光通信系统设计概述

光通信系统设计概述内容要求1.2光波基础1.3光与介质的相互作用1.4平面介质波导1.2.2均匀介质中的光波1.平面电磁波光是一种电磁波，它的电场和磁场随时间不断的变化，分别用Ex和Hy表示

，在空间沿着z方向总是相互正交传输，如图1.2.4所示。最简单的行波是正弦波，沿z方向传输的数学表达式为 （1.2.5）电磁波是行波平面波的波前

是与传播方向正交的平面

相速度和介质折射率例1.2.2相速度、群折射率和群速度

1.3.1斯奈尔定律和全反射从几何光学我们可以得到（见图1.3.1左上角小图） 或者 这就是斯奈尔（Snell）定律，它表示入射角和折射角与介质折射率的关系。图1.3.2光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况图1.3.3光波从折射率较大的介质进入较小的介质,电场与传输方向正交,

并可分解为与入射面垂直的电场分量和平行的磁场分量菲涅耳方程利用电磁波从介质1传播到介质2的边界条件，可以易获得反射波和折射波幅度的表达式，这些关系式叫菲涅耳方程。电场的反射这些方程的重要意义在于，反射波和透射波的幅度和相位可用反射系数和透射系数来描述

图1.3.4在内反射（n1>n2)时由菲涅耳方程得出的反射系数幅度和相位变化与入射角的关系图1.3.5在外反射（n1<n2)时由菲涅耳方程得出的反射系数幅度与入射角的关系2.光强、反射率和透射率光强I与光波传输的速度和电场幅度有关

反射率R用反射光的强度和相对应入射光的强度之比来度量，法线入射的反射率只与介质的折射率有关因为玻璃的折射率约为1.5，所以光从空气-玻璃界面反射将有4%的光被反射回来。例1.3.1

1.3.3光多次干涉和谐振与电谐振一样，光也有谐振，在谐振时也可以在一定的频率（波长）范围内存储能量和滤光。基本的谐振腔由置于自由空间的两块平行的镜面M1和M2组成，如图1.3.8（a）所示。光波在M1和M2间反射，导致这些波在空腔内相长和相消干涉。从M1反射的光向右传输时和从M2反射的向左传输的光干涉，其结果是在空腔内产生了一列稳定不变的电磁波，我们称它为驻波(StationaryWaves)。因为在镜面上（假如镀金属膜）的电场必须为零，所以谐振腔的长度是半波长的整数倍图1.3.8法布里

珀罗(F-P)谐振腔及其特性不是任意一个波长都能在谐振腔内形成驻波，对于给定的m，只有满足式（1.3.19）的波长才能形成驻波，并记为

m，称为腔模式，如图1.3.8（b）所示。自由频谱范围（FSR）所以对应这些模式的频率是谐振腔的谐振频率式中

f是对应基模（m=1）的频率，在所有模式中它的频率最低。两个相邻模式的频率间隔是称为自由频谱范围（FSR）。法布里-珀罗（F-P）光学谐振器假如谐振腔没有损耗，即两个镜面对光全反射，那么式（1.3.21）定义的频率的峰值将很尖锐。如果镜面对光不是全反射，一些光将从谐振腔辐射出去，峰值就不尖锐，而具有一定的宽度。很显然，这种简单的镀有反射镜面的光学谐振腔只有在特定的频率内能够储存能量，这种谐振腔就叫做法布里-珀罗（Fabry-Perot）光学谐振器。F-P谐振腔的精细度

镜面反射系数R越小意味着谐振腔有越大的辐射损耗，从而影响到腔体内电场强度的分布。由式（1.3.21）可知，R越小峰值展宽越大，而且电场强度最大值和最小值的差也越小，如图1.3.8（c）所示。该图也定义了法布里

珀罗谐振腔的频谱宽度，它是单个腔模式曲线半最大值的全宽（FWHM），可用下面的简单表达式计算式中

F

称为谐振腔的精细度，它随谐振腔损耗的减小而增加（因R增加）。精细度越大，模式峰值越尖锐。精细度是模间隔对频谱宽度的比.

图1.3.9入射光通过由部分反射镜组成的法布里

珀罗谐振腔，其透射光可作为滤波器的输出法布里-珀罗光学谐振腔已广泛应用到激光器、干涉滤波器和分光镜中。

例1.3.21.4平面介质波导图1.4.1在波导中传输的光波必须与它自己相长干涉,否则相消干涉就不会建立起传输光场满足波导相长干涉的波导条件式很显然，对于给定的m，只有一定的

和

值才能满足式（1.4.1），

与

有关，也与光波的偏振态有关。因此对于每个m值，将允许有一个

m和一个相对应的

m。因，d=2a，所以满足波导相长干涉的波导条件式（1.4.1）变成（1.4.2）：波矢量分解图1.4.2m=0基模沿波导y方向的电场分布，通常入射角

=90o，沿z轴的相速度最大图1.4.3三种模式的波沿波导y方向的电场分布，

m越大光场进入包层越深，消逝波以指数衰减图1.4.4光脉冲进入波导后分裂成各种模式的波，以不同的群速度向前传输，在波导输出端重新复合构成展宽的输出光脉冲传输常数，模数m

由式（1.4.2）显然可见，只有一定反射角的光线才能在波导内传输。而且大的m值产生小的

m角。每个不同的m值将产生不同的由式（1.4.3）决定的传输常数

。m值称为模数。沿波导传输的光波可用下式来描述 （1.4.5）对于给定的m

，电场在沿z传输的过程中沿y的分布，如图1.4.2所示。图1.4.3表示三种模式的波沿波导y方向的电场分布，m越大光场进入包层越深，在包层靠近界面的消逝波以指数形式沿y