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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级：电子0902指导教师：洪建勋工作单位：信息工程学院题 目: 单模光纤的基模计算初始条件：计算机、beamprop软件要求完成的主要任务:1、课程设计工作量：2周2、技术要求：（1）学习 beamprop 软件。（2）设计一个单模光纤，分析单模光纤的电磁场分布，并研究输入光波波 长、纤芯折射率、纤芯半径对单模光纤传输模式的影响。（3）对单模光纤的电磁场分布和传输模式进行 beamprop 软件仿真工作。3、查阅至少 5 篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰 写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。时间安排：2012.6.25 做课设具体
2、实施安排和课设报告格式要求说明。2012.6.25-6.28 学习 beamprop 软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本 理论知识。2012.6.29-7.5 对单模光纤进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。2012.7.6 提交课程设计报告，进行答辩。指导教师签名：年 月 日系主任（或责任教师）签名目录摘 要 IAbstract II1绪论12 光纤概述22.1 光纤基本介绍22.1.1 光纤的结构22.1.2 光纤的分类22.2 光纤的波动理论分析53 单模光纤73.1 单模传输的条件73.2 单模光纤的特性参数73.2.1 衰减系数73.2.2 色散系数73.2.3 模场直径83.
3、2.4 截止波长84 Beamprop 介绍 105 软件仿真115.1 软件参数设置115.2 软件仿真及结果分析145.2.1 单模光纤的电磁场分布145.2.2 输入光波长对单模光纤模式的影响155.2.3 折射率对单模光纤模式的影响165.2.4 纤芯半径对单模光纤模式的影响186 心得体会20参考文献21摘要光纤通信是利用光导纤维来传输光波信号。光纤通信作为现代通信的主要传 输手段，在现代通信网中起着重要作用。自光纤通信问世以来，整个通信领域发 生了革命的变化，它使高速率、大容量的通信成为可能。单模光纤是在给定的波长上，只能传输单一基模的光纤。单模光纤相比于 多模光纤可支持更长传输距
4、离，更大的宽带，这对于高码速传输是非常重 要的。关键词：光纤，通信，基膜，宽带AbstractOptical fiber communication transmits light wave signals with fiber material. As the main means of transmission of the modern communication, optical fiber communication plays an important role in modern communication networks. Since the advent of optica
5、l fiber communication, the entire field of communications has undergone revolutionary changes, and it enables high-speed, large-capacity communication possible.Single-mode fiber can only transfer a single fundamental mode fiber in a given wavelength. Compared to multimode fiber, single-mode fiber ca
6、n support longer transmission distance and the greater broadband. This is very important for high code rate transmission.Keywords: Optical fiber, communication, fundamental mode, broadban1 绪论光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现 代电信网中起着举足轻重的作用。光纤通信作为一门新兴技术，其近年来发展速 度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来 信息社
7、会中各种信息的主要传送工具。光纤通信是现代通信网的主要传输手 段，它的发展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长 多模光纤和长波长单模光纤。采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、 日、英、法等 20 多个国家已宣布不再建设电缆通信线路，而致力于发展光 纤通信。中国光纤通信已进入实用阶段。光纤通信的诞生和发展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、 移动通 信并列为 20 世纪 90 年代的技术。进入 21 世纪后，由于因特网业务的迅速 发展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量（超高速和超长 距离）光波传输系统和网络有了更为迫切的需求。总之，从一九七0年到现在虽然只有短短不到
8、三十年的时间，但光纤通信技 术却取得了极其惊人的进展。用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通 信，这一几百年来人们梦寐以求的幻想在今天已成为活生生的现实。然而就目前 的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的 2左右，尚有巨大的潜力等待 人们去开发利用。因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶 段方向发展。2光纤概述2.1光纤基本介绍2.1.1光纤的结构光纤有不同的结构形式。目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的 横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。折射率高的中心部分叫 纤芯，其折射率为nl,直径为2a；折射率低的外围部分称为包层，其折射率为 n2，直径为
