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1、 光纤传输的基本理论返回主目录光纤结构光纤如何导光？如何分析光纤传输？几何光学法几何光学法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法根据全反射原理， 存在一个临界角c。 当c时，相应的光线将在交界面折射进入包层包层并逐渐 消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。 Acceptance angle: (接受角)定义临界角c的正弦为数值孔径数值孔径(Numerical Aperture, NA)。 根据定义和斯奈尔定律斯奈尔定律NA=n0sinc=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 (1.2) n0=1，由式（2.2）经简单计算得到式中=(n1-n2)
2、/n1为纤芯纤芯与包层包层相对折射率差相对折射率差。NANA表示光纤接收和传输光的能力。表示光纤接收和传输光的能力。？NANA越大越好，越大越好，or or 越小越好？越小越好？NA(或c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率越高。对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。NA越大， 纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好; 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限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。 (1.3)我要提问！ 时间延迟时间延迟 根据图1.4，入射角为的光线在长度为L(ox)的光纤中传输，所经历的路程
3、为l(oy)， 在不大的条件下，其传播时间即时间延迟时间延迟为式中c为真空中的光速。由式(2.4)得到最大入射角(=c)和 最小入射角(=0)的光线之间时间延迟时间延迟差近似为 (1.4)(5.5)这种时间延迟差在时域产生脉冲展宽脉冲展宽，或称为信号畸变信号畸变。 由此可见，突变型多模光纤突变型多模光纤的信号畸变是由于不同入射角的 光线经光纤传输后，其时间延迟时间延迟不同而产生的。式中，n1和n2分别为纤芯中心和包层的折射率， r和a分别为 径向坐标和纤芯半径，=(n1-n2)/n1为相对折射率差，g为折射率分布指数g g， (r/a)0(r/a)0的极限条件下，式(2.6)表示突变型多模光纤
4、 的折射率分布g g=2=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。具有这种分布的光纤，不同入射角的光线会聚在 中心轴线的一点上，因而脉冲展宽减小2. 渐变型多模光纤 渐变型多模光纤具有能减小脉冲展宽、增加带宽的优点。 渐变型光纤折射率分布的普遍公式为n11-=n2 ra 0ra n(r)= (2.6)由于渐变型多模光纤渐变型多模光纤折射率分布是径向坐标r的函数，纤芯各点数值孔径数值孔径不同.局部数值孔径NA(r)和最大数值孔径最大数值孔径NANAmaxmax 渐变折射率光纤的纤芯可以看作是一组层与层之间有细微 的折射率变化的薄层, 其中在中心轴线处的层具有的折射
5、率 为n1，在包层边界的折射率为n2。这也是制造商如何来制造 光纤的方法。图 1.5 渐变型多模光纤的光线传播原理 射线方程的解射线方程的解 式中，为特定光线的位置矢量， s为从某一固定参考点起 的光线长度。选用圆柱坐标(r, ，z)，把渐变型多模光纤的子午 面(r - z)示于图1.5。如式(1.6)所示，一般光纤相对折射率差都很小，光线和中 心轴线z的夹角也很小，即sin。由于折射率分布具有圆对称圆对称性性和沿轴线的均匀性沿轴线的均匀性，n与和z无关。在这些条件下， 式(1.7)可简化为 (1.8)射线方程的解射线方程的解 用几何光学方法几何光学方法分析渐变型多模光纤渐变型多模光纤要求解射
6、线方程， 射线方程一般形式为(1.7)解这个二阶微分方程， 得到光线的轨迹光线的轨迹为 r(z)=C1sin(Az)+C2 cos(Az) (1.10)式中，A= ， C1和C2是待定常数，由边界条件确定。 设光线以0从特定点(z=0, r=ri)入射到光纤，并在任意点(z, r)以*从光纤射出。由方程(1.10)及其微分得到(1.9)C2= r (z=0)=ri C1= (1.11 )把式(1.6)和g=2代入式(1.8)得到 由图1.5的入射光得到dr/dz=tanii0/n(r)0/n(0)， 把这 个近似关系代入式 (1.11) 得到由出射光线得到dr/dz=tan*/n(r)，由这个
7、近似关系 和对式(2.10)微分得到*=-An(r)risin(Az)+0 cos(Az) (1.12b)取n(r)n(0)，由式(2.12)得到光线轨迹的普遍公式为把C1和C2代入式(1.10)得到 r(z)=ricos(Az)+ (1.12a)r* =cos(Az) -An(0) sin(Az) cos(Az) r1这个公式是自聚焦透镜自聚焦透镜的理论依据。(1.13)由此可见，渐变型多模光纤渐变型多模光纤的光线轨迹是传输距离z的正 弦函数，对于确定的光纤，其幅度的大小取决于入射角0， 其周期=2/A=2a/ ， 取决于光纤的结构参数(a, )， 而与 入射角0无关。 自聚焦效应自聚焦效应
8、 为观察方便，把光线入射点移到中心轴线(z=0, ri=0)，由式(1.12)和式(1.13)得到(1.14a)*=0cos(Az) (1.14b)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，见图1.5和图1.2(b)， 这种现象称为 自聚焦自聚焦(Self-Focusing)(Self-Focusing)效应效应。 渐变型多模光纤渐变型多模光纤具有自聚焦效应自聚焦效应，不仅不同入射角相应的光线会聚在同一点上，而且这些光线的时间延迟也近似相等。1.2.2 光纤传输的波动理论波动理论是一种比几何光学方法更为严格的分析 方法，其严格性在于：(1)从光波的本质特性电磁
