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1、光頻率介質纖維表面波導高錕(G.A.Hockham)關鍵詞：光學纖維，波導摘要：折射率高于周圍區(qū)域的介質纖維是作為在光頻段引導傳輸?shù)目赡艿慕橘|的一種介電波導形式。文章中討論的這種特殊的結構形式是圓的橫截面。用作通信目的的光波導傳播模式的選擇通常主要考慮損耗特性和信息容量。文章中討論了介電損耗，彎曲損耗和輻射損耗并且討論了與信息容量相關的模式穩(wěn)定，色散和功率控制，同時也討論了物理實現(xiàn)方面，也包含了對對光學和微波波長的實驗研究。主要符號列表：n階的第一類貝塞爾函數(shù)2修正的第二類n階的變型貝塞爾函數(shù)，波導的相位系數(shù)的一階導數(shù)的一階導數(shù)衰減系數(shù)或輻射波數(shù)相對

2、介電常數(shù)自由空間傳播系數(shù)光纖半徑縱向傳播系數(shù)波耳茲曼常數(shù)絕對溫度，等溫可壓縮性波長折射率第階Hankel函數(shù)的第階導數(shù)的導數(shù)方位角傳播系數(shù)調制周期下標是整數(shù)，下標是0的第個根。1.簡介折射率高于周圍區(qū)域的介質纖維是一種介電波導，它代表了光頻段中能量有向傳輸?shù)囊环N媒介。這種結構形式引導電磁波沿著不同折射率區(qū)域的特定邊界傳播，相關電磁場部分在光纖內部分在光纖外。外部電磁場在垂直于傳播方向上是逐漸消失的，以且在無窮遠處以近似指數(shù)的形式衰減到零。這種結構經常被稱為開放波導，以表面波模式傳播。下面要討論的是具有圓形截面的特種介質纖維波導。2．介質纖維波導具有圓

3、形截面的介質纖維能夠傳輸所有的H0m模、E0m模和HEnm混合模。通過解臨界狀態(tài)的麥克斯韋方程組可以得到特征方程如下（臨界狀態(tài)由物質結構確定）：對于HEnm模(1)對于E0m模（2）對于H0m模（3）輔助方程定義了u1和u2之間的關系，如下，1and2其中下標1和2分別指纖芯和外圍部分。除了最低階HE11混合模外，所有模都存在截止頻率。HE11模可認為存在兩個正交偏振模，且隨著結構尺寸的減小，光纖外部傳輸?shù)哪芰堪俜直葧鄳龃?。因此，當在HE11模中實現(xiàn)波導時，有可能通過充分減小光纖直徑來實現(xiàn)單模傳輸，在這種條件下，相當大一部分能量在光纖外部傳播。如

4、果外部介質比內部的電介質媒介損耗更低就會減少波導的衰減。正因為有這些特性，HE11模式引起了特別的關注。傳輸HE11模介質纖維可用于光頻段，其物理和電磁方面的特性會在下面詳細說明，繼而得到用于長距離通信波導的可行性和預期性能的相關結論。3．材料方面介質纖維波導的損耗主要由構成光纖和周圍介質的材料的損耗確定的，而光纖內外傳輸能量的比例和兩種介質的相對損耗決定了其對全部損耗的相對貢獻。總之，人們希望在兩種介質中都有較低的損耗，以便得到令人滿意的低衰減的光波導。3.1物質損耗特性電介質中大部分的損耗都是由吸收和散射現(xiàn)象導致的，包含的特殊機制因每種材料而不同

5、且取決于傳播波長。我們證實了波長在0.1~100um之間的物質損耗特性，該波長范圍內介質纖維波導的物理尺寸和信息容量都易于得到。3.1.1散射：產生散射的原因有以下幾點（a）材料結構無序性（b）結構缺陷（c）微粒雜質（d）無規(guī)則波動。對于晶體材料，前兩個原因占主要部分。多晶材料和部分非晶態(tài)部分晶態(tài)的材料結構無序，這導致了很高的散射損耗。單晶材料是有序的但可能會有結構缺陷；如果缺陷不明顯且與波長相比體積很小的話，散射損耗可能不會很大。然而，通常很難得到較長尺寸的這種材料。對于非晶態(tài)材料，比如有機聚合物和無機玻璃，（c）和（d）因素就更主要了。有機聚合物

6、經常含有直徑遠遠大于1um的化學微塵，這是由制造環(huán)境的無法控制導致的。這種不好的性質可通過無塵環(huán)境和制備過程中再蒸餾單體和催化劑來消除。對于無機玻璃來說，相關溫度足夠高可以使得大部分雜質顆粒發(fā)生化學分解，導致這些微粒成為雜質中心。玻璃態(tài)是液體過冷的結果，從而使玻璃態(tài)固體保持著液態(tài)的部分基本性質，因此會出現(xiàn)材料密度的局部波動，由此引起的散射可表述如【2】：對于虛擬溫度為1000℃的無機玻璃，散射損耗大約為1dB/km。虛擬溫度是玻璃粘度增大到玻璃可看作固態(tài)時的溫度值。對玻璃態(tài)材料來說晶粒形成是一種結構缺陷，玻璃態(tài)材料中的晶粒大小可通過冷卻速率控制。光纖

7、的冷卻速率很大，這就使得晶粒既少又小?？焖倮鋮s玻璃的結晶引起的散射遵循瑞利散射定律，即損耗正比與λ-4。據(jù)估計波長1um處損耗大約是每公里幾個分貝。3.1.2吸收：由于分子的緊密堆積，固體中通常有很寬的吸收帶，它們是由分子和電子系統(tǒng)的自然振動頻率產生的。在這些頻率附近，外部電磁場的能量耦合到分子和電子系統(tǒng)的振動中。在波長1-100μm范圍內，許多縱向和旋轉分子的共振幾乎存在于所有的物質中，尤其是長鏈聚合物。較強的吸收遍布大部分范圍。在0.1—0.3μm范圍內存在電子共振吸收帶寬，中間區(qū)域（例如0.3-1μm）共振吸收現(xiàn)象相對缺乏，說明了材料在這個區(qū)域

8、的損耗較低。在無機玻璃中，吸收是由雜質離子的存在而產生的。我們知道在高質量的光學玻璃中，在1-3μm的波長范