光纤通信第一章--光纤的基本理论

CH1光纤通信B授课老师：覃国车Email：[e-mail]2015年秋CH1教材：顾畹仪，《光纤通信》（第2版），人民邮电出版社，2011。参考书：1.JosephC.Palais，《光纤通信》（第5版），电子工业出版社，2015。2.王辉等，《光纤通信》(第3版)电子工业出版社，2014。3.马丽华等，《光纤通信系统》北京邮电大学出版社，2009。CH1第1章光纤的基本理论1.光纤的结构与分类2.光纤的射线光学分析3.光纤的波动光学理论4.光纤的损耗5.光纤的色散6.光纤的非线性效应CH1一、光纤的结构CH1一、光纤的结构纤芯：位于光纤中心，直径2a为5～75μm,作用是传输光波。包层：位于纤芯外层，直径2b为100～150μm,作用是将光波限制在纤芯中。纤芯和包层即组成裸光纤，两者采用高纯度二氧化硅（SiO2）制成。CH1一、光纤的结构为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率n1小，即光纤导光的条件是n1＞n2。CH1一、光纤的结构一次涂覆层纤芯包层套层一次涂覆层包层纤芯套层CH1一、光纤的结构一次涂覆层包层纤芯套塑层一次涂敷层是为了增强裸光纤的柔韧性而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为30～150μm。套塑层又称二次涂覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。一次涂覆层和套塑层之间填充了缓冲材料以提高裸光纤的机械强度。CH1一、光纤的结构为了使光纤能在各种环境中使用，必须把光纤与其他元件组合起来构成光缆，使其具有良好的传输性能以及抗拉、抗冲击、抗弯、抗扭曲等机械性能。光缆一般由缆芯、加强元件和护层三部分组成。CH1一、光纤的结构缆芯：由单根或多根光纤芯线组成，有紧套和松套两种结构。加强元件：用于增强光缆敷设时可承受的负荷。一般是金属丝或非金属纤维。护层：具有阻燃、防潮、耐压、耐腐蚀等特性，主要是对已成缆的光纤芯线进行保护。根据敷设条件可用铝带、聚乙烯等，护层可分为内护层和外护层。CH1二、光纤的分类(一)按光纤横截面折射率分布分类阶跃型：纤芯折射率为常数n1，包层折射率为常数n2,且n1n2,纤芯和包层相对折射率差Δ为1%～2%。CH1二、光纤的分类(一)按光纤横截面折射率分布分类渐变型：纤芯折射率在中心处为常数n1，随着半径的增大而逐渐减小，在纤芯和包层界面处减小至n2，包层折射率为常数n2。CH1二、光纤的分类(一)按光纤横截面折射率分布分类W型：在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。CH1二、光纤的分类(二)按光纤中的传导模式数量分类模式：通常将光波信号在光纤中的电磁场分布图称为“模式”。P21图1-11光纤中可以传输的模式数量取决于光纤的工作波长、光纤横截面折射率的分布和光纤的参数结构。CH1二、光纤的分类(二)按光纤中的传导模式数量分类单模光纤在给定的工作波长上只传输单一基模。在单模光纤中光线沿着平行于纤芯轴线的方向传播。2b=125μm2a10μm。多模光纤纤芯内传输多个模式的光波。在多模光纤中光线在纤芯和包层的界面来回全反射曲折向前传播，不同模式沿不同的路径传播。2b=125μm2a=50μm,62.5μmCH1二、光纤的分类(三)按光纤构成的原材料分类石英系光纤多组分玻璃光纤塑料包层光纤全塑光纤CH1射线光学理论：当光波导尺寸远大于光波长时，可忽略光波长用光射线代表光能量传输路线的方法。光纤的分析方法波动光学理论：求解满足边界条件的麦克斯韦方程组的光场。CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析全反射光纤的相对折射率差光纤的数值孔径最大群时延差nn1n2rabCH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析（一）全反射CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析阶跃光纤的子午光线1.入射角=最大入射角CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析阶跃光纤的子午光纤2.入射角最大入射角CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析阶跃光纤的子午光线3.入射角最大入射角CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析阶跃光纤的子午光线CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析（三）数值孔径CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析（三）相对折射率差CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析（四）最大群时延差CH1三、多模阶跃型光纤的射线光学理论分析CH1四、渐变折射率光纤的射线光学理论分析包层n1n11n12n2包层n11n12n2CH1四、渐变折射率光纤的射线光学理论分析1.同样的入射角，传输路径变短（入射角为零除外），从而减小最大群时延差。与阶跃型光纤比较2.离轴心越远，传播速度越快（v=c/n）,进一步减小最大群时延差。CH1四、渐变折射率光纤的射线光学理论分析CH1四、渐变折射率光纤的射线光学理论分析用射线方程可以证明，当折射率分布取双曲正割函数时，所有的子午线都具有完善的自聚焦性质。r)n(0)sech(ar)n(CH1四、渐变折射率光纤的射线光学理论分析渐变光纤中引入本地数值孔径的概念——光纤端面上某一点的数值孔径，体现了改点聚集光线的能力。CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论根据波动光学理论可知，若光纤的结构参数（a,n,Δ等）给定，则在特定波长上只有某些特定的传播模式存在。CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论光波由高速震荡的电场和磁场组成，这些场以波的形态高速传播。电磁波电场峰值幅度光波角频率传播因子k=ω/v(rad/m)光波频率光波传播方向CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论电磁波t=t1t=t2t=t3z相位光波传播距离z后产生的相移CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论如何才能形成稳定的干涉模式？t1t2t3CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论如何才能形成稳定的干涉模式？驻波图形LCH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论如何才能形成稳定的干涉模式？LZCH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论如何才能形成稳定的干涉模式？通过改变光线的入射角来改变光程，使得总相移等于2π的整数倍，从而可以产生稳定的干涉波。CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论麦克斯韦方程组0BDtDJHtBE光纤是一种无传导电流、无自由电荷且各向同性的介质光波导。CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程若电磁场做简谐振荡，由波动方程可以推导出均匀介质中的矢量亥姆霍兹方程：传播因子介质折射率真空中的传播因子真空中的光波波长CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程在直角坐标系中，电场和磁场的x、y、z分量均满足标量的亥姆霍兹方程CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解假设光纤为弱导波光纤（Δ很小），则可认为光纤里的横向电磁场的幅度满足标量亥姆霍兹方程，因此可求出近似解，即为标量阶。CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解选择横向电场的偏振方向沿y轴，则它满足标量亥姆霍兹方程：在圆柱坐标系中展开CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解采用分离变量法求解得：常数电场强度沿光纤径向变化状态电场强度沿圆周方向变化状态电场强度沿光纤轴向变化状态CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解电场强度沿z向呈行波状态：θkhβ纤芯和包层界面全反射角纵向传播因子/相位常数CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解电场强度沿圆周方向呈驻波状态：CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解将Ey=R(r)Θ(θ)Z(z)代入标量亥姆霍兹方程，得：CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解M阶贝塞尔函数CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解m阶第2类修正贝塞尔函数CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论亥姆霍兹方程——标量解CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量解——几个重要参数归一化径向相位常数U：归一化径向衰减常数W：CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量解——几个重要参数光纤归一化频率V：CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量解CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量解纤芯中的波阻抗包层中的波阻抗CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量解CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量解的特征方程CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量解的特征方程CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性1.V→∞值情况下相当于光在折射率为n1的无限大空间中传播θkβCH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性1.V→∞值情况下CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性1.V→∞值情况下CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性U=μmn为使得Jm(x)=0的第n个根。1.V→∞值情况下nm012102.404833.8317123.831715.520087.0155937.015598.6537310.17347CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性1.V→∞值情况下的几点结论CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性2.LPmn模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性2.LPmn模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件以归一化衰减常数W的取值作为衡量标准CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性2.LPmn模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件以归一化衰减常数W的取值作为衡量标准归一化截止频率截止时的归一化径向相位常数CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性2.LPmn模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性2.LPmn模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性2.LPmn模的截止条件，归一化截止频率和单模传输条件mn012102.404833.8317123.831715.520087.0155937.015598.6537310.17347CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论标量模及其特性CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论矢量解求满足边界条件的矢量亥姆霍兹方程的解即为矢量解。在圆柱坐标系中出Ez，Hz外，其他横向分量都不满足标量的亥姆霍兹方程。矢量解法从Ez，Hz的标量亥姆霍兹方程入手，再通过场的横向分量与纵向分量的关系求解其他分量。CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论矢量解TE模和TM模CH1五、阶跃折射率光纤的波动光学理论矢量解EH模和HE模CH1六、光纤的损耗光纤对光波产生的衰减作用称为光纤的损耗。CH1六、光纤的损耗产生损耗的原因吸收本征吸收非本征吸收红外吸收紫外吸收杂质吸收过渡金属离子OH根离子原子缺陷CH1六、光纤的损耗产生损耗的原因散射本征散射非本征散射瑞利散射波导散射玻璃密度不均匀各种氧化物成分分布不均匀CH1六、光纤的损耗产生损耗的原因其他光纤弯曲引起的辐射损耗非线性效应引起受激散射连接损耗、耦合损耗CH1六、光纤的损耗损耗系数损耗系数定义为单位长度（km）光纤引起的光功率衰减。光纤输入功率光纤输出功率CH1六、光纤的损耗损耗系数CH1七、光纤的色散色散是指介质的折射率n随波长λ而变化的现象.即n=f(λ)。正常色散：介质的折射率n随波长λ的增加而减小的色散。反常色散：介质的折射率n随波长λ的增加而增加的色散。CH1七、光纤的色散光纤的色散是在光纤中传输的光信号随传输距离增加，由于不同频率成分或不同传播模式的光传输时延不同引起的脉冲展宽的物理效应。色散主要影响系统的传输容量，也对中继距离有影响。产生色散的原因CH1七、光纤的色散模式色散在光纤中同一波长光