光通信技术A复习稻香书屋

1、光通信技术a-复习1学习幻灯结构与基本特性n结构形态：单结构形状n一维：平面n二维：矩形、圆柱形（光纤）复结构形状n阵列波导awgn光子晶体2学习幻灯光波导传输光的基本原理 波导内传播导模的条件：全反射波导内传播导模的条件：全反射+ +谐振谐振全反射条件：c=sin-1(n2/n1)n1n2, cna=sin=(n12-n22)1/2光波在波导内的传输（光程+上下界面反射）满足横向驻波条件-谐振方程，总相位差=m3学习幻灯n求解方法：求解方法：n由maxwell方程导出helmholtz波动方程n代入折射率分布矩阵,加边界条件求出矢量精确解。n波导分类波导分类按几何形状：n一维：平面；n二维：

2、矩形、圆柱形（光纤）按折射率分布：阶跃型，渐变型n解的形式：解的形式：圆柱形波导用极坐标，解为贝塞尔函数形式；矩形波导用直角坐标，解为指数三角函数形式。4学习幻灯波导中都存在哪些光波的模式，它们在何种情况下发生？各自传播常数的特点是什么？ 均匀平面波 导模 k0n2k0n1 分离谱 正规模 kz实数 辐射模 k0n2 连续谱 损耗波导 非均匀平面波 泄漏模 kz复数 分离谱 损耗 消失模 kz虚数 连续谱 储能5学习幻灯一维平板波导存在的光波模式：子午模n各阶横电模te、横磁模tm的导模与辐射模 kn1 禁区 导模区0 1 2 3 kn2辐射模区 wn3n1n2xzy6学习幻灯二维带状波导存在

3、的光波模式混合模yxxxyyheehee上角标字母：光模的电矢量方向下角标字母： :沿x方向的极大值个数,沿y方向的极大值个数7学习幻灯光纤中存在的光波模式n光波模式：各阶导模、辐射模n子午面：横电模te、横磁模tm、n空间模：圆电模eh（左旋）、圆磁模he （右旋）8学习幻灯光波在各类波导中传输时的振幅分布形式光波在各类波导中传输时的振幅分布形式一维阶跃型折射率分布的平板波导一维阶跃型折射率分布的平板波导n光波振幅分布形式：nte模谐振方程：0exp0cosexpexp213xpxedxhxedxdxqeztjeywhqarctghparctghd9学习幻灯导模截止2221232222321

4、232122212322123211131322211121200nnnnnnhqnnnnnnhqtghqnnhqtgphpnnhptgtmtetmtetmtetmte非对称参量022202220nkpnk10学习幻灯非对称阶跃折射率分布的波导参数设计2122212201313122nndnndkdhdhcctmtecccctgnndnnd1212221221322截止波长:截止厚度:2122132nnccd11学习幻灯光波在各类波导中传输时的振幅分布形式光波在各类波导中传输时的振幅分布形式一维渐变折射率分布的平面光波导一维渐变折射率分布的平面光波导n折射率分布折射率分布nweber-herm

5、ite波动方程n光波振幅分布形式：04202221022120ynknkyexxxei21nxxhey,.2 , 14exp2222 2022121xxnxn12学习幻灯光波在光波在二维阶跃型折射率分布的带状波导二维阶跃型折射率分布的带状波导中中传输时的振幅分布形式传输时的振幅分布形式ney模的振幅形式：5543215251414432332212221111ixpykhiypxkhixpykhiypxkhiykxkhehyxyxyxztjixexpcosexpcosexpcosexpcoscoscosw13学习幻灯ney模的特征方程nex模的特征方程5131214241212221pktgp

6、ktgaknpnktgnpnktgbkxxxyyy22122122215251213231412124, 25, 3iiijiixxxyyynnkkaiiyxjkapnpnktgnpnktgakpktgpktgbk14学习幻灯光波在光波在阶跃型折射率分布的阶跃型折射率分布的光纤中传输时的光纤中传输时的振幅分布形式振幅分布形式n波动方程：n光波振幅精确波形的矢量解形式arrmrknrdrdrrdrdrarrmrknrdrdrrdrdr0022220222222222021222 rarkkwkbaarrkjujbamztjhecmmcmmzz2211101expw15学习幻灯光波在光纤中传输时光

7、波在光纤中传输时的特征方程的特征方程22222122222211111wunnwumkjnnkj tmwwkwkuujujnnkjnntewwkwkuujujkjkjnnkjmmmmmmmmm0000222122212221截止条件下:02220220nkawnk16学习幻灯矢量模的分类截止条件下的波型ii m=1 w=0eh模的特征方程(取+)eheh1n1n截止点截止点:3.83171,7.01559,10.17374:3.83171,7.01559,10.17374 022!12!11, 3 , 2 , 102ln111011112111002010122221 ujwmwmwwmwkw

8、kwujujummujwwwkwkwujujumwumwkwkwujujunnmmmmmmmwmmmm wkwkujuj101017学习幻灯矢量模的分类_截止条件下的波型heml模的特征方程(取-) 01211211213012112112120121111011013132221101010001212201ujmmujmujujujumujmmujmujujujumujmwkwkwujujumujwkwkwnnujujummmmmmwnhe1n模的截止点:0, 3.83171, 7.01559, 10.17374与te0n,tm0n模兼并与he1n模兼并 uujuujujmuujuujum

