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光纤端轴向-径向光场强度分布

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光纤光缆基础知识全解析（最全最详细动态图文解析）

光纤光缆基础知识全解析（最全最详细动态图文解析）

光纤光缆基础知识全解析（最全最详细动态图文解析）光纤的原材料以玻璃为主，所以制造成本相对不高。

光纤通讯有良好的特性，如：保密性、容量高、速率高等。

所以光纤应用极为广泛，大致有以下几类：1、骨干传输网络（SDH/SONET），如各大城市之间、各大洋底的海底光缆等；2、以太网（GBE），包括现在的光纤到户（FTTH）、到楼(FTTB)、到社区等，主要是我们家庭、办公网络；3、数据网络（Fiber channel），各种存储设备、数据库，包括正在发展的云计算服务系统；4、有线电视传输（PIN接收）；5、其他特种用途传输，如战机、舰船。

动态图示光纤光缆的48条基础知识点1.简述光纤的组成答：光纤由两个基本部分组成：由透明的光学材料制成的芯和包层、涂敷层。

2.描述光纤线路传输特性的基本参数有哪些？答：包括损耗、色散、带宽、截止波长、模场直径等。

3. 产生光纤衰减的原因有什么？答：光纤中光功率沿纵轴逐渐减小。

光功率减小与波长有关。

光纤链路中，光功率减小主要原因是散射、吸收，以及连接器和熔接接头造成的光功率损耗。

衰减的单位为dB。

产生原因：使光纤产生衰减的原因很多，主要有：吸收衰减，包括杂质吸收和本征吸收；散射衰减，包括线性散射、非线性散射和结构不完整散射等；其它衰减，包括微弯曲衰减等。

其中最主要的是杂质吸收引起衰减。

光纤衰减系数（fiber attenuation coefficient）：每公里光纤对光信号功率的衰减值。

单位：dB/km。

光纤弯曲损耗光纤对弯曲非常敏感，过度弯曲 = 光溢出。

如果弯曲半径 <20x>20x>两种弯曲都会发生光损耗：Macrobend（宏弯）和Microbend（微弯）。

Macrobend当Macrobend弯曲被纠正，可以得到恢复。

MicrobendMicrobend无法恢复，比如由线缆捆扎过紧造成。

4.光纤衰减系数是如何定义的？答：用稳态中一根均匀光纤单位长度上的衰减（dB/km）来定义。

第二章 光纤传输的基本理论

第二章 光纤传输的基本理论

分
形 式
E 电场强度矢量 H 磁场强度矢量 D 电位移矢量
磁感应强度矢量
D dS dV B
B dS 0
S
S

J 传导电流密度矢量
式中，D E；B H ；，分别为介质的介电常数 和磁导率。
是自由电荷体密度。
1
a
2 3
o1z源自图 2.2.3 光纤中的子午光线
图中n１、n２分别为纤芯和包层的折射率。要使光完全限制在光纤 内传输，光线在纤芯包层分界面上的入射角 须满足： 。 即：
n2 n2 sin 0 ， 0 arcsin( ) n1 n1 n2 2 ) n1
0
或 sin 0 1 (
x 包层n 2 r 纤芯n 1

z
y
图 光纤中的圆柱坐标
E ( H )各分量的含义
Ez ( H z )： 光纤轴（纵）向分量
r x
Er ( H r )：光纤端面径向分量
E ( H )：光纤端面沿圆周方向分量
y

z
1 E 2 E ( E ) 0 2 (3) t (3)、(4)的解为 2 1 H 2 H ( ) H 0 2 (4) t E (r , , z, t ) E (r , ) exp[ j (t z )] (5) H (r , , z, t ) H (r , ) exp[ j (t z )] (6)
2
1 E 2 E ( E ) 0 2 (3) t 2 1 H 2 H ( ) H 0 2 (4) t

