Fiber Optics: Physics and Technology

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Mitschke F. Fiber Optics.. Physics and Technology (Springer, 2010)(ISBN 364203702X)(O)(299s)_EO_.pdf (6.24 MB, 下载次数: 1916 )

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Contents
I Introduction 1
1 A Quick Survey 3
II Physical Foundations 13
2 Treatment with Ray Optics 15
2.1 Waveguiding by Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Step Index Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Modal Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4 Gradient Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5 Mode Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.6 Shortcomings of the Ray-Optical Treatment . . . . . . . . . . . . 24
3 Treatment with Wave Optics 25
3.1 Maxwell’s Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2 Wave Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 Linear and Nonlinear Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.1 Linear Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.2 Nonlinear Case . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Separation of Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.5 Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.6 Solutions for m = 0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.7 Solutions for m = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.8 Solutions for m > 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.9 Field Amplitude Distribution of the Modes . . . . . . . . . . . . 38
3.10 Numerical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.11 Number of Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.12 A Remark on Microwave Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.13 Energy Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Chromatic Dispersion 47
4.1 Material Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.1 Treatment with Derivatives to Wavelength . . . . . . . . . 50
4.1.2 Treatment with Derivatives to Frequency . . . . . . . . . 51
4.2 Waveguide and Profile Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 Normal, Anomalous, and Zero Dispersion . . . . . . . . . . . . . 54
4.4 Impact of Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.5 Optimized Dispersion: Alternative Refractive Index Profiles . . . 58
4.5.1 Gradient Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.5.2 W Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5.3 T Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.4 Quadruple-Clad Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.5 Dispersion-Shifted or Dispersion-Flattened? . . . . . . . . 62
4.6 Polarization Mode Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6.1 Quantifying Polarization Mode Dispersion . . . . . . . . . 64
4.6.2 Avoiding Polarization Mode Dispersion . . . . . . . . . . 65
4.7 Microstructured Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.7.1 Holey Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.7.2 Photonic Crystal Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.7.3 New Possibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5 Losses 75
5.1 LossMechanisms in Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Bend Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.3 Other Losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.4 Ultimate Reach and Possible Alternative Constructions . . . . . 80
5.4.1 Heavy Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4.2 Hollow Core Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
5.4.3 Sapphire Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4.4 Plastic Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
III Technical Conditions for Fiber Technology 85
6 Manufacturing and Mechanical Properties 87
6.1 Glass as aMaterial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.1.1 Historical Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.1.2 Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.1.3 How Glass Breaks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.2 Manufacturing of Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2.1 Making a Preform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.2.2 Pulling Fibers from the Preform . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3 Mechanical Properties of Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.1 Pristine Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.2 Reduction of Structural Stability . . . . . . . . . . . . . . 99
7 How to Measure Important Fiber Characteristics 101
7.1 Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.2 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.3 Geometry of Fiber Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
7.4 Geometry of Amplitude Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.4.1 Near-Field Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.4.2 Far-Field Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.5 CutoffWavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.6 Optical Time Domain Reflectometry (OTDR) . . . . . . . . . . . 114
8 Components for Fiber Technology 117
8.1 Cable Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.2 Preparation of Fiber Ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
8.3 Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3.1 Nonpermanent Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
8.3.2 Permanent Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8.4 Elements for Spectral Manipulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.4.1 Fabry–Perot Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.4.2 Fiber–Bragg Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.5 Elements for Polarization Manipulation . . . . . . . . . . . . . . 125
8.5.1 Polarization Adjusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.5.2 Polarizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.6 Direction-Dependent Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.6.1 Isolators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
8.6.2 Circulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.7 Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
8.7.1 Power Splitting/Combining Couplers . . . . . . . . . . . . 131
8.7.2 Wavelength-Dependent Couplers . . . . . . . . . . . . . . 133
8.8 Optical Amplifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.8.1 Amplifiers Involving Active Fibers . . . . . . . . . . . . . 135
8.8.2 Amplifiers Involving Semiconductor Devices . . . . . . . . 138
8.9 Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.9.1 Light from Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.9.2 Luminescent Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.9.3 Laser Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.9.4 Fiber Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.10 Optical Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
