单模光纤的基模计算

1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电子0902指导教师：洪建勋工作单位：信息工程学院题目：单模光纤的基模计算初始条件：计算机、beamprop软件要求完成的主要任务：1、课程设计工作量：2周2、技术要求：(1)学习beamprop软件。(2)设计一个单模光纤，分析单模光纤的电磁场分布，并研究输入光波波 长、纤芯折射率、纤芯半径对单模光纤传输模式的影响。(3)对单模光纤的电磁场分布和传输模式进行 beamprop软件仿真工作。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰 写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：对单模光纤进行设计仿真工作，完成课设报告的

2、撰写。提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名：年 月 日系主任(或责任教师)签名:目 录摘要光纤通信是利用光导纤维来传输光波信号。光纤通信作为现代通信的主要 传输手段，在现代通信网中起着重要作用。自光纤通信问世以来，整个通信领 域发生了革命的变化，它使高速率、大容量的通信成为可能。单模光纤是在给定的波长上，只能传输单一基模的光纤。单模光纤相比于 多模光纤可支持更长传输距离，更大的宽带，这对于高码速传输是非常重 要的。关键词：光纤，通信，基膜，宽带AbstractOptical fiber communication transmits light wave signals with fibe

3、r material. As the main means of transmission of the modern communication, optical fiber communication plays an important role in modern communication networks. Since the advent of optical fiber communication, the entire field of communications has undergone revolutionary changes, and it enables hig

4、h-speed, large-capacity communication possible.Single-mode fiber can only transfer a single fundamental mode fiber in a given wavelength. Compared to multimode fiber, single-mode fiber can support longer transmission distance and the greater broadband. This is very important for high code rate trans

5、mission.Keywords: Optical fiber, communication, fundamental mode, broadban1绪论光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在 现代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发 展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志 和未来信息社会中各种信息的主要传送工具。光纤通信是现代通信网的主要 传输手段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、 长波长多模光纤和长波长单模光纤。采用光纤通信是通信史上的重大变 革，美、日、英、法等 20多个国家已宣布不

6、再建设电缆通信线路，而致力 于发展光纤通信。中国光纤通信已进入实用阶段。光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动 通信并列为20世纪90年代的技术。进入 21世纪后，由于因特网业务的迅 速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超 长距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。总之，从一九七0年到现在虽然只有短短不到三十年的时间，但光纤通信 技术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通 信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目 、乙刖的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的 2%左右，尚有巨大的潜力

7、等 待人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高 阶 段方向发展。2光纤概述光纤基本介绍光纤的结构光纤有不同的结构形式。目前，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。光纤的基本结构如图2-1所示。图2-1光纤基本结构光纤的分类目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射 率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外

8、，还有含氟光 纤与塑料光纤等。按折射率分布分类阶跃光纤与渐变光纤。阶跃光纤：所谓阶跃光纤是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均 匀的，其n1与n2,但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，如图2-2所示。al 口 2 H- H T d2|图2-2阶跃光纤折射率分布阶跃光纤的折射率变化也可以用折射率沿半径的分布函数来表示为渐变光纤：所谓渐变光纤是指光纤轴心处的折射率最大（ n1）,而沿剖面径 向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分 界处，正好降到与包层区域的折射率 n2相等的数值；在包层区域中其折射率的 分布是均匀的即为n2。如图2-3所示。图2-3渐

9、变光纤折射率分布渐变光纤的折射率变化也可以用折射率沿半径的分布函数来表示为式中：为光纤折射率分布指数，a为光纤纤芯半径，为光纤的相对折射率差，n1为纤芯轴心处的折射率，n2为包层的折射率。按传播模式分类多模光纤与单模光纤。在一定的工作波长上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多 模光纤。多模光纤截面折射率的分布有均匀和非均匀两种。多模光纤的线芯直 径一般为50um,包层外径为125um。由于纤芯直径较大，传输模式较多，这种 光纤的传输特性较差，带宽较窄，传输容量也较小。单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模（最低阶 模），不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的宽带，这

10、对于高码速传输是 非常重要的。单模光纤的折射率一般呈阶跃型分布，线芯直径一般为810um,包层直径为125um。按工作波长分类短波长光纤与长波长光纤。短波长光纤：在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在微米范围（典型值为微米），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤。短波长光 纤属早期产品，目前很少采用。长波长光纤：后来随着研究工作的不断深入，人们发现在波长 微米和 微米附近，石英 光纤的衰耗急剧下降如图所示。不仅如此，而且在此波长范围内石英光纤的材 料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长范围 衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在微米波长范围的光

