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    [分享]RP 系列 激光分析设计软件 | 无源光纤( 第十部分) [复制链接]

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    只看楼主 正序阅读 楼主  发表于: 2022-09-15
    教程包含以下部分: G_4P)G3H  
    ① 玻璃光纤中的导光 ^:ngHue8~  
    ② 光纤模式 0\*<k`dY  
    ③ 单模光纤 *3($s_r>  
    ④ 多模光纤 S`@*zQ  
    ⑤ 光纤末端 tTp`e0L*m  
    ⑥ 光纤接头 C,u.!g;lm  
    ⑦ 传播损耗 "T=LHjE  
    ⑧ 光纤耦合器和分路器 4 jro4B`  
    ⑨ 偏振问题 (5;xs  
    ⑩ 光纤的色散 ?7a[| -  
    ⑪ 光纤的非线性 Xrn~ ]P7  
    h1)\.F4G  
    ⑫ 光纤中的超短脉冲和信号 OXV@LYP@  
    ⑬ 附件和工具 XX6)(  
    f+AIxSw  
    这是 Paschotta 博士无源光纤教程的第 10 部分 H`@7o8oj1  
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    第十部分:光纤的色散 dUSuhT  
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    色散是光在光纤中传播的相速度和群速度取决于光频率的现象。它与光纤的许多应用有关。例如,它对光纤通信中电信信号的传播和超短脉冲的传播有很大的影响。 ,#Y".23G  
    N6'Y N10  
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    色散的起源 v*v&f!Ym&s  
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    在光纤中,色散来自两个完全不同的来源: $y}Tbm  
    玻璃材料具有一些材料色散,例如应用于在该玻璃的均匀片中传播的平面波。这意味着折射率与波长有关。 BJ/%{ C`g  
    还有波导色散:由于在光纤中我们没有平面波(即使光纤模式通常具有平面波前),而是空间受限的光波,因此修改了色散。 + P.Ir  
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    了解波导色散 enM 3  
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    v<4zcMv  
    考虑一个有点人为的情况,波导色散更容易理解:从端面看,光纤纤芯为方形而不是圆形,在 x 和 y 方向上的宽度为 a 。我们还假设高指数对比度,因此至少低阶模式在核心之外基本上没有强度。在这种情况下,每个模场(在纤芯内)本质上是四个平面波的叠加。有两个在 ± x 方向具有波矢量分量,另外两个在 ± y 方向具有波矢量。 `mVH94{+I  
    由于模式场必须在核心的边缘消失,波矢量的 x 分量必须满足条件 k x  a  =  j x  π 和正整数模式索引 j x。( k x 是 x 方向上每单位长度的相位超前。)类似的规则适用于 y 方向。图 1 显示了 j x = 3 和j y = 4 的横向幅度分布。 P) #rvTDRw  
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    图 1: “方形纤芯光纤模式的幅度分布。 Uz_{jAhW]  
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    对于色散,重要的是 z 方向的相位超前。相位常数为: ` (<>`  
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    这是由一个简单的计算得出的:我们有一定幅度的波矢量,由核心的波长和折射率 n 决定,并且该波矢量具有根据毕达哥拉斯定律加起来的横向和纵向分量。 9UX-)!  
