第3章 光导纤维和光缆.ppt

2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 1 第3章光导纤维和光缆 光纤的结构和分类用射线理论分析光纤的导光原理用波动理论法分析光纤的导光原理单模光纤光纤的传输特性光缆的结构和种类 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 2 1光纤的结构和分类 1 1光纤的结构1 2光纤的分类 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 3 1 1光纤的结构 通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体 外层的折射率比内层低 折射率高的中心部分叫做纤芯 其折射率为n1 直径为2a 折射率低的外围部分称为包层 其折射率为n2 直径为2b 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 4 1 1光纤的结构 光纤的结构 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 5 1 2光纤的分类 按照光纤横截面折射率分布不同来划分阶跃型光纤纤芯折射率n1沿半径方向保持一定 包层折射率n2沿半径方向也保持一定 而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤 又称为均匀光纤 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 6 1 2光纤的分类 按照光纤横截面折射率分布不同来划分渐变型光纤如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小 而包层中折射率n2是均匀的 这种光纤称为渐变型光纤 又称为非均匀光纤 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 7 光纤的剖面折射率分布 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 8 1 2光纤的分类 按照纤芯中传输模式的多少来划分单模光纤 光纤中只传输一种模式时 叫做单模光纤 单模光纤的纤芯直径较小 约为4 10 m 适用于大容量 长距离的光纤通信 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 9 1 2光纤的分类 按照纤芯中传输模式的多少来划分多模光纤 在一定的工作波长下 多模光纤是能传输多种模式的介质波导 多模光纤可以采用阶跃折射率分布 也可以采用渐变折射率分布 多模光纤的纤芯直径约为50 m 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 10 光纤中的光射线轨迹 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 11 按光纤构成的原材料分类石英系光纤多组分玻璃光纤塑料包层光纤全塑光纤目前光纤通信中主要使用石英系光纤 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 12 2阶跃型光纤 1 相对折射指数差2 阶跃型光纤中的光射线种类3 子午线的分析4 数值孔径的概念 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 13 2 1相对折射指数差 光纤的纤芯和包层采用相同的基础材料SiO2 然后各掺入不同的杂质 使得纤芯中的折射指数n1略高于包层中的折射指数n2 它们的差极小 相对折射指数 n1和n2的相差程度 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 14 2 1相对折射指数差 弱导波光纤 n1与n2差别极小 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 15 2 2阶跃型光纤中的光射线种类 子午面子午射线 子午面上的光射线在一个周期内和该中心轴相交两次 成为锯齿形波前进 这种射线称为子午射线 简称为子午线 子午线是平面折线 它在端面上的投影是一条直线 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 16 2 2阶跃型光纤中的光射线种类 图2 7阶跃光纤中的子午线 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 17 2 2阶跃型光纤中的光射线种类 斜射线不在一个平面里 是不经过光纤轴线的射线 斜射线是限制在一定范围内传输的 这个范围称为焦散面 斜射线是不经过光纤轴线的空间折线 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 18 2 2阶跃型光纤中的光射线种类 图2 8阶跃光纤中的斜射线 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 19 2 2阶跃型光纤中的光射线种类 在阶跃型光纤中 不论是子午线还是斜射线 都是根据全反射原理 使光波在芯子和包层的界面上全反射 而把光波限制在芯子中向前传播的 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 20 2 3子午线的分析 导波 携带信息的光波在光纤的纤芯中 由纤芯和包层的界面引导前进 这种波称为导波 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 21 2 3子午线的分析 图2 9光纤剖面上的子午射线 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 22 2 3子午线的分析 只有能满足以下条件的射线 才可以在纤芯中形成导波 即满足了全反射条件 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 