11、纤称之为长 波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大 容量的光纤通信。按套塑类型分类紧套光纤与松套光纤。紧套光纤：所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与予涂敷层及光纤的纤芯，包层等紧 密地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多。未经套塑的光纤，其衰耗温度 特性本是十分优良的，但经过套塑之后其温度特性下降。这是因为套塑材料的 膨胀系数比石英高得多，在低温时收缩较厉害，压迫光纤发生微弯曲，增加了 光纤的衰耗。松套光纤：所谓松套光纤是指，经过予涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不 再进行二次、三次涂敷。松套光纤的制造工艺简单，其衰耗温度特性与机 械性能也比紧套光纤好，因此越来

12、越受到人们的重视。光纤的波动理论分析一般有两种方法用于讨论光在光纤中的传播，建立并解光线路径方程或电 磁场方程。实际上前者是后者的短波长极限，由于单模光纤的工作波长已经和 其尺寸相比拟，几何光学的处理方式已不合适，而将光在光纤中的传播看作一个电磁场边值问题则能得到一个，几个或一系列严格解，并且此方法对单模和 多模光纤都适用。光波是一种特定波长范围内的电磁波，当光在光纤中传播时，实质上就是 电磁波在介质波导中的传播过程，因此，他必须满足麦克斯韦方程组。用波动 理论分析光纤波导中的波，就是求满足边界条件的麦克斯韦方程组的解。在均匀光纤中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在电流和自 由电荷，

13、因此在无源区域，均匀、无损、简谐形式的麦克斯韦方程组为从麦克斯韦方程组出发，可以导出光波所满足的亥姆霍兹方程。电场矢量 和磁场矢量的亥姆霍兹方程可以简写为在单一均匀介质中传播的波为平面波，称为横电磁波，用 TEM表示，TEM 波的电场方向与磁场方向与波的传播方向垂直，即在波导的传播方向上既没有 磁场分量也没有电场分量，即三者两两垂直。当波在几种介质组成的空间中传 播时，根据传播方向上电磁场分量又可以分为 TE波、TM波、EH波和HE波。 TE波又称为横电波，TM波又称为横磁波，EH波和HE波称为混合波，在光纤 中存在TE波、TM波、EH波和HE波四种波型。对于同一类型的波，其场强在圆周方向或径

14、向方向的分布情况又会有所区 别，及电磁场的分布会不尽相同。通常把一种电磁场的分布就叫做一个模式。 这样的电磁场就有很多模式，一般用 TEmn、TMmn、EHmn和HEmn表示。m表示 电场或磁场沿圆周角方向分量的波节数；n表示电场或磁场沿半径方向分量的 波节数，及沿半径方向的暗区个数。HEii模是光纤中的基膜，它的截止波长为 无穷大。单模光纤中传播的就是这种模式。目前，通信用光纤的相对折射率差A Vc可传，V&Vc截止，因此，要保证光纤 中只传输LP01一个模式，则必须要求 Vc (LP01) VVc (LP11)即0VePathway:Background IN：| defaultDekaN

15、：| defaultPhr|defaufcThetadefaullWidth:|defAullHeight:Length:P口 f itionX;default|公店ull | defaultPositioriY:defaultPoWtion 乙|ccMMbH：I deFault图5-4SyiTibols.输入光源设置对话框设置完成点击“OK”。至此，模拟环境已基本设置完毕。再模拟前，要需先 将文件保存下来。为了验证光纤波导参数的正确性，而在 CAD界面只看俯视图不能完全了解 波导结构，我们还需要查看波导横截面的结构。点击左侧工具栏下方的“DisplayIndex Profile”按钮会弹出对

16、话框，选择 Display Mode 为Contour Map (XY) ”模 式，并点击“OK”，即可看到波导横截面的折射率分布，如图5-5所示。根据图可得单模光纤折射率分布有明显的分界，其中纤芯折射率为，包层折射率为， 与开始设定的参数相一致，设计成功。4 R*i*ROP CunptMiwi比: 33,If HMe，Edi Mem Riiiii HelpContour Map of Transverse IMM Profit m Z-JOr I U * ， ， | - - | U 1 1 1 | | | !I -20-1001020图5-5单模光纤横截面折射率分布软件仿真及结果分析单模光纤

17、的电磁场分布单击Perform Simulation选项，选择Slices,单击OK,最后得到如下的仿真图。其中蓝线的高低表示光功率的大小。图5-6单模光纤光功率分布对于某一个模式来说，其电磁场能量在理想情况下应被封闭在纤芯中沿轴向传输。但实际上，在纤芯和包层的界面处，电磁场并不为零，而是由纤芯中的震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。图 5-6也验证了这一点，光功率主要分布在纤芯和纤芯包层界面处，然后随着半径的增大，光功率逐渐降为零。对于阶跃型单模光纤，基膜场强在光纤横截面上的场强分布近似为高斯分 布，光纤截面上轴心处的场强最大

