现代通信技术第3版魏东兴光纤CH2章节(1089KB).ppt

尚辅网 / 第2章 光纤和光缆 本章内容： 2.1 光纤结构和类型 2.2 光纤的几何光学分析 2.3 光纤的波动光学分析 2.4 光纤的传输特性 2.5 光纤中的非线性光学效应 2.6 光缆及连接技术 2.1? 光纤结构和类型 包层n2 纤芯n1 涂敷层 光纤的结构 纤芯： 极高纯度的SiO2，其中掺入极少量的磷或锗掺杂剂，以提高纤芯的折射率n1 。 包层：含有极少量掺杂剂的SiO2，只是掺杂剂为氟或硼，以降低包层的折射率。这样使包层的折射率略小于纤芯的折射率n2 涂敷层，其作用是保护光纤不受水气的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性。 塑料外套：加在涂敷层外，起保护作用。 2.1.1 ? 光纤结构 2.1.2光纤类型 图2-2 阶跃光纤和渐变光纤折射率分布 1. 按光纤横截面上折射率分布的情况来分类 : 阶跃折射率型光纤(简称阶跃光纤) 渐变折射率(也称梯度折射率)型光纤(简称渐变光纤或梯度光纤) 见下图 光纤中的传输模式数量分类多模光纤、单模光纤 图2-3 三种基本类型的光纤 式（2-1）： 当nln2 ，定义临界角 当?1 ?C ，全反射 2.2 光纤的几何光学分析 入射角=反射角 ?1＝ ?1 折射定律 2.2.1 射线理论要点 SNELL 定律（反射定律+折射定律） 2.2.2 光在多模阶跃光纤中的传输 子午线 偏射线 2.2.2 光在多模阶跃光纤中的传输 NA表示了光纤接收光的能力 定义数字孔径NA (2-3)式中设n0=1，真空折射率 因为n1和n2 相差很小，NA可近似表示 实际上?越大， ? 也越大，模式色散增加。 NA越大，光纤接收光的能力越强，即? 应该越大。 实际上? 很小，因为最短光线的耗时与最长光线的耗时差?： 2.2.3光在多模渐变光纤中的传输 去2.4 (2-8) 完全自会聚应满足(2-8)式： 可大大地降低模式色散 光在介质中的传播速度: v=c/n 子午线传播情况如图2-7所示。 2.3 光纤的波动光学分析 由麦克斯韦方程组 +物质方程得出： (2-10) (2-11) (2-12) (2-13) (2-14) (2-15) 2.3.1波动方程 得出波动方程 简谐振荡场波动方程(亥姆霍兹 Helmholtz）为： ?2E+k2E=0 ?2H+k2H=0 （ 矢量Helmholtz ） 其中:k=nk0 k0=2?/?,在直角坐标系中，E、H的三个分量均满足： ?2?+k2 ?=0 或 ?· ? ?+k2 ?=0 (标量Helmholtz ) 几个近似条件： 线性响应，均匀各向同性：?、?为标量: ? ?=0、 ? ?=0（弱导） 无源、不导电：J=0 , ?=0 , ? = 0 简谐振荡场，?/?t= j? ?2/?t2 =-?2 2.3.2 光纤中的模式 上式代入Helmholtz方程，得（2-18）式： 其中Ez为：Ez=E0exp[j(?t-?z)]，得（2-26）式： 上下两式分别表示纤芯和包层的电场分布，其中振幅分别由Jm和Km表示，见图2-8 将Helmholtz方程放到圆柱坐标系中求解： 其中上式中： 2.3.2 光纤中的模式（C1） 同理可得其它几个分量Hz 、 E? 、 H? 、 Hr 、 Er 利用边界条件，切向分量（z向）连续及法向分量(r径向)梯度连续的边界条件： 一个?或b就是一个传输模式，从左图可以读出单模传输的条件 可得到色散方程或特征方程，进而得到传播常数?mn 如图2-9，纵轴归一化?——b，见（2-30）式，横轴由（2-29）式决定 式中：V——归一化频率 b——归一化传输常数 2.3.3 单模光纤的模式特性 该式取等号对应的?= ?c为截止波长,??c为单模传输,??c为多模传输 单模时，只支持单一的基模HE11 单模传输时,可以调整a值,所以a值比较小 单模传输条件，由J(V)=0（芯幅度为0）可得 ： 水平x轴极化的电场分布表达式： （2-32） 双折射 光纤圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此，HE11（LP01）模的x-偏振模HE x11（Ey=0）和y-偏振模HE y 11（Ex=0）具有相同的传输常数（?x=?y），两个偏振模完全简并。 实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必然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（?x≠?y）——双折射。 定义两个偏振模具有不同的传输常数?x、?y之差为双折射?? 。归一化： （2-33） 把两个正交偏振