光纤通信原理第2章光纤2波导

光纤通信原理第2章光纤2波导
和边界条件求出光纤中的导模横向能量 分布（模式）、传输常数、截止条件
麦氏方程----波动方程
直角坐标----柱坐标、归一化、通解
边界条件----特征方程 解 唯一
单模光纤分析
线偏振标量模
各个模式的截止曲线 传导模特性
☆波导方程的推导思路
麦克斯韦方程组
H J D t
E B t
• B 0 2.2.0.1
由波动方程求出满足边界条件的纵向场分量EZ、 HZ，再由麦氏方程组求出其它四个横向量
问题：
烦杂，除特例外，一般无解析解
办法(几个假设)
弱导近似，△<<1， —仅能传输单个模式 标量近似(阶跃光纤）—偏振方向不变 WKB近似(梯度光纤）
（振幅缓变，振幅的导数与振幅本身相比的项都忽略）
解决办法
•D
H-磁场强度，E-电场强度 B-磁感应强度，D-电位移矢量 -电荷密度，J-电流密度
电荷守恒定律
• J 0tBiblioteka 2.2.0.2物质方程
J E
2.2.0.3
D 0 E P 0r E B O H M Or H O H
P-媒质极化强度，M-磁化强度
-媒质电导率，o、o-自由空 间的介电常数和磁导率
×
弱导近似
° △<<1,NA=n0sinc≈1， c≈90
√
此时在光纤中传播的电磁波非常
接近于TEM波（横电磁波，比如平面波，只有横 向分量Et、Ht ，纵向分量Ez、Hz均为0） Ez、Hz 均很小，横向分量Et、Ht 很强
标量近似(阶跃光纤）
Et、Ht 的偏振方向在传输过程中保持不变，可 以用一个标量描述。即可以设：横向电场沿y
Ey (z) Ey (0)e j z

光纤的基本知识

光纤的基本知识

光纤的基本知识光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。

它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形。

它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。

光纤的传输特性由其结构和材料决定。

通常，光纤是由高纯度的石英玻璃为主掺少量杂质锗(Ge)、硼(B)、磷(P)等的材料制成的细长的圆柱形，细如发丝(通常直径为几微米到几百微米)。

实用的结构有两个同轴区，内区称为纤芯，外区称为包层。

通常，在包层外面还有一层起支撑保护作用的涂覆层。

因为光是电磁波，所以光在光纤中的传播可用麦克斯韦波动方程来分析。

断面尺寸比光波长大很多时，可用几何光学的概念来处理。

图A.1 当光线从较高折射率介质向较低折射率介质传播时，在界面处的折射和反射图A.1为光在不同介质中的传播。

图中介质1的折射率为n 1，介质2的折射率为n 2。

当光束以较小的θ1角入射到介质界面上时，部分光进入介质2并产生折射，部分光被反射。

它们之间的相对强度取决于两种介质的折射率。

介质的折射率定义为光在空气中的速度与光在介质中的速度之比。

由菲涅耳定律可知31θθ= (A.1) 1221sin sin n n θθ= (A.2)在n 1>n 2时，逐渐增大θ1，进入介质2的折射光束进一步趋向界面，直到θ1趋于90°。

此时，进入介质2的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近入射光强。

当θ1＝90°极限值时，相应的θ1角定义为临界角θc 。

由于sin90°＝l ，所以临界角21arcsin()c n n θ= (A.3)当θ1>θc 时，入射光线将产生全反射。

应当注意，只有当光从折射率大的介质进入折射率小的介质，即n 1>n 2时，在界面上才能产生全反射。

图A.2 子午光线的全反射全反射现象是光纤传输的基础。

对于一根具体的光纤，如图A.2所示。

为分析方便，以下主要讨论光线为子午光线的情况。

光纤的双折射及偏振特性(精)

光纤的双折射及偏振特性(精)

L LB 2
LB
2 L
0
B
双折射越厉害, 拍长越短。如光纤的拍长远小于某种外界
干扰的长度周期, 它就可抵御这种干扰而有保持偏振状态
的能力。
4.消光比和功率耦合系数
在传输过程中，两个正交的线偏振模之间存在耦合，如在光
纤输入端激发x方向的线偏振模，其功率为P x ，由于耦合， 在光纤的输出端出现了y方向的线偏振模，其功率为 P y。用
Optical fiber communications
§3 光纤的双折射及偏振特性
Copyright Wang Yan
1-1 2024/8/17
一、Introduction
1. SMF实际上有两个简并模：LP0y1, LP0x1
2. 实际光纤并不完善（光纤芯子的椭圆变形，光纤内部
的残余应力），两个模式并不简并，纵向相位常数β略有
幅度比 R Ey0 / Ex0 相位差 y x ( y x )z
E
Ex
EyEx0 exp NhomakorabeaE
y
0
exp
j(t x z) j(t y z)
1
Ex Re xp( j)
Copyright Wang Yan
Optical fiber communications 1-3 2024/8/17
L
)
R L L R L
2
2
Optical fiber communications
1-12 2024/8/17
Copyright Wang Yan
2.旋光率：单位长度上旋过的角度
R L L R
L2
2
HW1
1.平板波导 n1 1.5, n2 1.45, n3 1.4, d 5m。

