤轴越远，光速就越快。
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4.1.1 渐变折射率多模光纤
缺陷：
• 最小色散值在1310nm波长处，而最小衰减值在 1550nm波长处
• 掺铒光纤放大器，其工作波长范围是1530～ 1610nm，阶跃折射率单模光纤在这一波段的色散 非常大
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4.1.2 单模光纤
• 匹配包层单模光纤 • 折射率分布图
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4.1.2 单模光纤
• 芯径为50或62.5微米 渐变多模光纤的缺陷：
• 不同模式间相互干扰, 产生模噪声、模色散 • 残余色散 • 实际的折射率分布并非连续分布
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4.1.2 单模光纤
普通阶跃单模光纤
• 阶跃折射率分布，折射率差为0.36%
• 纤芯直径足够小，传输模式只有一个HE11
• 避免了模色散、模噪声
波导色散：入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的 距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导结构引起的，由此产生的脉冲展宽现 象叫做波导色散。
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4.1.3 色散位移单模光纤
材料的固有色散取决于光速随 波长增大还是减小，n~n(λ)， 可正可负
石英材料色散和波导色散在 1310nm附近恰好互相抵消
它是在石英光纤中沿轴向均匀排列着空气 孔,从光纤端面看, 存在周期性的二维结构, 如果其中1个孔遭到破坏和缺失,则会出现 缺陷, 光能够在缺陷内传播。
材料不存在折射率差，而是通过周 期性结构的变化实现纤芯和包层的 功能
图4.13典型光子晶体的横截面结构
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• 纤芯-包层折射率差大 • 有效面积小 • 波导色散非常大
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4.2 其它材料光纤
4.2.1 塑料光纤 4.2.2 光子晶体光纤 4.2.3 掺稀土元素光纤 4.2.4特种材料光纤
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4.2.1 塑料光纤
• 优点：轻便、廉价、柔软、易于处理等 • 缺点：损耗大、温度特性、耐久性差 跟普通光纤的区别之处： • 适用于图像传输和照明 • 纤芯和包层的折射率差比较大 • 一般纤芯直径大，数值孔径大
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自然界中的 光子晶体现 象
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光子晶体光纤的导光机制
1、 光子禁带（PBG ） 六边形晶格结构存在完全的二维禁带，
即在一定频率范围内光无法在横向传播。 2、全反射
利用周期性排列的空气孔形成纤芯和包 层结构，使传输光能够满足全反射条件。
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4.2.2 光子晶体光纤的特性
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4.1.3 非零色散位移光纤
G.655标准，其色散值为
0.1~6ps/(nm km )
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4.1.3 非零色散位移光纤
零色散点小于1500nm 波长
在C波段，光纤的色散 为正值更容易补偿
色散曲线为正的部分倾 斜度小，因而在铒光纤 波段上，色散幅度的起 伏更小。
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4.1.3 非零色散位移光纤
长波长非零色散位移光 纤的零色散波长值约为 1640nm
负色散值可以部分补偿 直接调制半导体激光器 光源的正波长啁啾—— 使相对便宜的激光发射 机能达到2.5Gbit/s的数 据率。
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4.1.3 小色散斜率光纤
改变光纤的色散能使之 适用于密集波分复用系 统的另一种方法是减小 色散曲线的斜率。 但是有效面积也相应变 小，单位面积的功率密 度增加，非线性效应增 强。
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4.2.1 塑料光纤
500nm附近，损 耗为70dB／km
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4.2.1 塑料光纤
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氟化的塑料光纤 在800～1340nm 的宽带内的衰减 约为60dB／km， 这使得它们可以 工作在850nm和 1300nm通信窗口。
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4.2.2 光子晶体光纤
• 无休止单模特性：所有波长上都支持单模传输
条件：空气孔径与孔间距之比必须不大于0.2
原因：
1. 波长变短时, 模式电场分布更加集中于纤芯, 延伸 入包层的部分减少, 从而提高了包层的有效折射率, 减少了折射率差
2. 波长降低到一定程度时,高阶模光从孔间泄漏出去
• 凹陷包层单模光纤 • 折射率分布图
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4.1.3 色散位移单模光纤
色散的概念：在光学中一般所说的色散是指材料色散，在光纤光学中包括材料色 散和波导色散。光纤色散可以使脉冲展宽，而导致误码。这是在通信网中必须避 免的一个问题，也是长距离传输系统中需要解决的一个课题。 材料色散：n=n(λ)，光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。