电磁场课件第三章光波导

§3.5光波导光波导是一个统称，光导纤维（光纤）是目前在信息技术中应用最广泛的导波机构。光波导属于介质波导，利用两种介质边界条件导引光波的传输。光纤与一般微波段使用的介质波导相比，其工作频率要高得多（光波长为微米级），横截面的尺寸也小得多，所以称其为光导纤维，简称为光纤。一光纤的结构型式及导光机理二单模光纤的标量近似分析光纤的结构多芯光缆一光纤的结构型式及导光机理1光纤的基本结构光纤是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。光纤是由折射率为n1的光学玻璃拉成的纤维作芯,表面覆盖一层折射率为n2(n2<n1)的玻璃或塑料作为套层所构成,也可以在低折射率n2的玻璃细管内充以折射率为n1(n2<n1)的介质。包层除使传输的光波免受外界干扰之外,还起着控制纤芯内传输模式的作用。光纤结构参数几何参数：芯线的半径，包层的半径介质参数：芯线折射率n1，包层的折射率n2光纤分类光纤按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层玻璃芯光纤和全塑料光纤。按折射率分布形状可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。按传输模式可分为多模光纤和单模光纤。2全反射与光纤导光机理光波作为一种电磁波波长非常短，在空间传播可以用直线来描述。在界面上反射折射可以用光线满足反射、折射定律来描述。芯线和包层折射率满足条件，光线就会以全反射的形式在光纤中传播。3描述农光纤驶的特静性参扬量描述段光纤傻的基惠本参泽数除世了光丹纤的饿几何蜻参数吓和介陷质参润数外,还有夫光波钥波长λg、光设纤芯狂与包悄层的越相对录折射睁率差Δ、折侵射率嫁分布四因子g以及伐数值不孔径NA等为矿了描碑述光舟纤特邻性定堤义的悼特性掩参数渡。光波屯波长λg同描抵述电孙磁波餐传播白一样,光纤望传播队因子熟为如海下式,其中ω是传他导模擦的工扫作角乔频率,钳β为光干纤的性相移敞常数够。对于理传导薪模,也应馋满足啊一定陆的条干件。相对临折射判率差Δ光纤捎芯与坡包层功相对要折射杆率差Δ定义界为下呼式；Δ越大为，把郑光能浸量束鬼缚在字纤芯擦的能纹力越敞强，番但信库息传肺输容菊量却灵越小镰。它反默映了朵包层伸与光病纤芯退折射哭率的筋接近粒程度备。当Δ～0时,称此统光纤厉为弱帆传导季光纤现。折射罚率分否布因桂子g光纤盐的折柳射率豆分布晶因子g是描禾述光乏纤折坐射率械分布叮的参暗数。付一能般情递况下,光纤包折射好率随鼻径向匠变化退如下斩式所趋示:阶跃型光纤抛物型光纤渐变型光纤三种内常用摊的光击纤波悲导数值旁孔径帅NA光纤糟的数税值孔格径N墓A是轻描述充光纤尚收集砌光能根力的悔一个纲参数菜。从几桐何光校学的喘关系打看,森并乘不是忧所有茫的入芒射到欺光纤袜端面槐上的杆光都颠能进沃入光挪纤内寄部进加行传辰播,挥都秧能从至光纤竿入射灭端进膝去从闷出射诵端出脉来,衫而叉只有驾角度钓小于扇某一均个角超度θ中的光希线,票才河能在盆光纤姑内部把传播拆。这一拳角度安的正坝弦值佳定义裁为光勇纤数析值孔剪径。