电磁场课件--第三章光波导.ppt

3.5 光波导,光波导是一个统称，光导纤维（光纤）是目前在信息技术中应用最广泛的导波机构。 光波导属于介质波导，利用两种介质边界条件导引光波的传输。 光纤与一般微波段使用的介质波导相比，其工作频率要高得多（光波长为微米级），横截面的尺寸也小得多，所以称其为光导纤维，简称为光纤。,一 光纤的结构型式及导光机理 二 单模光纤的标量近似分析,光纤的结构,多芯光缆,一 光纤的结构型式及导光机理,1 光纤的基本结构 光纤是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。 光纤是由折射率为n1的光学玻璃拉成的纤维作芯, 表面覆盖一层折射率为n2(n2n1)的玻璃或塑料作为套层所构成, 也可以在低折射率n2的玻璃细管内充以折射率为n1(n2n1)的介质。 包层除使传输的光波免受外界干扰之外, 还起着控制纤芯内传输模式的作用。,光纤结构参数,几何参数：芯线的半径，包层的半径 介质参数：芯线折射率n1，包层的折射率n2,光纤分类,光纤按组成材料可分为石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、 塑料包层玻璃芯光纤和全塑料光纤。 按折射率分布形状可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。 按传输模式可分为多模光纤和单模光纤。,2 全反射与光纤导光机理,光波作为一种电磁波波长非常短，在空间传播可以用直线来描述。 在界面上反射折射可以用光线满足反射、折射定律来描述。 芯线和包层折射率满足条件，光线就会以全反射的形式在光纤中传播。,描述光纤的基本参数除了光纤的几何参数和介质参数外, 还有光波波长g、光纤芯与包层的相对折射率差、折射率分布因子g以及数值孔径NA等为了描述光纤特性定义的特性参数。,光波波长g,同描述电磁波传播一样, 光纤传播因子为如下式, 其中是传导模的工作角频率, 为光纤的相移常数。 对于传导模,也应满足一定的条件。,相对折射率差,光纤芯与包层相对折射率差定义为下式； 越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但信息传输容量却越小。 它反映了包层与光纤芯折射率的接近程度。当0时, 称此光纤为弱传导光纤。,折射率分布因子g,光纤的折射率分布因子g是描述光纤折射率分布的参数。 一般情况下, 光纤折射率随径向变化如下式所示:,三种常用的光纤波导,数值孔径NA,光纤的数值孔径NA是描述光纤收集光能力的一个参数。 从几何光学的关系看, 并不是所有的入射到光纤端面上的光都能进入光纤内部进行传播, 都能从光纤入射端进去从出射端出来, 而只有角度小于某一个角度的光线, 才能在光纤内部传播。 这一角度的正弦值定义为光纤数值孔径。,光纤的数值孔径NA还可以用相对折射率差来描述； 这个关系可以说明为了取得较大的数值孔径, 相对折射率差应取大一些。,光纤波导的数值孔径NA,5 光纤的传输特性,描述光纤传输特性的参数主要有光纤的损耗和色散。,光纤的损耗,1966年7月，在高锟与G.A.霍克哈姆合作的一篇论文中提出：“只要设法降低玻璃纤维中的杂质，就能够获得能用于通信的传输损耗较低的光导纤维。” 引起光纤的损耗的主要原因大致有光纤材料不纯、光纤几何结构不完善及光纤材料的本征损耗等。为此可将光纤损耗大致分为吸收损耗、 散射损耗和其它损耗。,吸收损耗是指光在光纤中传播时, 被光纤材料吸收变成热能的一种损耗, 它主要包括: 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。 散射损耗是指由于光纤结构的不均匀, 光波在传播过程中变更传播方向, 使本来沿内部传播的一部分光由于散射而跑到光纤外面去了。散射的结果是使光波能量减少。散射损耗有瑞利散射损耗、非线性效应散射损耗和波导效应散射损耗等。 其它损耗包括由于光纤的弯曲或连接等引起的信号损耗等。