23 2 4数值孔径的概念 数值孔径 表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光纤的数值孔径 用NA表示 数值孔径越大 就表示光纤捕捉射线的能力就越强 由于弱导波光纤的相对折射指数差 很小 因此其数值孔径也不大 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 24 3阶跃型光纤的标量近似解法 用波动理论进行分析 通常有两种解法 矢量解法标量解法 矢量解法是一种严格的传统解法 求满足边界条件的波动方程的解 可以用标量近似解法推导出阶跃型光纤的场方程 特征方程以及在这些基础上分析标量模的特性 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 25 3 阶跃型光纤的标量近似解法 1 标量近似解法2 标量解的场方程的推导思路3 标量解的特征方程4 阶跃型光纤标量模特性的分析 5 阶跃光纤中的功率分布6 阶跃光纤中导模数量的估算 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 26 1 标量近似解法 在弱导波光纤中 光射线几乎与光纤轴平行 弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直 横电磁波 TEM波 把E和H处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波 即TEM波 弱导波光纤中的E和H分布是一种近似的TEM波 即是近似的横电磁波 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 27 1 标量近似解法 这种具有横向场的极化方向 即电场的空间指向 在传输过程中保持不变的横电磁波 可以看成为线极化波 或称线偏振波 由于E 或H 近似在横截面上 而且空间指向基本不变 这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变 仅大小变化 的标量E 因此 它将满足标量的亥姆霍兹方程 通过解该方程 求出弱导波光纤的近似解 这种方法称为标量近似解法 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 28 2 标量解的场方程的推导思路 图2 13光纤坐标 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 29 2 标量解的场方程的推导思路 1 首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程 2 在圆柱坐标中展开得出 3 用分离变量法求解横向场Ey 4 根据麦氏方程中E和H的关系可得出横向磁场Hx的解答式 5 根据电场和磁场的横向分量可用麦氏方程求出轴向场分量EZ HZ的解答式 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 30 3 标量解的特征方程 用波动理论去求特征方程 就是利用边界条件 令场的表示式满足边界条件 即可得到特征方程 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 31 3 标量解的特征方程 弱导波光纤标量解的特征方程 利用第一类贝塞尔函数与第二类修正的贝塞尔函数的递推公式 可证明这两个式子相等 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 32 4 阶跃型光纤标量模特性的分析 1 标量模的定义 极化 就是指随着时间的变化 电场或磁场的空间方位是如何变化的 一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向 如果波的电场矢量空间取向不变 即其端点的轨迹为一直线时 就把这种极化称为直线极化 简称为线极化 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 33 4 阶跃型光纤标量模特性的分析 1 标量模的定义弱导波光纤可认为它的横向场是线极化波 以LP表示 LP模 LinearlyPolarizedmode 即线性偏振模的意思 在这种特定条件下传播的模式 称为标量模 或LPmn模 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 34 4 阶跃型光纤标量模特性的分析 2 截止时标量模的特性 截止的概念 当光纤中出现辐射模时 即认为导波截止导波截止的临界状态 截止时的特征方程 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 35 4 阶跃型光纤标量模特性的分析 2 截止时标量模的特性 截止情况下LPmn模的归一化截止频率Vc表2 1截止情况下LPmn模的Uc值 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 36 4 阶跃型光纤标量模特性的分析 2 截止时标量模的特性 截止情况下LPmn模的归一化截止频率Vc阶跃型光纤的单模传输条件0 V 2 40483 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 37 4 阶跃型光纤标量模特性的分析 3 远离截止时标量模的特性 远离截止当V 时 即为远离截止 远离截止时标量模的特征方程 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 38 4 阶跃型光纤标量模特性的分析 3 远离截止时标量模的特性 远离截止时LPmn模的U值表2 2远离截止时LPmn模的U值 2020年2月18日2时1分 北京邮电大学信息与通信工程学院 39 5 阶跃光纤中的功率分布 实际上 在纤芯和包层的界面处 电磁场并不为零 而是由纤芯中的振荡形式转变为包层中的指数衰减 因此 要传输的导波能量大部分是在纤芯中传输 而有一部分则在包层中传输 功率在纤芯和包层里所占比例的大小和该模式的截止频率有关 202