光纤佩的数妈值孔唉径NA还可脂以用锋相对崖折射卧率差Δ来描蜓述；这个蝇关系及可以挂说明插为了产取得捧较大温的数淹值孔砖径,相对趴折射货率差Δ应取旧大一麻些。光纤侵波导踪蝶的数逆值孔岔径NA5光纤焦的传归输特款性描述尤光纤命传输舍特性薪的参牙数主良要有虽光纤京的损胖耗和警色散幕。光纤炒的损彩耗19汇66年7月，炊在高训锟与G.肃A.霍克惜哈姆息合作透的一装篇论亲文中残提出母：“济只要拖设法副降低扣玻璃涉纤维勉中的贫杂质艰，就全能够颂获得雨能用徐于通蓄信的棒传输辩损耗孙较低革的光肌导纤迹维。状”引起植光纤登的损咐耗的燃主要乔原因通大致嫌有光数纤材壶料不伐纯、控光纤输几何楼结构颂不完霞善及筛光纤元材料颂的本烂征损蚕耗等须。为举此可郊将光桂纤损虑耗大瘦致分漫为吸收抗损耗盗、筛散射掌损耗米和其膨它损漂耗。吸收项损耗查是指披光在殿光纤俘中传棒播时,被光共纤材地料吸齿收变教成热燥能的愧一种漆损耗,它主恒要包脑括:本征辈吸收预、杂郊质吸讨收和责原子剩缺陷当吸收雀。散射头损耗按是指缘瑞由于僻光纤平结构尖的不炸均匀,光波锅在传狼播过纤程中篇变更翻传播祥方向,使本宇来沿按内部企传播遭的一纽奉部分怎光由咬于散蓬射而桃跑到端光纤名外面席去了休。散挡射的熔结果素是使朵光波垒能量嫂减少讯。散姨射损苹耗有是瑞利晚散射具损耗外、非闭线性础效应觉散射剩损耗俱和波絮导效锋应散栋射损指耗等敢。其它瘦损耗庭包括闷由于乌光纤胳的弯岛曲或狮连接涌等引根起的葵信号枝损耗脉等。高锟——控“光纤速之父末”光纤兰电缆概是本寸世纪胁最重资要的城发明伯之一谣。发醉明光救纤电狂缆的答，就狡是被慌誉为愤“光秒纤之风父”帅的华斜人科剂学家音高锟劲。19夺68年英鹊籍华厘人高仔锟首畜先提侄出了捏光纤务通信崇的概呢念，姑按照秆他的炊理论煎，美良国康乐宁公干司制压造了立第一贪根用核于光夕纤通辫信的捐光导耐纤维座。现角在用慨光纤秤做成段的光匹缆已欲遍布步全球该，不因仅铺接设在瘦陆地踪蝶，也陆铺进吼了海挡洋。渡光纤桥通信烫彻底室改变牵了人踩类通塑讯模架式。高锟齿，华企裔物锦理学具家，昂生于恰中国搞上海颂，祖取籍江领苏金挖山（摘今上临海市咱金山镰区）犁，拥祥有英服国、确美国发国籍崖并持洗中国盛香港村居民闸身份允，目巾前在讽香港请和美眯国加苍州山板景城萄两地介居住皇。高觉锟为洒光纤箭通讯小、电疗机工安程专常家，熟华文屈媒体近誉之玻为“慈光纤裙之父疏”、俯普世鸡誉之婚为“价光纤堪通讯警之父傲”（Fa愿th花er少o竭f诊Fi货be君r金Op妙ti梳c陷Co斑mm闸un岔ic报at昆io筑ns），务曾任班香港弓中文存大学福校长匙。20练09年，司与威验拉德·博伊躲尔和肿乔治·埃尔撒伍德·史密酿斯共佳享诺迎贝尔泡物理摊学奖构。不管喂是哪少种损诞耗，茧都可宾归纳森为光吃在光店纤传叮播过钢程中绢引起勾的功季率衰坐减。懂一般刻用衰宰减常吸数α来表浊示；唯式中,衡P0、P1分别局是入裳端和手出端克功率,舅L是光信纤长挪度。当功亮率采户用dB穴m表示盒时,衰减犬常数α可用田下列卷公式芦来表窝示:由单姻模光斥纤波舌长与讨损耗徐的关售系曲途线图归可见进，在1.超3μm和1.触55做μm波长扎附近插损耗桥较低,且带败宽较珠宽。光纤晓的色晨散特减性所谓摄光纤门的色牺散是心指光维纤传收播的孤信号殿波形半发生财畸变棍的一修种物硬理现匪象,表现忠为使聚光脉忌冲宽扰度展僚宽。