《光纤通信原理》PPT课件

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1、第2章光纤和光缆第2章光纤和光缆2.1光纤的结构和类型2.1.1光纤的结构2.1.2光纤的类型2.2光纤的传输原理2.2.1几何光学方法2.2.2光纤传输的波动理论2.3光纤传输特性2.3.1光纤的损耗特性2.3.2光纤的色散特性2.3.3光纤的频带特性2.1光纤的结构和类型2.1.1光纤的结构2.1.2光纤的类型2.1.1光纤的结构纤芯：玻璃n1传导光波包层：玻璃n2将光封闭在光纤中传播涂敷层：环氧树脂或硅橡胶增强光纤的机械强度图2-1光纤的结构图2.1.2光纤类型二.按光纤结构分a-b-ab在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。

2、这种光纤频带较窄，适用于小容量短距离通信rn1.阶跃光纤（SIF）2.渐变光纤（GIF）a-ab-brn纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。这种光纤频带较宽，适用于中容量中距离通信三.按传输光场模式分1.多模光纤（MMF）：对于较大的纤芯直径（50μm），纤芯内传输多个模式的光波。（1）大尺寸阶跃光纤（2）大尺寸渐变光纤2.单模光纤（SMF）：单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4μm～10μm范围内。此光纤带宽极宽，适用于大容量、长距离通信2.2光纤的传输原理2.2.1几何光学方法光的折射与反

3、射当光线大于临界角入射当光线小于临界角入射光纤的传光原理1.突变型多模光纤数值孔径表示光纤接收光的能力时间延迟g=2，n(r)按平方律(抛物线)变化，表示常规渐变型多模光纤的折射率分布由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax（1）NA2.光在渐变光纤中传播由于渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径不同，所以要定义局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径NAmax（2）射线方程的解射线方程1）将光线轨迹（r）和空间折射率分布(n)联系起来2）由射线方程可推导出光纤轨迹表达式圆柱坐

4、标系折射率具有圆对称性和沿轴线分布的均匀性，n与θ，z无关(3)射线方程的解取n(r)≈n(0)得到光线轨迹的普遍公式为：1)渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正弦函数2)对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角θ0，其周期Λ=2π/A=2πa/，取决于光纤的结构参数(a,Δ)，而与入射角θ0无关。θ*=θ0cos(Az)把光线入射点移到中心轴线(z=0,ri=0)，(4)自聚焦效应这说明不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在P点上，这种现象称为自聚焦效应。2.2.2光纤传输的波动理论--光在光纤中的模式传播光纤-圆柱形介质波导电场或磁场在波导中的某

5、种稳定存在的形式1波动方程和电磁场表达式求得纵向场分量，在得到横向场分量38光沿Z轴传播，传输常数为β光纤的圆对称性，应为方位角的周期函数k=2π/λ=2πf/c=ω/cλ和f为光的波长和频率这样就把分析光纤中的电磁场分布，归结为求解贝塞尔方程设：纤芯(0≤r≤a)折射率n(r)=n1包层(r≥a)折射率n(r)=n2为求解此方程，引入无量纲参数u,w和V。u2=a2(n21k2-β2)0≤r≤a导波径向归一化相位常数w2=a2(β2-n22k2)ra导波径向归一化衰减常数V2=u2+w2=a2k2(n21-n22)归一化频率归一化传输常数利用这些参数，把式(2.21)分解为两

6、个贝塞尔微分方程：因为光能量要在纤芯(0≤r≤a)中传输：在r=0处，电磁场应为有限实数在包层(r≥a)，光能量沿径向r迅速衰减当r→∞时，电磁场应消逝为零。在纤芯和包层的电场Ez(r,φ,z)和磁场Hz(r,φ,z)表达式为光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数Jv(u)类似振幅衰减的正弦曲线Kv(w)类似衰减的指数曲线u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布，称为横向传输常数β决定纵向(z)电磁场分布和传输性质，所以称为纵向传输常数Jv(u)和Kv(w)图2特征方程和传输模式因为电磁场强度的切向分量在纤芯包层交界面连续，在r=a处应该有每一条曲线表示一个传输模式的β随

7、V的变化归一化传输常数归一化频率模式截止要求在包层电磁场消逝为零，必要条件是w>0。如果w<0，电磁场将在包层振荡，传输模式将转换为辐射模式，使能量从包层辐射出去。w=0(β=n2k)介于传输模式和辐射模式的临界状态，这个状态称为模式截止。其u、w和β值记为uc、wc和βc，此时V=Vc=uc。模式远离截止模式远离截止当V→∞时，w增加很快，当w→∞时，u只能增加到一个有限值，这个状态称为模式远离截止，其u值记为u∞。LP模对于弱导波光纤（Δ＜1%），一些精确模的传输常数接近相同