光纤与光纤通讯技术.docx

光纤与光纤通讯技术.docx光纤与光纤通讯技术引言自然界屮存在着大量的能够传递光的物质、我们称Z谓光的透明介质,如空气、水、玻璃、石英晶体、……但这些透明介质有一个共同的弱点就是光在其屮的损耗很大。这些损耗包括材料本身的杂质或缺陷的吸收和散射,光线在其界面上的反射引起的损耗等。由于这些原因,所以--般的透明介质并不能用来进行长距离的光学信息的传递。用高纯度的石英可以制作成经向尺寸很小的光学纤维。这就是我们通常所谓的“光纤”。实验证明,,而H前望远镜上使用的最高级的光学玻璃的损耗值都在500dB/Km以上,显然光纤的损耗要小得多。这样利用“光纤”来远距离传递信息就成了可能。世界上许多国家己经成功地利用光缆来进行远距离通讯,数据传输等。与铜导线相比较,光学纤维具有损耗低、线经细、重量轻、可挠性好、无感应、无出话、频带宽等优点。但石英光纤制作成本较高,现在已经开发出比较经济的塑料光纤。(1)平面波的反射与折射图1介质薄膜波导的结构—、介质薄膜波导在光纤通讯屮,传输光信号的介质是光纤。为分析问题的方便,我们采用薄膜介质模型来分析。如图所示,设屮间一层介质的折射率为山,厚度为d(d约在1〜100之间)光就在这一层介质中传播,其上、下分别是折射率“2、疋的其它介质,为了使光能在薄膜中形成全反射,所以"2、必必须小于坷。若心=必,称其为对称薄膜波导。一个波长为人的平面波在介质屮传播吋其波矢为2兀——e4S为波的行进方向。当波在介而上反射或折射时,由反射定律和折射定律告诉我们0{= (2)(3)/?!sin3{=n2sin^2且sing=1,(&=—)时入射角〃(;满足sing=—,此吋的入射角Oc2®称临介角,要使波在介面上发生全反射,入射角勺必须大于彳。(2)反射波的相位突变设入射波、反射波、折射波的电场强度表示式分别为Ej=E0IQx^(-iktr) (4)E[= exp(-注;-r) (5)(6)E2=Eg2exp(-z*2•/・)e(”e;”e°2分别表示入射波、反射波和折射波的复振幅,「表示波在行进过程屮的某点的位置矢量。显然kr=g表示的波在行进过程屮的相位变化,我们定义反射系数R三——=|R\exp(i20) (7)EOI折射系数T- 02=Tcxp(/202) (8)匕010,02分别表示在介面上反射波,折射波比入射波超前的相位。为了方便,我们用电场矢量与入射面垂直的水平偏振波为例,讨论其反射系数。Eg/血图2水平偏振波的反射与折射由电场和磁场的边界条件Ei+E;=E2H、cos&i-//[cos0[=H2cos02和电磁波的E,H关系(9)(10)(11)将式(11)代入式(10),利用在透明介质(12)利用式(9)、式(12)消去cos0| cos^f=y/~£^E2cos02E{COS02- COS&I)+Ef(yl~^2COS+yl~E{cos8:)=0E"cosq-JrT•cos02R—=——;—-E、 cos0\+cos6Z因折射率,」I=0],£;=£]n=^v所以d_ ・cos&[-n2・cos。?i\—zz,cos/9(+n2cos6,(13)由折射定律cos/=±J1-sin23^=±ll-(—)2-sin20xV V,l2(14)i前可取“-”号或“+”号,但当取“+”时第二介质中光波的幅度将随离开界面的距离而增加,在无限远处为无限大,故取“-”号,因此反射系数。R=R・exp(f2^|)/Zicos^i+in2/(—)2■5\n~3}-1V"27Z|-COS0|-77?o1(—)•In26^-1cos&i+ijsin,Q-(—)2cos0x一寸sin2q-(—)2由复数关系式btg(p=-^R可表示为A=a+ib=r(cos(p+isin(p)=re,<p比较式(7)得:R=\(15)(16)町以看出,在全反射的情况下,界面上反射波比入射波超前的相位由山,“2和入射角勺决定,当&严乞时反射不引起相位的突变,全反射吋入射角®必须满足于0vqv彳。在介质屮满足全反称的波称导行波,简称导波。对光波导而言导波是一种重要的波型,导波在薄膜介质屮,既有入射波,又有反射波。我们可以根据式(4)(5)(7)求得其合成波的电场E=2E0lCOS&*•x+0|)exp[-j(心•z-0i)]说明合成波在Z方向呈行波状态,合成波是沿Z方向传播的,在X方向,则不传播,呈驻波分布。(3)导波的特征方程前面己经说明平面波的入射角勺>彳吋在波导屮形成导波,但在勺>,只有当耳满足某些条件时才能在薄膜屮传播形成导波。图3推导特征方程的平面波图形设波导屮有两束来自同一波源的波线分别为4BCD与,两条虚线为它们的波面,这时两波的相位差\(p=-(BC-B'C\+2®+2(p'\20,2妨分别表示A