利用matlab模拟光纤传光

1、内容摘要11对光纤的理解11.1光纤传输原理21.2光纤材料21.3光纤的分类21.4光纤传输过程31.5光纤传输特性41.6光纤的发展历史41.7光纤应用52光纤传输的理论分析62.1光在均匀介质中的反射和折射特性72.2光的全反射72.3光波在光纤8中的传播原理和导光条件2.3.1单模光纤中的光传播92.3.2多模阶跃折射率光纤9中的光传输2.3.3多模梯度折射率光纤10中的光传输3 matlab模拟光传输103.1模拟光在单模光纤11中的传播3.2模拟多模阶跃折射率光纤11中的光传播3.3模拟梯度折射率光纤14中的光传播4结论分析155设计总结16参考文献17基于matlab的光纤传输仿

2、真摘要本文以阶跃多模光纤、渐变多模光纤和阶跃单模光纤为研究对象，通过对光纤光传输路径的分析加深了对光纤的理解，加深了对光纤光传输原理的理解；掌握光纤的传输条件，应用几何光学理论研究光波在光纤中的传输。分别研究了单模光纤、多模阶跃光纤和多模渐变光纤中的光传输，并用matlab软件模拟了它们的具体传播路径。关键词：光纤matlab模拟光传输1对光纤的理解1.1光纤传输原理光纤是一种传输介质，它是根据光的全反射原理制造的。光纤是一种将信息从一端传输到另一端的介质。它是一种传输介质，使用玻璃或塑料纤维作为信息通过的传输介质。光纤实际上是指由透明材料制成的纤芯和包层，该包层由折射率略低于其周围纤芯的材料

3、制成，并反射通过包层界面进入纤芯的光信号，从而光信号在纤芯中传播。一般来说，它是一个对称的圆柱体，具有由芯、包层和涂层组成的多层介质结构。光纤有两个主要特征：损耗和色散。每单位长度光纤的损耗或衰减(分贝/公里)与光纤通信系统传输距离的选择和中继站之间的距离有关。光纤的色散反映了延迟失真或脉冲展宽，这对数字信号传输尤为重要。单位长度的脉冲展宽(ns/km)影响一定的传输距离和信息传输容量。1.2光纤材料核心材料的主体是二氧化硅，其掺杂有非常少量的其他材料，例如二氧化锗和五氧化二磷。掺杂的作用是提高材料的光学折射率。纤芯直径约为5 75 m，在光纤的外表面有一层包层，有一层、两层(内包层和外包层)

4、或多层(称为多层结构)，但总直径约为100 200 m。包层材料一般采用纯二氧化硅，并加入很少量的三氧化二硼。最新的方法是加入少量的氟，即在纯二氧化硅中加入非常少量的四氟化硅。掺杂的效果是降低材料的光学折射率。这样，纤芯的折射率略高于包层的折射率。两个底座之间的差异确保了光线主要局限在光纤芯内进行传输。可以在包层的外表面涂覆涂层，涂层可以是硅铜或丙烯酸酯。涂层的作用是保护光纤免受外部损伤，提高光纤的机械强度。光纤的最外层是护套，护套是一种塑料管，起保护作用。不同颜色的塑料管也可以用来区分不同的光纤。1.3光纤的分类光纤正处于新产品开发时期，品种越来越多，日新月异。近年来，传感器专用光纤发展迅速

5、。目前，一般的分类方法如下：1.根据传输模块(2)多模光纤。多模光纤的纤芯直径为50微米，包层和涂层为50微米。核心直径比波长大得多。多模光纤广泛应用于短距离或较低相对速度的领域。它采用发光二极管作为光源和宽芯线，因此其色散较大；此外，由于整个光纤中存在多角度入射光，所以其信号不如单模光纤好，但相对较低的价格是其优势。2.根据折射率分布：折射率分布光纤可分为阶梯光纤和梯度光纤。阶梯纤芯的折射率和保护层的折射率都是常数。在芯和保护层之间的界面处，折射率逐步变化。渐变光纤芯的折射率随半径的增大而有规律地减小，并在芯与保护层的界面处减小到保护层的折射率。纤芯折射率的变化类似于抛物线。1.4光纤传输过

