物理光纤传输的基本理论PPT学习教案

1、会计学1物理光纤传输的基本理论物理光纤传输的基本理论传输模式单模光纤：纤芯径为810m 多模光纤：光纤芯径为50m 第1页/共76页（1）阶跃折射率(Steplndex，缩写SI)光纤光纤折射率分布第2页/共76页1.石英光纤：1.55m和1.3m 2.多组分玻璃光纤：传光、传像、扭像器及纤维面板等 3. 塑料光纤：短距离4.液芯光纤：四氯乙烯 5.晶体光纤：有源及无源器件第3页/共76页第4页/共76页第5页/共76页z1.2均匀折射率光纤的光线理论1.基本概念（1）子午平面： 通过光纤中心轴的任何平面都称为子午平面。第6页/共76页第7页/共76页反射型折射型典型光线传播轨迹第8页/共76

2、页arnarnrn210)(22210sinnnn)/arcsin(120nnn1n22a导光条件：临界角:图1.2.1 子午光线的全反射第9页/共76页222100sinnnnNA子n1n22a总光路长度S:总反射次数:cosLSaL2tan第10页/共76页cossin22210nnnNAa斜2121sincosnn 数值孔径：第11页/共76页) 3(cosQHQT)2(QTcosQK) 1 (QsinQK图1.2.2 斜光线的全反射光路cossinQKcosQK第12页/共76页 02nrn-0n0)/(210)(22222/ 1g式中，arnararnrn第13页/共76页（常数）n

3、rrnz)(cos)(222max0)()(sin)()(nrnrrnrNAi12nnn第14页/共76页 exp)()(exp)()(0000rikrHrHrikrErE dsrnr（1.3.1） rikrErikrErikrikrErErikrikrErE00000000000expexpexpexpexp rikrErikrE000exp 第15页/共76页 rikrErikrE000exp rHrErk000it /DBtBEjtDH0（1.3.2） rErHrk000 rnr第16页/共76页 dsdrlrnlrss/ rndsrdrdsd dsdrrndsdrnldsds ddrn

4、 rn rdsds dsrnr 第17页/共76页 rndsdrrndsd 常常数数crn 常数常数1220cdsdrdsrd 第18页/共76页 arnararnrn2210)/(210)( 020222nrnn 第19页/共76页)()(rndSrdndSd 0 dSdzndSd0 dSdnrdSddSddSdrn drrdndSdnrdSdrndSd)(2 第20页/共76页(drdS) |r0sinz(r0)sin(r0)(r ddS)|r0 sinz(r0)cos(r0) (dzdS)|r0 cosz(r0)光线入射条件dr0drreer0dsdzrreezezzxyzr0z zr

5、rr第21页/共76页n0 dSdzndSdnnnzkrndsdzkrnK cos)()(00 第22页/共76页ripz(r)rn(r)轴 向 运 动 : 广义折射率定理Constnnnzzzzzz.coscoscos332211第23页/共76页(SIOF度不同度不同)n第24页/共76页0dSdnrdSddSddSdrn 000sinsinzrKrnrrdsdKrnK第25页/共76页drrdndSdnrdSdrndSd)(2 rrzzzzrrrnrndrzrrrnrndzdr02120022202221200222022sintan1cossintan1cos 第26页/共76页ric

6、riprzaz1z2第27页/共76页 )(cos)(/2000rrnAnPz 近轴光线：AP/2 第28页/共76页第29页/共76页 DBtBEjtDH0（1.4.1）全电流定律（1.4.2）法拉第电磁感应定律（1.4.3）磁场高斯定律（1.4.4）高斯定理第30页/共76页)6 . 4 . 1 () r (H) r () r (B)5 . 4 . 1 () r (E) r () r (D 对光波来说，传播物质为介质而非导体即电导率=0，同时介质又无电荷与电流=0，J=0，称为无源情况。 第31页/共76页 )4.20. 1(tHH)4.19. 1(tEE)4.18. 1(tHH1H)4.

7、17. 1(tEEE2202220222022202 第32页/共76页 (1.4.24)0HkH(1.4.23)0EkE2222 r000000n2knkk 标量亥姆霍兹方程0k22 第33页/共76页线性光波导纵向均匀（正规光波导）纵向非均匀（非正规光波导）横向分层均匀的光波导（均匀光波导）横向非均匀的光波导（非均匀光波导）缓变光波导迅变光波导突变光波导第34页/共76页第35页/共76页ztztHHHEEE zlzt EiHHiE 0ttzztttzztzttzttEizHlHHizElEEiHHiE 00第36页/共76页 ttzzttzztttzzttzztzttzttziztztz

8、tzteihliezhlhhieliezeleeihhieehheeHHEE 00 ztzttzztzttzztzzthleihlielhieliele 0由由 ztztztztztztttzzhelihehlieeell 02020202由由第37页/共76页第38页/共76页ztztHHHEEE imrtrtyxtyxtztztzierherhehhheeehhheeehhheeeeyxheHE )(),(),(第39页/共76页0k22 000022202222022220222202 ttttztzthnkenkhnkenk 第40页/共76页 drderhrimihrerimdrdh