9、2b。光纤的基本结构如图2-1所示。图2-1光纤基本结构2.1.2光纤的分类目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射 率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。 此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光 纤与塑料光纤等。按折射率分布分类阶跃光纤与渐变光纤。阶跃光纤：所谓阶跃光纤是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均 匀的，其nl与n2,但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，如图 2-2所示。图2-2阶跃光纤折射率分布阶跃光纤的折射率变化也可以用折射率沿半径的分布函数来表示为n r an(r) = iin a
10、 r aV 2 1 2渐变光纤：所谓渐变光纤是指光纤轴心处的折射率最大（nl）,而沿剖面径向 的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处, 正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是 均匀的即为n2。如图2-3所示。图2-3渐变光纤折射率分布渐变光纤的折射率变化也可以用折射率沿半径的分布函数来表示为n(r)二(r1 - 2A (a1 J1/2a r a12式中：a为光纤折射率分布指数，a为光纤纤芯半径，A为光纤的相对折射率差， n 为纤芯轴心处的折射率， n 为包层的折射率。12按传播模式分类一多模光纤与单模光纤。在一定的工作波长上，当有
11、多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模 光纤。多模光纤截面折射率的分布有均匀和非均匀两种。多模光纤的线芯直径一 般为50um,包层外径为125um。由于纤芯直径较大，传输模式较多，这种光纤 的传输特性较差，带宽较窄，传输容量也较小。单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模（最低阶模）， 不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的宽带，这对于高码速传输是非常重 要的。单模光纤的折射率一般呈阶跃型分布，线芯直径一般为810um，包层直 径为 125um。按工作波长分类一一短波长光纤与长波长光纤。短波长光纤：在光纤通信发展的初期，人们使用的光波之波长在0.60.9微米范围（典 型值为
12、0.85 微米），习惯上把在此波长范围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光 纤。短波长光纤属早期产品，目前很少采用。长波长光纤：后来随着研究工作的不断深入，人们发现在波长1.31 微米和1.55 微米附 近，石英光纤的衰耗急剧下降如图2.4所示。不仅如此，而且在此波长范围内石 英光纤的材料色散也大大减小。因此人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此 波长范围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在1.02.0微米波长范围 的光纤称之为长波长光纤。长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用 于长距离、大容量的光纤通信。按套塑类型分类一一紧套光纤与松套光纤。紧套光纤：所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与
13、予涂敷层及光纤的纤芯，包层等紧密 地结合在一起的光纤。目前此类光纤居多。未经套塑的光纤，其衰耗一一温度特 性本是十分优良的，但经过套塑之后其温度特性下降。这是因为套塑材料的膨胀 系数比石英高得多，在低温时收缩较厉害，压迫光纤发生微弯曲，增加了光纤的 衰耗。松套光纤：所谓松套光纤是指，经过予涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再 进行二次、三次涂敷。松套光纤的制造工艺简单，其衰耗一一温度特性与机械性 能也比紧套光纤好，因此越来越受到人们的重视。2.2 光纤的波动理论分析一般有两种方法用于讨论光在光纤中的传播，建立并解光线路径方程或电磁 场方程。实际上前者是后者的短波长极限，由于单模光纤的工作
14、波长已经和其尺 寸相比拟，几何光学的处理方式已不合适，而将光在光纤中的传播看作一个电磁 场边值问题则能得到一个，几个或一系列严格解，并且此方法对单模和多模光纤 都适用。光波是一种特定波长范围内的电磁波，当光在光纤中传播时，实质上就是电 磁波在介质波导中的传播过程，因此，他必须满足麦克斯韦方程组。用波动理论 分析光纤波导中的波，就是求满足边界条件的麦克斯韦方程组的解。在均匀光纤中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在电流和自由 电荷，因此在无源区域，均匀、无损、简谐形式的麦克斯韦方程组为Vx E = _jpHVx H = jto EVv D = ov B = 0从麦克斯韦方程组出发，可以导
15、出光波所满足的亥姆霍兹方程。电场矢量和 磁场矢量的亥姆霍兹方程可以简写为V 2 E + k 2 E = 0VV 2 H + k 2 H = 0在单一均匀介质中传播的波为平面波，称为横电磁波，用TEM表示，TEM 波的电场方向与磁场方向与波的传播方向垂直，即在波导的传播方向上既没有磁 场分量也没有电场分量，即三者两两垂直。当波在几种介质组成的空间中传播时， 根据传播方向上电磁场分量又可以分为TE波、TM波、EH波和HE波。TE波 又称为横电波， TM 波又称为横磁波， EH 波和 HE 波称为混合波，在光纤中存 在 TE 波、 TM 波、 EH 波和 HE 波四种波型。对于同一类型的波，其场强在圆周方向或径向方向的分布情况又会有所区 别，及电磁场的分布会不尽相同。通常把一种电磁场的分布就叫做一个模式。这 样的电磁场就有很多模式，一般用TEmn、TMmn、EHmn和HEmn表示。m表示电 场或磁场沿圆周角方向分量的波节数；n表示电场或磁场沿半径方向分量的波节 数，及沿半径方向的暗区个数.HE】模是光纤中的基膜，它的截止波长为无穷大。 单模光纤中传播的就是这种模式。目