6、程发光二极管发光二极管或注入式激光二极管ild发出光信号沿光学介质传播，另一端用pin或apd光电二极管作为探测器接收信号。光载波的调制是振幅移位键控，也称为强度调制。通常，在给定的频率下，光的出现和消失代表两个二进制数。发光二极管和ild的信号可以用这种方式调制，pin和ild探测器直接响应亮度调制。功率放大器将光放大器放置在光传输端的前面，以增加输入光纤的光功率。提高了整个线路系统的光功率。在线中继放大可以起到中继放大的作用，提高建筑群较大或建筑间距较远时的光功率。前置放大器在接收端放大光电探测器后的微信号，以提高接收能力。1.5光纤传输特性光纤不使用电子信号来传输数据，而是使用光脉冲来传

7、输传输信号。正是这种特殊材料使它比电缆具有无可比拟的优势：(1)极宽的频带：它具有极宽的频带范围，以千兆比特测量；(2)抗干扰能力强：由于光纤传输光束，光束不会受到外界电磁干扰的影响；(3)保密性强：由于传输光束，不会向外辐射信号，有效防止窃听；(4)传输速度快：光纤是迄今为止最快的传输介质。(5)长传输距离：其主要衰减极小，在大范围内是常数，在许多情况下几乎可以忽略不计，在这方面远远优于电缆。1.6光纤发展历史1880年，贝尔发明了一种“光学电话”，利用光波作为载体来传输语音信息。它证明了利用光波作为载体来传输信息的可能性，这是光通信史上的第一步。1960年，美国科学家满妹发明了第一台红宝石

8、激光器。与普通光相比，激光：光放大是一种同频同相的相干光，其特性与无线电波相似，是一种理想的光载体。因此，激光的出现使光通信进入了一个新的阶段。1966年，出生于英国的中国人高锟博士利用无线电波导通信原理首次提出了低损耗光纤的概念。1970年，美国康宁公司首次成功研制出损耗为20db/km的应时光纤(光沿光纤传输1 km后，光损耗为原始损耗的1%)，是一种理想的传输介质。同年，贝尔实验室成功研制出室温连续振荡的半导体激光器。此后，光纤通信迅速发展的时代已经开始，所以人们把1970年称为光纤通信的第一年。1974年，贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，称为“改进气相沉积(mcvd)”，光纤损耗

9、降低到1db/km。1976年，日本电报电话公司开发了一种低损耗光纤，损耗降至0.5分贝/千米。1976年，美国在亚特兰大成功地进行了44.7兆位/秒的光纤通信系统测试。日本电报电话公司开始了64千米、32兆比特/秒的突变折射率光纤系统的实验室测试，并成功研制出1.3微米波长的半导体激光器。1979年，日本电报电话公司开发了一种0.2分贝/千米的极低损耗应时光纤(1.5微米)。1984年，实现了中继距离为50公里、速度为1.7千兆比特/秒的实用光纤传输系统。1990年，采用1.55微米长波长单模光纤传输系统，实现了中继距离超过100公里、速度为2.4gb/s的光纤传输。自20世纪90年代以来，

10、第四代光纤通信系统的特点是通过使用光放大器来提高频分复用速率和增加中继距离。可以使用(或不使用)相干接收来将系统的通信容量提高几个数量级。实现了2.5gb/s传输4500公里和10gb/s传输1500公里的实验。目前，电弧光通信系统正在研究和开发中。光弧，即由于光纤的非线性效应和光纤的色散相互抵消，使得光脉冲在无损光纤中传输而不改变其形状。光弧通信系统将使超长距离光纤传输成为可能。实验表明，光弧可以以2.5 gb/s的比特率沿环路传输14000公里1.7光纤应用光纤液位检测器的工作原理光纤传感技术是光通信技术和半导体技术发展产生的一种新型传感技术。光传感、光通信和电子技术相互交叉、相互渗透的高

11、新技术，是国家“十五”计划支持的信息产业的重要组成部分。因此，光纤技术在许多方面有很大的应用，简要介绍如下：1.光纤液位传感器：在我国石化、冶金和国防部门，石油、化工产品等易燃易爆液体的储存、检测和安全管理一直是一个难题。长期以来，大多数企业采用人工检查和管理，劳动强度大，危险性大，储罐爆炸和人员伤亡时有发生。光纤液位传感器检测程度高，使用方便，稳定可靠，特别是采用光纤电缆采集和传输信号，现场无电气检测侧，本质安全防爆，特别适用于易燃易爆场所的储罐检测。对即将投产的光纤液位传感器的价格调查和分析表明，目前中国的年需求量应该在10000台以上，第一天市场需求仍在快速增长。2.接入网技术：所谓的光