8.10.1 Principle of pn and pin Photodiodes . . . . . . . . . . . . 146
8.10.2 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.10.3 Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.10.4 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
8.10.5 Avalanche Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
IV Nonlinear Phenomena in Fibers 151
9 Basics of Nonlinear Processes 153
9.1 Nonlinearity in Fibers vs. in Bulk . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
9.2 Kerr Nonlinearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.3 Nonlinear Wave Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
9.3.1 Envelope Equation Without Dispersion . . . . . . . . . . 156
9.3.2 Introducing Dispersion by a Fourier Technique . . . . . . 158
9.3.3 The Canonical Wave Equation: NLSE . . . . . . . . . . . 160
9.3.4 Discussion of Contributions to the Wave Equation . . . . 161
9.3.5 Dimensionless NLSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
9.4 Solutions of the NLSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
9.4.1 Modulational Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
9.4.2 The Fundamental Soliton . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
9.4.3 How to Excite the Fundamental Soliton . . . . . . . . . . 170
9.4.4 Collisions of Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
9.4.5 Higher-Order Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
9.4.6 Dark Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
9.5 Digression: Solitons in Other Fields of Physics . . . . . . . . . . 178
9.6 More χ(3) Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
9.7 Inelastic Scattering Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
9.7.1 Stimulated Brillouin Scattering . . . . . . . . . . . . . . . 183
9.7.2 Stimulated Raman Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . 188
10 A Survey of Nonlinear Processes 193
10.1 Normal Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.1.1 Spectral Broadening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
10.1.2 Pulse Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
10.1.3 Chirped Amplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
10.1.4 Optical Wave Breaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
10.2 Anomalous Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
10.2.1 Modulational Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
10.2.2 Fundamental Solitons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
10.2.3 Soliton Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
10.2.4 The Soliton Laser and Additive Pulse Mode Locking . . . 202
10.2.5 Pulse Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
10.2.6 Self-Frequency Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
10.2.7 Long-Haul Data Transmission with Solitons . . . . . . . . 207
V Technological Applications of Optical Fibers 209
11 Applications in Telecommunications 211
11.1 Fundamentals of Radio Systems Engineering . . . . . . . . . . . 211
11.1.1 Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
11.1.2 Modulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
11.1.3 Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
11.1.4 Coding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
11.1.5 Multiplexing in Time and Frequency: TDM and WDM . 218
11.1.6 On and Off: RZ and NRZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
11.1.7 Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
11.1.8 Transmission and Channel Capacity . . . . . . . . . . . . 224
11.2 Nonlinear Transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
11.2.1 A Single Wavelength Channel . . . . . . . . . . . . . . . . 226
11.2.2 Several Wavelength Channels . . . . . . . . . . . . . . . . 229
11.2.3 Alternating Dispersion (“Dispersion Management”) . . . 231
11.3 Technical Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
11.3.1 Monitoring of Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
11.3.2 Eye Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
11.3.3 Filtering to Reduce Crosstalk . . . . . . . . . . . . . . . . 236
11.4 Telecommunication: A Growth Industry . . . . . . . . . . . . . . 238
11.4.1 Historical Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
11.4.2 The Limits to Growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
12 Fiber-Optic Sensors 247
12.1 Why Sensors? Why Fiber-Optic? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
12.2 Local Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
12.2.1 Pressure Gauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
12.2.2 Hydrophone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
12.2.3 Temperature Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
12.2.4 Dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
12.3 Distributed Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
12.4 The Status Today . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
VI Appendices 257
A Decibel Units 259
A.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
A.2 Absolute Values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
A.3 Possible Irritations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
A.4 Beer’s Attenuation and dB Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
B Skin Effect 263
C Bessel Functions 265
C.1 Terminology for the Various Functions . . . . . . . . . . . . . . . 265
C.2 Relations Between These Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
C.3 Recursion Formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
C.4 Properties of Jm and Km . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
C.5 Zeroes of J0, J1, and J2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
C.6 Graphs of the Most Frequently Used Functions . . . . . . . . . . 267
D Optics with Gaussian Beams 269
D.1 Why Gaussian Beams? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
D.2 Formulae for Gaussian Beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
D.3 Gaussian Beams and Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . 271
E Relations for Secans Hyperbolicus 273
F Autocorrelation Measurement 275
F.1 Measurement of Ultrashort Processes . . . . . . . . . . . . . . . . 275
F.1.1 Correlation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
F.1.2 Autocorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
F.1.3 Autocorrelation Measurements . . . . . . . . . . . . . . . 277
F.1.4 A Catalogue of Autocorrelation Shapes . . . . . . . . . . 278
Bibliography 281
Glossary 293
Index 299

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