9、ihdrdhrerimierhrimdrdeierehriherrhihrheriehrreierrzzzzrzzzzrzzzzrzzzzrt 20220202020202202202020202021第41页/共76页 rhihrhiezrz2020202 rhereihrz1202TM模 0ez0zh第42页/共76页 纵向场分量满足,.2, 1, 0,0)()()()(202022222222 mknkrFrmkrdrrdFdrrFd 022022202022202220)()(nkrnkKrnkIDCBArhenkrnkNrnkJDCBArhemmzzmmzz 或或第43页/共76页)

10、0(2)!( !1)1()(20nxknkxJknkkn)(2) 1(!1) 1()(20nklxlnlxJlnlln)() 1()()()()() 1()(xJxJxJxJxJxJnnnnnnnn第44页/共76页 yzxxyzyzxxyzzxyzxyHjxEzEHjzEyEjxHzEjzHyHEjyHxHHjyExEEH第45页/共76页 arraWDKrnkDKarraUCJrnkCJrharraWBKrnkBKarraUAJrnkAJrenkrnkNrnkJDCBArhemmmmzmmmmzmmzz2202222022022220022202220)()()( 第46页/共76页arC

11、AraUJramiraUJUraUJUraUJramiraUJUmraUJramiraUaJrmiraUJUUiaarhheemmmmmmmmrr 002)(arDBraWKramiraWKWraWKWraWKramiraWKWmraWKramiraWaKrmiraWKWWiaarhheemmmmmmmmrr 22002)(第47页/共76页r2arr1r3R3aR2R10第48页/共76页第49页/共76页J0K0J1K1第50页/共76页arzzarzzhehehehe 包层包层纤芯纤芯 0)()( DBWHCAUG 2211WUmWWKWKUUJUJmmmm第51页/共76页0W 011

12、000022 WWKWKUUJUJWUmWWKWKUUJUJmmmm02ln)()(1)(,2ln)(21010 WWWKWWKWWKWWKm=0，TE,TM模0)()(10UJUUJ第52页/共76页2.4053.8325.136 5.526.387.0167.5888.4178.6548.7119.761J0J1J2J3J4LP01LP02LP03LP11LP12LP13LP21LP31第53页/共76页m1,HEmn模 WWKWKUUJUJmmmm11 )1(2)()(1 mUUJUJmmm=1,HE11,HE1n模m0,EHmnJ m(U)=0第54页/共76页 WHEmn ： J m

13、-1(U)=0EHmn: J m+1(U)=0第55页/共76页n相位关系相位关系: :EHEH模的模的H Hz z分量超前于分量超前于E Ez z9090,HE,HE模的模的H Hz z分量落后于分量落后于E Ez z9090。第56页/共76页第57页/共76页第58页/共76页 areraWBKareraUAJreermkrdrdedredimmimmyyyy ,0)(222222(1)特征方程 WKWWKUJUUJWKWWKUJUUJmmmmmmmm1111 或或第59页/共76页 模式的截止与远离截止: 临近截止: W=0 , 场在包层中不衰减 远离截止: W, 场在包层中不存在 截

14、止与远离截止条件: 模式临近截止远离截止LP0n J1(U)0 J0(U)0LPmn Jm-1(Uc)0Jm(U)0模式本征值: UcUU第60页/共76页n给定给定V V值值, V=Vc, , V=Vc, 则则VcVc越大导模数越越大导模数越多多; ;反之亦然。反之亦然。n当当VcVc2.4052.405时时, , 在光纤中只存在在光纤中只存在HEHE1111模模, ,其它导模均截止其它导模均截止, , 为单模传为单模传输输; ;第61页/共76页n1n2k0HE11HE21HE31HE12TE01TM01EH11V246n1n2EH21HE41HE22TE02TM02第62页/共76页第6

15、3页/共76页2.4053.8325.136 5.526.387.0167.5888.4178.6548.7119.761J0J1J2J3J4LP01LP02LP03LP11LP12LP13LP21LP31第64页/共76页V模式导模总数0-2.4052.405-3.8323.832-5.1365.136-5.5205.520-6.380.LP01LP11LP02, LP21LP31LP12.22+4=66+6=1212+4=1616+4=20.# 给定 V 值，SIOF中的导模数目近似等于V2/2, 所含线偏振模式可根据导模截止与远离 截止条件确定。第65页/共76页2V/nV/第66页/共

16、76页第67页/共76页通常选取平方律型分布形式 ,称为渐变型光纤的最佳折射指数分布。0)(222222 yyyermkrdrdedred arnararnrn22/1210)/(21)( 1.6.1引言第68页/共76页1.6.2渐变型光纤的标量近似解法v 渐变型光纤的标量近似解表明： 场随r增加而迅速减小； 场是振荡型的，随m，n而不同。说明所有模式构成模式群，p相同的模式是互相简并的。即p相同的模式群，mn相同，或者说以相同的速度传输。 ztjsyHsxHeAemnnmsrmny exp00202第69页/共76页第70页/共76页 4048. 22/122210 nnakV 2/122210/202. 1nnac 20