12、接入网(oan)是一种使用光纤传输技术的接入网，通常指的是在本地交换机或远程模块与用户之间使用光纤通信或部分光纤通信的系统。一般来说，oan指的是采用基带数字传输技术的接入传输系统，旨在传输双向交互业务。将来，它应该能够通过数字或模拟技术升级和传输宽带广播和交互式服务。光纤的应用包括：光纤高温测量仪、光纤阀门位置中继器等。光纤传输的理论分析光是一种频率极高的电磁波，而光纤本身是一种介质波导，所以光在光纤中的传输理论非常复杂。在这一章中，我们只从几何光学的角度来讨论光纤中的光传输路径，这样可以更直观、更形象地理解光纤的光传输理论。对于多模光纤来说，由于其几何尺寸远大于光波的波长，光波可以被视为光

13、线，这是基本的出发点(1)斯涅尔反射定律：当入射光在两种介质的界面反射时，反射光位于入射光和法线所确定的平面内，反射光和入射光在法线的两侧相互分离。反射角3等于入射角1，即1=3。(2)斯涅尔折射定律：当入射光在两种介质的界面处折射时，折射光位于入射光和法线nn所确定的平面内，折射光和入射光在法线的两侧相互分离。入射角1和折射角 2之间存在这样的关系： n1 sin1=n2 sin2。2.2光的全反射根据折射理论，当光从折射率大的介质进入折射率小的介质时，折射角将大于入射角，当入射角i增大时，折射角也将增大。当入射角增加到一定角度 c时，折射角t=90，当折射角为90时，相应的入射角i称为临界

14、角c。此时，折射定律变为：sinc/sin90=n1/n2，sinc=n2/n1。当入射角i大于临界角c，即ic时，光被两个介质之间的界面以角度r=i全反射回第一介质，这称为光的全反射。只有当光从大折射率介质入射到小折射率介质时，才会发生全反射。2.3光波在光纤中的传播原理和导光条件光波在光纤中的传播光线可分为两种：子午线和斜射线。当光在光纤中的传播路径总是在同一平面上时，这种光在光纤中称为子午光。另一束光不在一个平面上，也不穿过光纤的轴。当入射光纤到达边界时，它在内部被完全反射。这条射线在横截面上的投影是一条虚线，叫做斜射线。本文以子午线为例，分析了光纤中的光传输。根据光纤中传输模式的数量，

15、光纤可分为单模光纤和多模光纤。只有基模在单模光纤中传输。多模光纤不仅可以传播基模，还可以同时传输其他模式。目前，通信领域常用的多模光纤有两种：阶跃多模光纤和梯度多模光纤。阶梯光纤和梯度光纤中纤芯和包层的折射率分布如图所示。从图中可以看出，阶跃折射率纤芯的折射率均匀，包层的折射率略低。从纤芯到玻璃包层的折射率只有一个阶跃，这是阶跃折射率多模光纤的起源。梯度折射率光纤中从纤芯到玻璃包层的折射率逐渐降低。与阶跃折射率光纤相比，这种变化可以克服许多阶跃折射率光纤的缺点，因此市场上的多模光纤大多是梯度光纤。2.3.1单模光纤中的光传播单模光纤：中心玻璃纤芯非常薄(纤芯直径通常为9或10m)，只能传输一种

16、模式的光。因此，它被称为单模光纤。由于单模光纤的特性，它的模间色散非常小，非常适合通信。然而，单模光纤具有材料色散和波导色散。在1.31m波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，其低损耗窗口为1.31 m单模光纤中光的传播路径简单地是平行于光纤轴的直线。单模光纤具有这种光传输轨迹的原因是，只有一种模式的光波可以在单模光纤中传播，而所有其他模式的光波都被切断。在图中，平行于光纤轴传播的光线代表基模光波的传播。2.3.2多模阶跃折射率光纤中的光传输在本文中，我们只研究经向光线在光纤中的传播。当光线传播到纤芯/包层界面时，会发生反射和折射现象。为了使光线的传播距离更远，光线不得在纤芯/包层界面折射，也就是说(2)光必须在纤芯/包层界面全反射，如果包层中折射光的折射角大于或等于90，则相应纤