光信息传输技术3

2.2光纤传输原理

几何光学近似法光波导理论

12.2光纤传输原理

几何光学近似法1几何光学近似法

1.突变型多模光纤

存在一个临界角θc，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。

2几何光学近似法存在一个临界角θc，只有在半锥角为θ≤θc的*数值孔径(NumericalAperture,NA)NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光都能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。但NA越大经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。3*数值孔径(NumericalAperture,NA)例子4例子4*时间延迟

这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，或称为信号畸变。由此可见，突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的光线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。5*时间延迟这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽，n1［1-Δ］=n22r≥a0≤r≤an(r)=几何光学近似法

2.渐变型多模光纤*数值孔径6n1［1-Δ］=n2射线方程一般形式为rθ*=cos(Az)-An(0)sin(Az)cos(Az)r17射线方程一般形式为r=cos(Az)r17*自聚焦效应θ*=θ0cos(Az)自聚焦周期*时间延迟8*自聚焦效应θ*=θ0cos(Az)自聚焦周期*时间延迟8

2.2.2光纤传输的波动理论

光导纤维圆柱状的介质波导波导中存在各种模式的电磁波：传播模（导波模）截止模（辐射模）92.2.2光纤传输的波动理论光导纤矢量波动方程光波导中的电磁场方程标量波动方程10矢量波动方程光波导中的电磁场方程标量波动方程10圆柱坐标系设电磁场沿z方向传播写成分量形式：11圆柱坐标系设电磁场沿z方向传播写成分量形式：11若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线*传播模式和传播条件光纤中任意一个模式的传播条件是12若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线*传播模式和图2.9四个低阶模式的电磁场矢量结构图

13图2.9四个低阶模式的电磁场矢量结构图1314141515HE21TE01+LP11TM01HE21+LP1116HE21TE01+LP11TM01HE21+LP111617176.单模光纤的模式特性

*单模条件从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V<2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。HE11称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为*截止波长186.单模光纤的模式特性*截止波长181919*光强分布和模场半径通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分布近似为高斯分布式中，A为场的幅度，r为径向坐标，w0为高斯分布1/e点的半宽度，称为模场半径。实际单模光纤的模场半径w0是用测量确定的，常规单模光纤用纤芯半径a归一化的模场半径的经验公式为20*光强分布和模场半径通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分*双折射和偏振保持光纤

前面的讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想的圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此，HE11（LP01）模的x偏振模HEx11(Ey=0)和y偏振模HEy11(Ex=0)具有相同的传输常数(βx=βy)，两个偏振模完全简并。但是实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，必定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(βx≠βy)。因此，在传输过程要引起偏振态的变化，我们把两个偏振模传输常数的差(βx-βy)定义为双折射Δβ，通常用归一化双折射B来表示，21*双折射和偏振保持光纤前面的讨论都假设了光纤具有完美的圆2222把两个正交偏振模的相位差达到2π的光纤长度定义为拍长Lb

存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。一般单模光纤B值虽然不大,但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难。合理的解决办法是通过光纤设计，人为