9、波出发，通过求解 电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁场的场 分布,具有理论上的严谨性；(2) 未作任何前提近似，因此适用于各种折射率 分布的单模和多模光波导。 Maxwell方程组 求解思路 模式的概念 光纤模场求解 MAXWELLS EQUATIONS B = 0 D = E = B/t H = J +D/t From the first line, the normal components of D and B are continuous across a dielectric interface From the second line, the tangential compon
10、ents of E and H are continuous across a dielectric interface分析思路麦克斯韦 方程组波动方程 （亥姆赫兹方程）特征方程 本征解传输特性 分析分离变量 电矢量与磁矢量分离: 可得到只与电场强 度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强度 H(x,y,z,t)有关的方程式； 时、空坐标分离: 亥姆霍兹方程，是关于 E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式； 空间坐标纵、横分离：波导场方程，是关 于E(x,y)和H(x,y)的方程式； 边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢 量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续。麦克斯韦 方程组
11、波动方程 ？电矢量与磁矢量分离: 可得到只与电场强度 E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强度H(x,y,z,t)有关的 方程式；时、空坐标分离：亥姆霍兹方程，是关于E(x,y,z) 和H(x,y,z)的方程式 单色波：矢量的Helmholtz方程空间坐标纵、横分离：得到关于E(x,y)和 H(x,y)的方程式；用纵向场表示横向场波动光学方法的最基本方程。它是一个 典型的本征方程。当给定波导的边界条件时 ，求解波导场方程可得本征解及相应的本征 值。通常将本征解定义为“模式”。模式的概念从而光场可表示为分离的形式：式中 为相移常数，也称为传播常数； 和 都是复矢 量，有幅度、相位和方向，表
12、示了 和 沿光纤横截面的分 布，称为模式场。特征解模式根据偏微分方程理论，对于给定的边界条件，简化的 麦克斯韦方程组有无穷多个离散的特征解，并可进行排序 。每一个特征解为：一个特征解为一个模式，光纤中总的光场分布则是这些 模式的线性组合：一系列模式可以看 成是一个光波导的 场分布的空间谱。模式的基本特性稳定性：一个模式沿纵向传输时，其场分布形式不变，即 沿z方向有稳定的分布。有序性：模式是波动方程的一系列特征解，是离散的、可 以排序的。排序方法有两种：一种是以传播常数 的大小 排序， 越大，序号越小；另一种是以两个自变量 排 序，所以有两列序号。叠加性：光波导中总的场分布是这些模式的线性叠加。
13、正交性：一个正规光波导的不同模式之间满足正交关系。模式的基本特征 每一个模式对应于沿光波导轴向传播的 一种电磁波； 每一个模式对应于某一本征值并满足全 部边界条件； 模式具有确定的相速群速和横场分布。 模式是波导结构的固有电磁共振属性的 表征。给定的波导中能够存在的模式及 其性质是已确定了的，外界激励源只能 激励起光波导中允许存在的模式而不会 改变模式的固有性质。 数学表达式： 物理意义： 光波导中所有模式（导模、漏摸、辐射摸） 相互正交，模式独立载运光能量，光波场总 功率等于各个模式携带功率的迭加； 光波导实际场分布可以表示为各个模式本征 函数的迭加。模式正交归一性模式命名 根据场的纵向分量
14、Ez和Hz的存在与否，可 将模式命名为： (1)横电磁模(TEM)： Ez0，Hz0； (2)横电模(TE)： Ez0，Hz0； (3)横磁模(TM)： Ez0，Hz0； (4)混杂模(HE或EH)：Ez0，Hz0。阶跃折射率光纤中的场解 数学模型 圆柱坐标系中的波导场方程 边界条件 本征解与本征值方程 本征值与模式分析数学模型 数学模型：阶跃折射率分布光纤是一种 理想的数学模型，即认为光纤是一种无 限大直圆柱系统，芯区半径a，折射率 为n1；包层沿径向无限延伸，折射率为 n2。光纤材料为线性、无损、各向同性 的电介质。图 2.6 光纤中的圆柱坐标 六个场分量：Er，E，Ez，Hr，H，Hz。
15、但并不是相互独立的，横向分量由两个纵向分量唯一确定。式中，E和H分别为电场电场和磁场磁场在直角坐标中的任一分量， c为光速。选用圆柱坐标(r，z)，使z轴与光纤中心轴线一致， 如图2.6所示。将式(2.18)在圆柱坐标中展开，得到电场的z分量Ez 的波波动方程动方程为(2.18a)(2.18b)(2.19)1. 波动方程和电磁场表达式设光纤没有损耗，折射率n变化很小，在光纤中传播的是 角频率为的单色光，电磁场与时间t的关系为exp(jt)，则标量标量 波动波动方程(Helmholtz方程)为 磁场分量磁场分量Hz的方程和式(2.19)完全相同，不再列出。解方程(2.19)，求出Ez 和Hz，再通过麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组求出 其他电磁场分量，就得到任意位置的电场电场和磁场磁场。 变量分离法： 把E
