光纤通信技术课件

2023/12/3OpticalfibercommunicationsReview：Charper1Introduction

光波导OpticalWaveguides光纤的损耗AttenuationofOpticalFiber光波导vs同轴电缆OpticalWaveguidesvsCoaxialCable信道复用Channelmultiplexing

光纤通讯的发展FiberOpticCommunicationMilestones光纤通讯的现状State-of-the-artFiberOptics2023/12/3Opticalfibercommunications光纤的损耗

AttenuationofOpticalFiber

在一般情况下，光纤内光功率的衰减可以表示为P,光功率；α，衰减系数，包括材料吸收以及其他各种功率衰减因素。

Pin为在长度为L的光纤的输入端耦合进光纤的功率，则输出功率Pout表示为

（1）（2）

光纤的损耗表示为以dB/Km为单位的形式

VeryImportant！（3）2023/12/3Opticalfibercommunications光纤的吸收

AbsorptioninOpticalFiber

整个透明波段：1280nm－1610nm50THz（1THz＝1012Hz）2023/12/3Opticalfibercommunications信道复用Channelmultiplexing

时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）:单信道复用频分复用（FrequenceDivisionMultiplexing，FDM）:多信道复用波分复用（wavedivisionmultiplexing）：FDM对模拟和数字信号都适用，而TDM只适用于数字信号。信道在频域上分隔开来，每一个信道采用不同的载波频率，载波频率的间隔应大于信道的带宽以避免信道频域的交迭。在FDM中，如果信道间隔较大（>100GHz），则成为波分复用。2023/12/3Opticalfibercommunications第二章光导纤维的传输原理一.几何光学GeometricalOptics4.Whenallaperturesaremuchlargerthanawavelength,wecanmodelthelightasraytravelinginstraightlinesperpendiculartothewavefront.1.Speedoflightinamediumofrefractiveindexn:v=c/noy:normallineo-xz:boundary2.Lawofreflection:i=r3.Snell’slaw:nt•sint=ni•sini渐变折射率棒透镜2023/12/3Opticalfibercommunications(a)射线传播路径(b)1/4节距透镜准直点光源发出的射线(c)1/4节距透镜聚焦准直光束节距P：一个完整周期的程度透镜成像2023/12/3Opticalfibercommunications薄透镜成像原理成像引起角度变化光纤只能接收在半锥角为theta的锥形区域中入射的光线高斯分布2023/12/3Opticalfibercommunications高斯光束准直2023/12/3Opticalfibercommunications作业一、阅读第二章pp32-48二、2.52.82.92.112.122.152023/12/3Opticalfibercommunications2023/12/3Opticalfibercommunications第二章光导纤维的传输原理二.Uniformplanewave均匀平面波A:MaxwellEquations(fundamentalequations)B:在稳态、简谐条件下，线性、各向同性、非色散、不导电媒质中MaxwellEquations2023/12/3Opticalfibercommunications第二章光导纤维的传输原理C.Helmholtz方程1.时间参量:角频率，周期T，频率f。2.空间参量:纵向相移常数或角波数kz，波长

z，波数1/z.where2023/12/3Opticalfibercommunications第二章光导纤维的传输原理3.空间与时间的联系:相速度phasevelosity均匀平面波的纵向相移常数等于空间相移常数其相速度等于光速4.电磁联系:波阻抗对于均匀平面波真空中2023/12/3Opticalfibercommunications1.均匀平面波是电磁波的最基本的形式3.若在空间垂直于电场的面放置两块平行的导体平板，则因在导体表面切向电场为0，两导体板不影响平面波的传播。这就形成双平板传输线中的TEM模式的行波，它是双平板传输线中的主模，或称最低模。TE:transverseelectricwave.TM:transversemagneticwave均匀平面波总结2.均匀平面波是沿固定方向传播的等幅行波，垂直于传播方向的平面是等相面或称波阵面。其等相位面同时是等振幅面，其电场和磁场都垂直于传播方向且互相垂直，故称为横电磁波(TEM:TransverseElectromagneticwave)波。同时是等幅波，即振幅不随传播距离而增加或衰减，等幅均匀平面波中电场与磁场同相，波阻抗为实数。2023/12/3Opticalfibercommunications第二章光导纤维的传输原理PlaneWavesataDielectricInterface1.ConsideramonochromaticplanewaveincidentonadielectricinterfacedescribedbythesurfacenormalS2.Theplanewavetakestheform:2023/12/3Opticalfibercommunications4.Maxwell’sEquationstellusthatthetangentialcomponentoftheelectricfieldmustbecontinuousattheinterface,sowehave:PlaneWavesataDielectricInterface3.Thecorrespondingreflectedandtransmittedfieldsare:where

r

and

t

arephaseconstants.Non-zerovaluesofthephaseconstantscanbeinterpretedasaspatialshift.2023/12/3OpticalfibercommunicationsLawofReflection2023/12/3OpticalfibercommunicationsLawsofRefractionSimilarlywefindfromthesecondofthetwoequations:Itfollowsthatktisalsointheincidentplane,andThisisSnell’slawofrefraction.1.ThelawsofreflectionandrefractionformsthebasisforGeometricaloptics2.Geometricalopticsalsoassumescollimatedopticalbeams(rays),whichareunphysical3.Geometricalopticsisneverthelessveryusefulformodelingalargenumberofopticaldevicesandphenomena2023/12/3OpticalfibercommunicationsFresnelLawA:是入射光，反射光和透射光的矢量复数振幅反射系数R传递系数TB:模表示强度，幅角表示相位入射电场反射电场透射电场2023/12/3OpticalfibercommunicationsC:水平偏振波TE横电波2023/12/3OpticalfibercommunicationsD:垂直偏振波TM横磁波2023/12/3OpticalfibercommunicationsTatalInternalReflectionA:n1>n2&