    我们现在看到,高阶模式具有较低的相位常数 β ,主要是因为它们的波矢量分量更强烈地相对于光纤轴倾斜。这意味着它们的相速度v ph  =  ω  /  β 高于基本(最低阶)模式的相速度。 $2 0*&4y^  
    群速度是导数 d β  /  d ω 的倒数。由于每个模式都具有与波长无关的横向分量,因此对于高阶模式,它的 β 随频率上升得更快(随着频率的增加,2 π n  /  λ 的增加而不增加横向分量意味着纵向分量的上升更快。)因此,高阶模式具有较低的群速度。 :+n7oOV  
    EIAT*l:NW  
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    多模光纤的色散 +H_Z!T.@  
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    xk9]jQ7  
    在实际光纤中,由于圆对称、可能是平滑的折射率分布和显着延伸到包层的模式,我们通常会遇到更复杂的情况。然而,各种基本方面与上述示例中的基本相同。作为一个更现实的例子,让我们看看多模锗硅光纤的模式。图 2 显示了指数分布和径向模式函数。 {S c1!2q  
    3%k+<ho(  
    m6}"g[nN  
    p /:L;5F  
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    图 2: 模态函数、指数剖面和有效指数的径向剖面。不同的颜色用于不同的 l 值。
    z^]nP 87  
    图 3 显示了模式的组索引。(群速度是 c 除以群指数。)由于材料色散,它们在短波长处上升。两条灰色虚线曲线显示了纤芯(在其中心)和包层的值;模式的群指数 a 大大高于这两个,已经表明波导色散的额外影响。 BDA\9m^3  
    k<y$[xV  
    fO+;%B  
    图 3: 所有模式的组指数与波长的关系。
    5UqCRz<,R  
    ​在模式截止附近,群指数经常下降,即群速度上升。这与该制度中较弱的模式限制有关。对于l  = 0的模式(黑色曲线),群速度可以接近包层的群速度。 "[G P)nC  
    我们终于可以看看群速度色散了。这本质上是群速度的频率导数。图 4 显示了所有模式的群速度如何随波长变化。这些值通常在远低于模式截止波长的纤芯和包层的值之间,并在接近截止波长的情况下升高。 G[<iVt$y  
    99x]DY  
    8u4]@tJH  
    图 4: 所有模式的群速度色散与波长的关系。
    (另请参阅所用仿真模型的更完整描述。) EC7o 3LoND  
    当然,色散特性取决于详细的折射率分布。这给了我们机会,例如,定制电信光纤的色散特性。这尤其适用于长距离数据传输中使用的单模光纤。例如,具有 W 形折射率分布的色散位移光纤,其中零色散波长已从 1.3-μm 区域(对于单模石英光纤自然是该区域)移动到 1.5-μm 区域,使用掺铒光纤放大器的现代电信系统运行的地方。零色散实际上并不总是有益的。一种也使用色散平坦光纤,具有降低的群速度色散的波长依赖性,即低的高阶色散。 );C !:?  
    不幸的是,无法获得任意色散分布。对于常见的全玻璃纤维,存在严重的局限性。例如,无法在可见光波长范围内获得异常色散(负 GVD)。还要注意,人们关心各个方面,例如有效模式面积、弯曲损耗和制造公差,并且可以进行权衡。 : &]%E/  
    包含微小气孔的光子晶体光纤可以实现更高程度的色散控制。气孔的放置为优化提供了很大的空间。在这里,可以例如获得可见波长范围内的反常色散。请注意,此类光纤的计算更加困难,具有高折射率对比度,并且部分基于不同的光导原理。 RV~w+%f  
    但是请注意,这些方法都没有在大模面积光纤中控制色散的潜力。如此大的模式总是具有接近相应纤芯材料中波数的相位常数( β 值),波导色散的影响非常小这本质上是因为大模式具有类似于平面波的色散行为,具有较弱的衍射和波导效应。 I]h+24_S  
    zR:S.e<  
    光纤链路中的色散 [69aTl>/  
    ;tj_vmZ@R  
    有人可能认为色散总是不利于在光纤链路中传输电信信号,因为它往往会在时间上传播和扭曲信号。实际上,色散(以及模间色散)会引入色散功率损失,即需要更多的光功率来实现相同的比特率。因此,一段时间以来,人们似乎应该在接近标准石英光纤的零色散波长( ZDW )的 1.3-μm 波长范围内操作光纤链路,或者使用带有 ZDW 的色散位移光纤。1.5-μm 波长区域,其中掺铒光纤放大器可以使用。然而,事实证明,特别是在使用波分复用时,最好有一定量的色散,因为这样可以减轻非线性效应。有关更多详细信息,请参见关于光纤非线性的第 11 部分和关于脉冲和信号的第 12 部分。 7@ZL(G  
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    下一期将介绍第十一部分:光纤的非线性 w% M0Mu  
    ​敬请关注! !#3R<bW`R8  
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