,高锟“光纤之父”,光纤电缆是本世纪最重要的发明之一。发明光纤电缆的，就是被誉为“光纤之父”的华人科学家高锟。 1968年英籍华人高锟首先提出了光纤通信的概念，按照他的理论，美国康宁公司制造了第一根用于光纤通信的光导纤维。现在用光纤做成的光缆已遍布全球，不仅铺设在陆地，也铺进了海洋。光纤通信彻底改变了人类通讯模式。,高锟，华裔物理学家，生于中国上海，祖籍江苏金山（今上海市金山区），拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”（Father of Fiber Optic Communications），曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德博伊尔和乔治埃尔伍德史密斯共享诺贝尔物理学奖。,不管是哪种损耗，都可归纳为光在光纤传播过程中引起的功率衰减。一般用衰减常数来表示；式中, P0、P1分别是入端和出端功率, L是光纤长度。当功率采用dBm表示时, 衰减常数可用下列公式来表示:,由单模光纤波长与损耗的关系曲线图可见，在1.3 m和 1.55m 波长附近损耗较低, 且带宽较宽。,光纤的色散特性,所谓光纤的色散是指光纤传播的信号波形发生畸变的一种物理现象, 表现为使光脉冲宽度展宽。光脉冲变宽后有可能使到达接收端的前后两个脉冲无法分辨, 因此脉冲加宽就会限制传送数据的速率, 从而限制了通信容量。 光纤色散主要有材料色散、 波导色散和模间色散三种色散效应。,所谓材料色散就是由于制作光纤的材料随着工作频率的改变而变化, 也即光纤材料的折射率不是常数, 而是频率的函数(n=n(), 从而引起色散。 波导色散是由于波导的结构引起的色散, 主要体现在相移常数是频率的函数, 在传输过程中, 含有一定频谱的调制信号, 其各个分量经受不同延迟, 必然使信号发生畸变。,模间色散是由于光纤中不同模式有不同的群速度, 从而在光纤中传输时间不一样, 同一波长的输入光脉冲, 不同的模式将先后到达输出端, 在输出端叠加形成展宽了的脉冲波形。 显然, 只有多模光纤才会存在模间色散。 通常用时延差来表示色散引起的光脉冲展宽程度。,其中, c为真空中光速, L为光纤长度, /为光源的相对谱线宽度，Dn称为材料色散系数。,材料色散与波导色散随波长的变化呈相反的变化趋势, 所以总会存在着两种色散大小相等符号相反的波长区, 也就是总色散为零或很小的区域。1.55m零色散单模光纤就是根据这一原理制成的。 ,二 单模光纤的标量近似分析,单模光纤芯线与包层折射率反差小，芯线中光线平行于光线的轴线。 当光波极化方向取定后，单模光纤以准TEM波传播。 准TEM波纵向场量幅值远小于横向场的幅值，可以用标量近似的方法分析单模光纤线偏振模式。,1 标量波动方程及其解,设电场沿y方向,分离变量法,Bessel函数和三角函数比较,第一二类修正Bessel函数,光纤正常导行光,芯线内沿r方向的驻波 包层内沿r方向逐渐衰减,2 归一化参量,R的求解,W=0 R的求解,3 边界条件和特征方程,设电场沿y方向,特征方程,4 线偏振模及其存在条件,弱导光纤正常导行光的截止条件W=0,代入特征方程，可以计算方程的根，不同根表述不同的传输模式； 用LPmn表示模式，n是特征方程根的序号; LP的意义是：线偏振模式， linear polarization mode,m0,LP0n,LP的主模,LP01模的截止角频率为零，即无截止问题，光纤中只要有导行光模就存在。 显然LP01模是弱导光纤中的主模。,m1,LP1n,m2,LP2n,主模单模传输的条件,讨论一,LP模式的标数m,n，表示相应模式场幅横向分布规律，因而具有明确的物理含义。 m表示圆周方向光的场幅出现m对最大值的数， n则表示芯线中沿半径方向光的场幅过零的次数。 这与前面圆截面金属波导中的情况是一样的。,讨论二,由石英玻璃制成的单模光纤，是如今光纤通信系统中作为光传输线的基本型式。 根据石英玻璃的损耗和色散特