18、，因此把沿纤芯直径方向，相对该场强最大 点功率下降了 1/e的两点之间的距离，称为单模光纤的模场直径。输入光波长对单模光纤模式的影响设定一个变量 wavelength,使输入光波长等于 wavelength,取三个不同的 值，（单位：um）,其他参数保持不变。单击菜单栏 Run,再选择Compute Mode 03,进行横截面传输模式仿真。最后得到的仿真图如图5-7、图5-8、图5-9所示。CnmpLlad Transverse Praftla :nr 回Cijl 斤L46s405）s5田更已思wsl图5-7波长为时传输模式仿真图CanqpLrledl Tra/isverse Mode Rro

19、fiilft 4m0小1r1 4a52281-2D7001020hohmM Dm （即）3dY： Lidl图5-8波长为时传输模式仿真图用 4 遇 *2 D 24 S BMDnzsm&i Dlrfiction (kithK 47Y：. It.ZTMCorrputed Transver5e Llcde (m =2=1,466079!-J - J- -6 4 2 0 2 4 6 8* - T 言)U0W巴 d S一g图5-9波长为时传输模式仿真图其中当输入光波长为，（单位：um）时，只有一个传输模式 m=0,即基膜。 当输入光波长为，产生不止一个模式 m=0、1、2,图5-9给出了二阶模m=2的

20、仿真图，此时不再满足单模传输条件。光纤的归一化频率当 减小时，V增大，当 减小到一定数值时，V可能不再满足0 V 2.40483,即不再满足单模传输条件，这与仿真结果相符。从另一个角度也可以分析，对应着归一化截止频率的波长为截止波长，用 c表示，它是保证单模传输的必要条件。当c时，光纤中只传输单模。本次仿真中前两次波长值都大于 C第三次小于 c就产生了多个传输模式。折射率对单模光纤模式的影响设定一个变量index,使包层折射率等于index,并保持纤芯与包层的折射率 差始终为，取三个不同的值，其他参数不变。单击菜单栏Run,再选择Compute Mode 03,进行横截面传输模式仿真。最后得到

21、的仿真图如图5-10、图5-11、图5-12所示。其中当折射率取，时，只有一个传输模式，即基膜 m=0,满足单模传输条件。当折射率等于时，产生不止一个传输模式m=0、1,不满足单模传输条件，图5-12给出了一阶模m=1的仿真图。Ccmpuied TranswerM MMe Profli。m。jo# 1.46522的Honzontal Directkin (umK5 71图5-10折射率为时的传输模式仿真图Carnpuled Trans/erse Moca rolile (m=O,r =4,46795| r - _- - -/- i - fDirection (mX： 1 瓦?JIY： IK E

22、?4图5-11折射率为时的传输模式仿真图Computed Transverse Mqc自 Profite- fm=1 .n =7.462995)HQrizortal Direction (pm)图5-12折射率为时的传输模式仿真图光纤的归一化频率当n1增大时，V增大，当增大到一定数值时，V可能不再满足0 V 2.40483,即不再满足单模传输条件，这与仿真结果相符。纤芯半径对单模光纤模式的影响设定一个变量wide,使光纤纤芯长和宽等于 wide,通过改变wide来改变纤 芯半径。wide取三个不同的值，18, 28 （单位：um）,其他参数不变。单击菜 单栏Run,再选择Compute Mod

23、e 03,进行横截面传输模式仿真。最后得到的 传输模式仿真图如图4-13、图4-14、图4-15所示。图5-13 wide为时的传输模式仿真图Ccnriputed *ra ns verse Moce Profile 1171=0.0=1.46S892)H-orizomai Direction (um)图5-14 wide为18um时的传输模式仿真图1020rorisontei Dmc： on (pm)Computed Transverse Made Profile ；m-1,n.= 1.465S21)图 5-15wide为28um时的传输模式仿真图其中当wide取，18 （单位：um）时，只有

24、一个传输模式，即基膜 m=0,满 足单模传输条件。当折射率等于 28um时，产生不止一个传输模式 m=0、1,不 满足单模传输条件，图5-15给出了一阶模m=1的仿真图。光纤的归一化频率当为增大时,V增大，当为增大到一定数值时,V可能不再满足0 V 2.40483,即不再满足单模传输条件，这与仿真结果相符。6心得体会课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决实际问题，锻 炼实践能力的重要环节，是对实际工作能力的具体训练和考察过程.回顾起此次课 程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得 是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学 过的知识，而且学到了很多在