光纤通信 02 光纤光缆.ppt

光纤通信_02_光纤光缆
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第2章 光纤光缆
在光纤通信系统中，光纤是光波的传输媒介
研究光纤中光信号的传输可以采用两种方法
其一是几何光学方法
其二是波动光学方法
工程应用上需要重点关注光纤的传输特性
损中总是沿直线传播
光线经过两种不同的介质的交界面时，会发生偏折
在同一种介质中的偏折称为反射
在不同介质中的偏折称为折射
反射和折射分别遵循反射定律和折射定律
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一、光的射线理论
若光线从光密物质（n1）射向光疏物质（n2）时，当入射角θ1 满足以下关系
将产生全反射
光纤是利用光的全反射特性来导光的
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二、光纤的几何导光原理
用几何光学方法分析光纤传输原理，关注的问题主要是光束在光纤中传播的空间分布和时间分布
并由此得到数值孔径的概念
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1．阶跃折射率光纤
以阶跃折射率光纤传播子午光线（与光纤轴心线相交）为例
阶跃折射率光纤的全反射图
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1．阶跃折射率光纤
改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射
当θ<θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1
当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播（折射角为90°），如光线2，这时为全反射临界
当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3
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1．阶跃折射率光纤
只有在半锥角为θ≤θc 的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播
定义临界角θc的正弦为数值孔径（NA，Numerical Aperture)
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1．阶跃折射率光纤
数值孔径（NA，Numerical Aperture)
设 ， ，得到
即得到：
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1．阶跃折射率光纤
NA表示光纤接收和传输光的能力，NA（或θc）越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高
但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量
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2．渐变折射率光纤
以渐变折射率光纤传播子午光线为例
渐变折射率光纤的全反射图
纤芯折射率分布是随半径r方向变化
光线的传输轨迹不是直线而是弯曲的轨迹
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2．渐变折射率光纤
如果折射率分布恰当，有可能使不同角度入射的全部光线以同样的轴向速度在光纤中传输，同时达到光纤轴上的某点，即所有光线都有相同的空间周期，这种现象称为自聚焦
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2．渐变折射率光纤
由于渐变折射率光纤径向折射率是r的函数，不同的r处接受光线的能力不一样
数值孔径也因r而变化
光纤在离纤芯轴线r处入射，其局部数值孔径为
光纤在纤芯中心处入射，其最大理论数值孔径为
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说明
利用上述的射线分析方法，可以直观地对光纤的传光原理进行解释
但是必须要指出的是，射线分析方法虽然具有易于理解的优点
但其本质上是一种近似分析方法
只能定性地解释光纤的传光原理，并不能作为定量的分析依据
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光纤的波动传输理论
尽管几何光学的方法很有用，但与严格的模式分析的方法相比，有很多局限和不足
早在19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦就指出，光波是波长很短的电磁波
波动光学的基础是经典的电磁场理论，即满足麦克斯韦方程
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一、波动方程
当电磁波在没有电流和电荷的线性均匀介质中传播时，麦克斯韦方程可化简为波动方程
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一、波动方程
亥姆霍兹（Helmholtz）方程
求解该方程，可以得到光学中电磁场的完整描述
自由空间中光传播的相位常数
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三、光纤中的传输模式
光纤纤芯中的电场和磁场，包层中的电场和磁场均满足波动方程，但它们的解不是彼此独立的，而是满足在纤芯和包层处电场和磁场的边界条件
所谓的光纤模，就是满足边界条件的电磁场波动方程的解，即电磁场的稳态分布
这种空间分布在传播过程中只有相位的变化，没有形状的变化，且始终满足边界条件，每一种这样的分布对应一种模式
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1．传输模式
光纤中的模式是混合模
根据Ez和Hz的贡献大小
EH模（Ez > Hz）
HE模（Ez < Hz）
通常在光纤中传输的模式的数量很多（有限个），它与光的波长、光纤的结构（如纤芯的直径）、光纤的纤芯和包层的折射率有关
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1．传输模式
引入一个参数V（归一化频率）
自由空间中光传播的相