电磁场课件--第三章光波导

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1、§3.5光波导光波导是一个统称，光导纤维（光纤）是目前在信息技术中应用最广泛的导波机构。光波导属于介质波导，利用两种介质边界条件导引光波的传输。光纤与一般微波段使用的介质波导相比，其工作频率要高得多（光波长为微米级），横截面的尺寸也小得多，所以称其为光导纤维，简称为光纤。一光纤的结构型式及导光机理二单模光纤的标量近似分析光纤的结构多芯光缆一光纤的结构型式及导光机理1光纤的基本结构光纤是在圆形介质波导的基础上发展起来的导光传输系统。光纤是由折射率为n1的光学玻璃拉成的纤维作芯,表面覆盖一层折射率为n2(n2

2、)的玻璃或塑料作为套层所构成,也可以在低折射率n2的玻璃细管内充以折射率为n1(n2

3、射折射可以用光线满足反射、折射定律来描述。芯线和包层折射率满足条件，光线就会以全反射的形式在光纤中传播。3描述光纤的特性参量描述光纤的基本参数除了光纤的几何参数和介质参数外,还有光波波长λg、光纤芯与包层的相对折射率差Δ、折射率分布因子g以及数值孔径NA等为了描述光纤特性定义的特性参数。光波波长λg同描述电磁波传播一样,光纤传播因子为如下式,其中ω是传导模的工作角频率,β为光纤的相移常数。对于传导模,也应满足一定的条件。相对折射率差Δ光纤芯与包层相对折射率差Δ定义为下式；Δ越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强，但

4、信息传输容量却越小。它反映了包层与光纤芯折射率的接近程度。当Δ～0时,称此光纤为弱传导光纤。折射率分布因子g光纤的折射率分布因子g是描述光纤折射率分布的参数。一般情况下,光纤折射率随径向变化如下式所示:阶跃型光纤抛物型光纤渐变型光纤三种常用的光纤波导数值孔径NA光纤的数值孔径NA是描述光纤收集光能力的一个参数。从几何光学的关系看,并不是所有的入射到光纤端面上的光都能进入光纤内部进行传播,都能从光纤入射端进去从出射端出来,而只有角度小于某一个角度θ的光线,才能在光纤内部传播。这一角度的正弦值定义为光纤数值孔径

5、。光纤的数值孔径NA还可以用相对折射率差Δ来描述；这个关系可以说明为了取得较大的数值孔径,相对折射率差Δ应取大一些。光纤波导的数值孔径NA5光纤的传输特性描述光纤传输特性的参数主要有光纤的损耗和色散。光纤的损耗1966年7月，在高锟与G.A.霍克哈姆合作的一篇论文中提出：“只要设法降低玻璃纤维中的杂质，就能够获得能用于通信的传输损耗较低的光导纤维。”引起光纤的损耗的主要原因大致有光纤材料不纯、光纤几何结构不完善及光纤材料的本征损耗等。为此可将光纤损耗大致分为吸收损耗、散射损耗和其它损耗。吸收损耗是指光在光纤中

6、传播时,被光纤材料吸收变成热能的一种损耗,它主要包括:本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。散射损耗是指由于光纤结构的不均匀,光波在传播过程中变更传播方向,使本来沿内部传播的一部分光由于散射而跑到光纤外面去了。散射的结果是使光波能量减少。散射损耗有瑞利散射损耗、非线性效应散射损耗和波导效应散射损耗等。其它损耗包括由于光纤的弯曲或连接等引起的信号损耗等。高锟——“光纤之父”光纤电缆是本世纪最重要的发明之一。发明光纤电缆的，就是被誉为“光纤之父”的华人科学家高锟。1968年英籍华人高锟首先提出了光纤通信的概念，按照他的

7、理论，美国康宁公司制造了第一根用于光纤通信的光导纤维。现在用光纤做成的光缆已遍布全球，不仅铺设在陆地，也铺进了海洋。光纤通信彻底改变了人类通讯模式。高锟，华裔物理学家，生于中国上海，祖籍江苏金山（今上海市金山区），拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍德·史密

8、斯共享诺贝尔物理学奖。不管是哪种损耗，都可归纳为光在光纤传播过程中引起的功率衰减。一般用衰减常数α来表示；式中,P0、P1分别是入端和出端功率,L是光纤长度。当功率采用dBm表示时,衰减常数α可用下列公式来表示:由单模光纤波长与损耗的关系曲线图可见，在1.3μm和1.55μm波长附近损耗较低,且带宽较宽。光纤的色散特性所谓光纤的色散是指光纤传播的信号波形发生畸变的一种物理现象,表现为