光纤光学光纤传输的基本理论

光纤光学光纤传输的基本理论

模式的概念
从而光场可表示为分离的形式：
E e j (t z ) ( x, y, z, t ) ( x, y)e h H
式中 为相移常数，也称为传播常数； e ( x, y ) 和 h ( x, y)都是复矢
量，有幅度、相位和方向，表示了 E 和 H 沿光纤横截面的分 布，称为模式场。
渐变型多模光纤具有自聚焦效应，不仅不同入射角相应的 光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。
1.2.2 光纤传输的波动理论
波动理论是一种比几何光学方法更为严格的分析 方法，其严格性在于：
(1)从光波的本质特性─电磁波出发，通过求解 电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁场的场 分布,具有理论上的严谨性； (2) 未作任何前提近似，因此适用于各种折射率 分布的单模和多模光波导。
用纵向场表示横向场
E ( x, y ) 2 2 2 E ( x, y ) ( k0 n ) 0 H ( x, y ) H ( x, y )
2 t
波动光学方法的最基本方程。它是一个 典型的本征方程。当给定波导的边界条件时， 求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。 通常将本征解定义为“模式”。
渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。
r g 12 r g n1[1 2 ( ) ] n1[1 ( ) ] a a
n(r)=
0≤r≤a r≥a (2.6)
n1［1-Δ］=n2
式中，n1和n2分别为纤芯中心和包层的折射率， r和a分别为 径向坐标和纤芯半径， Δ=(n1-n2)/n1 为相对折射率差， g 为折射率 分布指数 g→∞， (r/a)→0的极限条件下，式(2.6)表示突变型多模光纤 的折射率分布 g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤 的折射率分布。具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在 中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小

光纤光学重点

一、名词解释1.光纤光栅（P144）：通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅2.数值孔径：入射媒质折射率与最大入射角的正弦之积3.基模模场半径(P101)：基模场在光纤的横截面分布曲线中心最大值e-1处所对应的半径。

4.子午光线：子午面上传播的光线5.光隔离器（P140）：是一种基于法拉第旋转的非互易性的传输器件，只允许光波沿着一个方向传输（光信号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被接通），而另一个方向的传输是禁止的。

6.平均能流密度（P20）：在足够长的观测时间内平均单位时间内通过单位面积的能量。

能流密度（百度）：在一定的空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率。

7.相速度（P19）：场的等相位面沿Z轴的传播速度。

群速度（P19）：光脉冲或波包的中心或光能量沿Z轴的传播速度，也即场的等幅面沿z 轴的传播速度。

8.群速度色散：在高速大容量的光纤通信中，由于光纤介质表现出非线性，光脉冲包络的形状会发生变化，这种影响光信号的接收的变化成为群速度色散9.光无源器件（P122）：有光纤式和光纤耦合分立元件两种，前者利用自身特性直接实现功能，后者利用光学元件对光的传播特性进行交换，并用透镜奖器件和光纤耦合。

10.自聚焦透镜（P122）：芯径大，长度短，数值孔径大，光线在其中的传播轨迹为正弦曲线。

由一点发出的不同角度的光线经过一周期的传播后又汇聚到另一点的类似平方律折射率分布光纤。

11.模式色散：在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，到达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽12.传播常数（P17具体看书）：纵向传播常数β：导模的相位在Z轴单位长度上的变化量，波矢在Z轴上的投影β=K·e z=nk0cosθz；横向传播常数：波矢k的横向分量，U和W分别反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率，W值则反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度二、简答题1.光纤导光的基本原理全反射原理2.什么是光纤的色散？光纤的色散主要有几种？其对光纤通信有何影响？在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成分或不同的模式分量以不同的速度传播到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象叫做光纤的色散。

二、光纤传输基本理论


霍兹方程进行空间坐标纵、横分离，令 x, y, z x, y eiz
•上式代入亥姆霍兹方程(2-4)式，得
2 2 2 2 2 2 x , y x , y x , y x, y 0 t 2 z
模式场分量与纵横关系式
模式的场矢量 Ex, y, z 和 H x, y, z 具有六个场分量:
Ex , Ey , Ez 和 H x , H y , H z (或 Er , E , Ez 和 Hr , H , H z )。只
有当这六个场分量全部求出方可认为模式的场分布唯
一确定。 但实际上这并不必要。因为场的横向分量可
• 几何光学中，光线定义为等相面的法线。一般情况下， 麦克斯韦的试探解可以写成振幅与相位的形式


