第2章光纤和光缆-2课件.pptVIP

2.3 光纤传输特性 * 3. 多模渐变型光纤的模式特性 传输常数 多模渐变型光纤传输常数的普遍公式为 (2.31) 式中， n1、Δ、 g和k前面已经定义了，M是模式总数， m(β)是传输常数大于β的模式数。 经计算 (2.32a) (2.32b) 由式(2.32)看到： 对于突变型光纤，g→∞，M=V2/2； 对于平方律渐变型光纤，g=2，M=V2/4。  根据计算分析，在渐变型光纤中， 凡是径向模数μ和方位角模数v的组合满足 q=2μ+v (2.33) 的模式，都具有相同的传输常数，这些简并模式称为模式群。 q称为主模数，表示模式群的阶数，第q个模式群有2q个模式， 把各模式群的简并度加起来，就得到模式数m(β)=q2。 模式总数M=Q2，Q称为最大主模数，表示模式群总数。 用q和Q代替m(β)和M，从式(2.31)得到第q个模式群的传输常数 (2.34) 光强分布 多模渐变型光纤端面的光强分布(又称为近场)P(r)主要由折射率分布n(r)决定， (2.35) 式中P(0)为纤芯中心(r=0)的光强，C为修正因子。 4. 单模光纤的模式特性 单模条件和截止波长 从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。 当V值减小时，不断发生模式截止， 模式数目逐渐减少。 特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。 HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。 由此得到单模传输条件为 V=2.405 或λc= 由式(2.36)可以看到，对于给定的光纤(n1、n2和a确定)，存在一个临界波长λc，当λλc时，是多模传输，当λλc时，是单模传输，这个临界波长λc称为截止波长。由此得到 (2.36) 光强分布和模场半径 通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分布近似为高斯分布 式中，A为场的幅度，r为径向坐标，w0为高斯分布1/e点的半宽度，称为模场半径。 实际单模光纤的模场半径w0是用测量确定的，常规单模光纤用纤芯半径a归一化的模场半径的经验公式为 Ψ(r)=A exp (2.37) 0.65+1.619V-1.5+2.879V-6 =0.65+0.434 +0.0149 (2.38) w0/a与V(或λ/λc)的关系示于图2.10。 图中ρ是基模HE11的注入效率。 由图可见，在3V1.4(0.8λ/λc1.8)范围， ρ96%。 图 2.10 用对LP01模给出最佳注入效率的高斯场分布时，归一化模场半径w0/a和注入效率ρ与归一化波长λ/λc或归一化频率V的函数关系  双折射和偏振保持光纤 实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数(βx≠βy)。 在传输过程要引起偏振态的变化， 我们把两个偏振模传输常数的差(βx-βy)定义为双折射Δβ， 通常用归一化双折射B来表示， 式中， =(βx+βy) / 2为两个传输常数的平均值。 (2.39)  合理的解决办法是通过光纤设计，引入强双折射，把B值增加到足以使偏振态保持不变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输。 强双折射光纤和单模单偏振光纤为偏振保持光纤。 两个正交偏振模的相位差达到2π的光纤长度定义为拍长Lb (2.40) 双折射 偏振色散 限制系统的传输容量。 产生信号畸变的主要原因是光纤中存在色散，影响光纤传输距离的主要因素是损耗，损耗和色散是光纤最重要的传输特性： 损耗限制系统的传输距离 色散则限制系统的传输容量 2.3.1 光纤色散 1. 色散、 带宽和脉冲展宽 色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。