寄光脉餐冲变刊宽后糖有可叨能使虹到达伪接收楼端的盾前后姥两个最脉冲茄无法伸分辨,因此榜脉冲刷加宽呈就会饭限制记传送苍数据贷的速汽率,从而逐限制豆了通迎信容锁量。摆光纤合色散尚主要网有材五料色也散、波导遗色散芬和模侄间色培散三茅种色晋散效疤应。所谓骗材料巧色散轻就是邀由于乏制作信光纤筋的材慢料随辩着工牵作频菜率ω的改普变而渴变化,也即蛇光纤巩材料抓的折征射率寨不是揉常数,而是宝频率匹的函拨数(n旁=n(奇ω))惑,从而犯引起恰色散晚。波导塔色散白是由秋于波稼导的不结构针引起摔的色葱散,主要宝体现涌在相螺移常肢数β是频愚率的姿函数,在传棵输过御程中,含有阅一定骗频谱贩的调屑制信筒号,其各艇个分兄量经斩受不锹同延膝迟,必然放使信朽号发锤生畸债变。模间项色散啦是由埋于光翠纤中深不同苏模式吊有不赵同的斧群速幼度,从而玩在光申纤中幻玉传输甩时间离不一夏样,同一郊波长呢的输裁入光萍脉冲,不同亮的模产式将倘先后喇到达耍输出架端,在输航出端薪叠加驴形成拨展宽惯了的肚脉冲蔑波形绝。显然,只有兼多模骨光纤轨才会幅存在预模间选色散范。通常敏用时肢延差肿来表伞示色阶散引岂起的蔬光脉抬冲展躲宽程虫度。其中,建c为真裂空中须光速,华L为光扫纤长窗度,Δλ咐/λ为光孕源的韵相对纹谱线熟宽度泥，Dn称为晋材料筒色散油系数洒。材料朵色散挡与波都导色票散随番波长孔的变掘化呈孙相反隶的变驰化趋乘势,所以浊总会称存在妈着两蹦种色苹散大套小相随等符敢号相悠反的板波长沃区,也就渗是总荒色散软为零盟或很趴小的枣区域固。1.每55谎μm零色钱散单很模光伐纤就律是根祝据这翼一原盖理制沉成的哲。二灭单模唐光纤壳的标带量近贫似分坐析单模提光纤披芯线泼与包答层折跪射率李反差之小，茫芯线腊中光沃线平迟行于仅光线虽的轴对线。当光恋波极盆化方冈向取辞定后剃，单宰模光烤纤以蔑准TE珠M波传波播。准TE照M波纵括向场误量幅挤值远径小于节横向体场的坦幅值滴，可沾以用破标量只近似逃的方屯法分洪析单善模光星纤线径偏振典模式坑。1标量下波动些方程屈及其畏解设电蚕场沿y方向分离机变量山法Be咽ss羽el函数忆和三妇角函贵数比殊较函数类型三角函数Bessel函数驻波型行波型衰减型第一誓二类绿修正Be眯ss堡el函数光纤问正常燥导行币光芯线使内沿r方向理的驻口波包层依内沿r方向原逐渐第衰减2归一包化参骆量归一化频率芯线的特征值包层的特征值正常导行光条件R的求壶解W=胡0即R的求芹解3边界英条件占和特辫征方卸程设电齐场沿y方向特征编方程4线偏台振模蕉及其吃存在慌条件弱导稼光纤稿正常况导行酱光的致截止科条件W=阴0,代入和特征伸方程厉，可罩以计寄算方瓦程的愁根，啄不同痰根表亦述不魔同的乔传输臭模式烟；用LP询mn表示拾模式绸，n是特安征方给程根泼的序幼号;LP的意泰义是幸：线剖偏振财模式率，li勒ne凤ar吐p苗ol歉ar冲iz绳at她io译n吵mo筐dem＝0,登LP需0nLP的主假模LP01模的暗截止灾角频连率为请零，司即无晶截止早问题秤，光留纤中割只要颜有导违行光浸模就好存在生。显然LP01模是挺弱导腰光纤以中的肝主模墙。m＝1,曲LP焰1nm＝2,辫LP稀2n主模则单模闯传输泼的条危件讨论衣一LP模式朵的标威数m,纱n，表竖示相