2 5
式中， t2是横向拉普拉斯算符， 与 分别是横向与纵向传 播常数。 (2-5)式中的 x, y 可以分别代表 E 和 H 的横向场分布，即 有 2 E x, y 2 E x, y
t 0 H x, y H x, y
• U和W是场的横向传播常数；
• U反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率； • W值则反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度，其 值越大衰减越快。 • 还可以看到U，W和V满足如下关系
V 2 U 2 W 2
• 归一化频率
模式分析时的一个重要参量：光纤的归一化频率
V 2
2 a n12 n2 k0 an1 2
2 6
上式就是光纤波导中光传播时遵从的波导场方程。这是波动 理论方法的最基本方程。显然，它也是一个典型的本征方程。 当给定波导的边界条件时,求解波导场方程可得本征解及相应

光纤光学4章讲义

重要数据: 0.5dB~0.9; 1dB~0.8；2dB~0.6; 3dB~0.5; 10dB~0.1；20dB~0.01
光纤技术
总损耗dB＝ (dB/kM) x L (kM) dB 度量功率，分别为dBm 和 dB
0dBm 和 0dB分别相当与1mW和1 W
dBm与mW间的换算关系： dBm＝10lg[P(mW)] 以dBm为单位，则
光纤技术
2、散射损耗
特点：不可能消除的损耗
光纤技术
2、散射损耗
特点：产生新的频率分量 受激拉曼散射和受激布里渊散射的阈值，对于不同光纤
多模光纤的阈值：约为500W和2.5W； 单模光纤的阈值：降为500mW与2.5mW
光纤技术
3、散射和吸收损耗的对比
长波长区域： 损耗主要来自吸收的影响。玻璃中的OH-1的吸收在长 波长去急剧增加，1.65m外很少用于通信系统
(r)dr
2
rd
02e 0
其中rd
04V2
8aRc
光纤技术
过渡弯曲损耗的计算
损耗系数：
α
10lg
Pout Pin
8.68(
ω0 a
)3
a Rc
V2 8Δ
由上可以看出：
1、过渡损耗，α与a/RC即弯曲程度有关；
RC减小，α增大（弯曲越狠，损耗越大）
2、与模场半径有关 ω0 / a
ω0越大，越大；
D g d g 单位：ps /(km.nm) d
为光源的谱宽
光纤技术
2、色度色散的波长相关性
色度色散的波长相关：波导色散和材料色 散在某一波长处可以相互抵消
对于标准 石英单模光纤： 波导色散和材料色散的和在1310nm处为零 色散漂移：通过改变波导色散，色散零点移 到别的波长，通常为1550nm，即为色散位移 光纤

光纤光学总结剖析

说明：重点放在了二三四章以及第五章前面部分，别的则比较缩略。

第一章1.光纤通信优点宽带宽，低损耗，保密性好，易铺设2.光纤介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。

基本结构：纤芯、包层、套塑层光波导：约束光波传输的媒介导波光：受到约束的光波光波导三要素：“芯/ 包”结构凸形折射率分布，n1>n2低传输损耗3.光纤分类通信用和非通信用4. 单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。

5. 如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗；改变芯经和结构参数，色散位移；改变折射率分布，降低非线性6.光纤制备工艺预制棒：MCVD OVD VAD PCVD之后为光纤拉丝，套塑，成缆工艺。

第二章1.理论根基2.2. 光纤是一种介质光波导，具有如下特点：①无传导电流；②无自由电荷；③线性各向同性3. 边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续,D与B的法向分量连续：4.由程函方程推得射线方程，再推得光线总是向折射率高的区域弯曲。

5. 光纤波导光波传输特征：在纵向（轴向）以“行波”形式存在，横向以“驻波”形式存在。

场分布沿轴向只有相位变化，没有幅度变化。

6.模式求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。

通常将本征解定义为“模式”. 每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波；每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件; 模式具有确定的相速群速和横场分布.模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。

给定的波导中能够存在的模式及其性质是已确定了的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。

(χ和β及边界条件均由光纤本身决定，与外界激励源无关)横模光波在传输过程中，在光束横截面上将形成具有各种不同形式的稳定分布，这种具有稳定光强分布的电磁波，称为横模。

横模（表现在光斑形状）的分布是和光波传输区域的横向（xy 面）结构相关的；相长干涉条件：2 nL＝Kλ纵模是与激光腔长度相关的，所以叫做“纵模”，纵模是指频率而言的。

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