9、jmmmmmm2111) 1(22bessel函数的递推和降阶公式函数的递推和降阶公式18学习幻灯远离截止n得n“+”ehml, “-”hemln取值应在截止条件和远离截止条件jm(u)=0和jm1(u)=0之间 0011ujujujvwmmm，最不易截止wnkaunk02212010 的特征方程和mlmlmmmmmmmmehhwkwkwujujuwumwkwkwujujunne111111112221wwmewwk219学习幻灯截止点: jm(u)的n个根 mu012312.404833.831715.135626.3801625.520087.015598.417249.7610238.6

10、537310.17347 11.61984 13.01520411.79153 13.32369 14.79595 16.22347514.93092 16.47063 17.95982 19.4094220学习幻灯低阶模兼并与模式数 lphl heml h=m-1 lptl ehml t=m+1u值范围标量模矢量模模式数0-2.2048lp01he11, he-1122.2048-3.8317lp11te01,tm01,he2163.8317-5.1356lp02, lp21he12, eh11, he31,125.1356-5.5201lp02, lp31he41, eh21165.520

11、1-6.3802lp21, lp31te02,tm02,he22206.3802-7.0156lp12, lp41he51, eh31247.0156-7.5883lp21, lp03, lp41he13, eh12,he323021学习幻灯/k_v曲线(色散)22学习幻灯光波在光波在双曲正割型折射率分布的双曲正割型折射率分布的光纤中传输时的振光纤中传输时的振幅分布形式幅分布形式，其子午光线具有自聚焦特性其子午光线具有自聚焦特性 002020200022)(0)sinh()(sinlgllzglznnngrnnlzg波动方程：自聚焦光纤各阶模式的场表达式为：)exp()(1exp)()(),(

12、222zjyxyhxhazyxwww23学习幻灯光纤中传导的总模式数一个p值对应p+1个模式，p+1个模式简并成一个模式群每个模式群包含p+1个标模,再考虑有两个相互垂直的偏振态,总模式数: 21202maxvaknp 412122200vpdppppmppnaaknaknnakv01022210224学习幻灯光纤的基本参数特性 n数值孔径n截止波长n模场直径n损耗n色散n热膨胀系数n归一化频率n传输带宽ccvannna22211naaknaknnakv01022210225学习幻灯光纤基本特性损耗n传输损耗：loss=10log(po/pi) n吸收损耗n散射损耗n弯曲损耗n包层辐射损耗ld

13、 coupler fiber pin 插入损耗pin 回波损耗26学习幻灯色散 dn/d （ps/nm.km)n波导色散:波长变化d引起的v的变化;如宽带光源下,v不同导致的时延n材料色散:折射率变化dn()导致的时延;非线性色散:光纤的非线性效应导致折射率变化dn()导致的时延;n多模色散:多模群速度不等导致的时延n偏振模色散pmd:两正交偏振模式速度不等导致的时延22dvvbdcvndw22dndcdm wddddd0lim22222222221wwddddcdkdkffddwddvg27学习幻灯偏振拍长n两正交偏振模式速度不等导致的传输周期的差值2byxl28学习幻灯传输带宽折射率分布造

14、成的光脉冲时延差n 脉冲响应展宽时间n不同频率n不同模式n不同偏振态h(t)0 -/3 0 /3 2/3 i=1 2 4 10 ari0)ar(2-n(0)1n(r)2129学习幻灯光纤耦合器按功能分类：n光功率分配器 (coupler)，n光波长分配器wdmn偏振器分束器pbsn梳状滤波器awg30学习幻灯光调制器分类:直接调制型直接调制型( (内调制内调制) )外调制型外调制型n按工作方式分类：声光，热光，磁光，电光，电吸收式n按调制物理量分类：相位调制振幅调制强度调制频率调制31学习幻灯铌酸锂为x切y传双折射晶体, 传输波长l=1.55m时, 衬底折射率n20=2.25, n2e=2.1

15、5, 采用质子交换工艺制作光波导层, 折射率变化为n0=-0.04, ne=0.05, 上包层为空气n3=1，问单模传输时,光波导层d的厚度是多少?分析1： n00,o光不满足全反射条件，不能传导，只能e光传导，在x切y传情况下，e光为te模.分析2： 单模传输时， te0 （=0）可以传， te1 （=1）不可以传. 102122132tetenncddddc32学习幻灯例题：带状波导基模ey11传输n2=n4, n3=n5 波长l=1310nm，求a.b22221221221222221222221222142412122214222202220annbnnkkabknnkkkpnpnktgnpnktgbkppiiiyyyyy对称波导结构n2=n4, n3=n5n2=n4, n3=n5；基模传导，高阶模 截止，m=1, n=2带入特征方程p2=p4=0 p3=p5=0 arctgp2=p4=0 p3=p5=0 arctg=p/2 =p/2 ye12单模传导的极限尺寸33学习幻灯一理想多模光纤，其芯径2a=100m,平方率折射率分布，n1=1.49,相对折射率差=0.01。包层直径=125m，被覆层为无穷大，求解当=1.5m时，光纤内传播的