第二章 光纤的传输理论
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《光纤通信》第二章光纤光缆讲课提纲浙江传媒学院 陈柏年一、光纤(Fibel ):圆柱形介质光波导,作用是引导光能沿着轴线平行方向传输。
1、导光波(guided wave ):光纤中携带信息、由纤芯和包层的界面引导前进的光波。
2、光纤的传导模:在光纤中既满足全反射条件又满足相位一致条件的光线束。
3、光纤的三层结构:(1)纤芯(core ),(2)包层(coating ),(3)涂覆层(jacket ):包括一次涂覆层、缓冲层和二次涂覆层。
纤芯折射率为n 1,包层折射率为n 2,纤芯包层相对折射率差121n n n -D =4、光纤的分类:有多种分类的方法。
(1)按照光纤截面折射率分布:SIF (小容量、短距离,光线以折线形状沿纤芯中心轴线方向传输),GIF (中等容量、中等距离,光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传输)、双包层光纤(色散平坦光纤DFF 、色散移位光纤DSF )、三角芯光纤(非零色散长距离光纤);(2)按照光纤中传输模式数量:MMF ,SMF (光线以直线形状沿纤芯轴线方向传输);(3)按照按光纤的工作波长:短波长(850 nm )光纤,长波长(1310 nm 、1550 nm )光纤;(4)按套塑(二次涂覆层):松套光纤,紧套光纤。
二、光的两种传输理论(一)光的射线传输理论1、几何光学方法:基于射线方程,依据光线的斯奈耳反射定律和折射定律,研究光线的运动轨迹。
2、光纤的几何导光原理:光纤是利用光的全反射特性导光;3、突变型折射率多模光纤主要参数:(1)光线轨迹: 限制在子午平面内传播的锯齿形折线。
光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。
(2)光纤的临界角θc :只有在半锥角为θ≤θc 的圆锥内的光束才能在光纤中传播。
(3)数值孔径NA :入射媒质折射率与最大入射角(临界角)的正弦值之积。
与纤芯与包层直径无关,只与两者的相对折射率差有关。
它表示光纤接收和传输光的能力, NA 通常为0.18~0.23。
第二章 光纤传输基本理论2.1 电磁场理论基础 错误!未定义书签。
2.1.1 电磁场基本方程 ............................................................................................................. 1 2.1.2 电磁场边界条件 ............................................................................................................. 2 2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程 ............................................................................................. 2 2.1.4 均匀平面电磁波和偏振状态 ......................................................................................... 3 2.1.5 平面波的反射和折射 ..................................................................................................... 5 2.2 电磁场理论的短波长极限――几何光学理论 (6)2.2.1* 几何光学的基本方程――程函方程(补充内容) ........................................................ 6 2.2.2 光线传播的路径方程 ..................................................................................................... 7 2.3 光纤中光信号传输的几何光学解释 .. (8)2.3.1 阶跃光纤中光线的传播 ................................................................................................. 8 2.3.2 梯度光线中的光线的传播 ........................................................................................... 11 2.4 阶跃式光纤中的模式理论 . (13)2.4.1 阶跃式光纤中的矢量模 ............................................................................................... 13 2.4.4 传播模的色散曲线 ....................................................................................................... 24 2.4.5 导波模的场形图 ........................................................................................................... 25 2.5 阶跃光纤中的标量解 .. (25)2.5.1 线偏振模场解 ............................................................................................................... 26 2.5.2 线偏振模的特征方程及截止参数 ............................................................................... 28 2.5.3 LP mn 模与矢量模之间的对应关系 ............................................................................ 30 2.5.4 LP mn 模的场分布及功率分布 ....................................................................................... 30 2.6 传播模式的一般特性 .. (32)2.6.1 传播模式数量 ............................................................................................................... 32 2.6.2* 渐变折射率光纤的理论分析(补充内容) ............................................................. 32 2.6.3* 理想波导中模式的正交性和完备性 ......................................................................... 35 2.6.4* 非理想波导中模式的耦合 .. (35)第二章 光纤传输基本理论 2.1.1 电磁场基本方程宏观电磁现象可以用电场强度E ,电位移矢量D ,磁场强度矢量H ,磁感应强度矢量四个矢量描述,它们都是空间位置和时间的函数。