c<i<900.c=arcsin(n2/n1)B:wavesinmediumtwoTEwave:在临界状态下，

c＝i，2

R＝0，反射不引起相位突变，i900，cosi0，2

R＝1800，有半波损失。2023/12/3OpticalfibercommunicationsTMwave:|R|=1,2

R=Attension:全反射时，TE，TM的位相变化是不相同的2023/12/3OpticalfibercommunicationsWaveinmedium1:TEwaveA:Incidentwavetakestheformas入射波的横向（x方向）的相位常数入射波的纵向（Z方向）相移常数2023/12/3OpticalfibercommunicationsB:Thecorrespondingreflectedwavewilltaketheform:2023/12/3Opticalfibercommunications第二章光导纤维的传输原理C:波的状态Z方向：行波，相位常数X方向：驻波xzMedium1Medium22023/12/3OpticalfibercommunicationsWaveinmedium2:TEwave由上式可以看出传输系数的模值及其幅角。2023/12/3Opticalfibercommunications令2023/12/3OpticalfibercommunicationsZ方向:z方向是行波状态，且相位常数与介质1中的相同，相位常数相同意味着相速相同，这是因为介质1中的波和介质2中的波是一个统一波形的两部分，它们必须有相同的传播速度。X方向:说明波的幅度随离开界面的距离按指数形式减小，减小的快慢以参数决定，叫做x方向的衰减常数，它是由介质参数n1，n2及入射角i决定2023/12/3Opticalfibercommunications媒质2中存在透射场，透射场沿平行与界面的方向z为行波，而沿垂直与界面的x方向为衰减场。场在界面处最强，沿离开界面的法线方向逐渐减弱，在无穷远处消失。这种场称为“渐消场”，这种振幅沿横向渐消，沿纵向传播的行波，它的场集中早表面附近，故称为表面波。场沿法向的逐渐减弱并非由于媒质的吸收，只是场的指数渐弱分布：衰逝波渐消场中，Hx与Ey相差900，即无界面法线方向即x方向的有功功率流。有效穿透深度渐消场的出现说明，不能简单的认为全反射介质2中完全不存在波场，实际上在界面附近波长量级的厚度内自然有场，入射波的能量不是在严格的界面上全部反射，而是穿透到介质2内一定的深度。2023/12/3OpticalfibercommunicationsGoos-Hanchenshift2023/12/3Opticalfibercommunications导行波GuidedTravelingWaveA.全反射时介质1和介质2中的波时一个统一体，是一个波形的两个部分，沿纵向z方向，它们都是以相同的相位常数k1z在传播。沿x方向，介质1中的电磁波的幅度按三角函数规律变化，是驻波分布。介质2中的电磁波幅度按指数规律衰减，是衰减波，渐逝场。如果衰减常数足够大，介质2中的波将只存在于介质1表面。由于电磁能量集中于介质1及其表面附近，因而把这种波叫做表面波。又因为它是与界面平行的方向传播，是由介质表面导行的，因而也叫导行波，简称导波。2023/12/3Opticalfibercommunications导波在传播方向的相位常数是介于两介质的波数之间的，比第二介质的波数k2大，比第一介质的波数k1小。导行波的传播速度为v=/,因而导行波的速度/k1<v</k2,导行波的传播速度介于两介质中平面波的传播速度之间。由于其速度小于第二介质中的平面波的相速度，所以也称慢波。等相位面:导波相位只沿z方向变化，令z为常数，就得到等相位面，所以等相位面是与传播方向垂直的一系列平面。B:相位常数及传播速度z向:

＝k1z=k0n1sini全反射:

c<i<900n2/n1<sini<1.K0n2<K0n1sinI<K0n1或者k2<<k12023/12/3OpticalfibercommunicationsC:幅度变化规律在无损介质中，导波幅度沿z方向是不变的，但沿x方向却按一定的规律变化。将电场幅度用Em表示，则在介质一中：Em正比于cos(k1xx+

1).显驻波分布。1.d与

i有关,1=c,=0,d=.i=900,2.=n1-n2有关，在界面x=0处,Em正比于cos(

1),k1x是x方向的相位常数,

x=2/k1x是x方向的波长.入射角

i越小,k1x越大,

x越小,驻波节点越密集。在介质2中，幅度按exp(-x)规律衰减，其幅度变化规律在x=0处，幅度曲线是连续的，衰减速度取决于衰减常数

越大，衰减越快2023/12/3Opticalfibercommunications穿透深度d1.与入射角

I有关.临界状态时，1=c,=0,d=.不衰减。i=900,2.与两介质的折射率有关，差别越大，衰减越快。3.与工作波长

0有关，0越小，越大，d越小。对电磁波集中越有利等振幅面:x为常数导波的等振幅面与等相位面时相互垂直的