现代通信技术第2版魏东兴冯锡钰光纤CH2章节.ppt

第二章 光纤和光缆 2.1? 光纤结构和类型 2.1.2光纤类型 图2-3 三种基本类型的光纤 2.2 光纤的几何光学分析 2.2.2 光在多模阶跃光纤中的传输 2.2.2 光在多模阶跃光纤中的传输 因为n1和n2 相差很小，NA可近似表示 2.2.3光在多模渐变光纤中的传输 2.3 光纤的波动光学分析 得出波动方程 2.3.2 光纤中的模式 2.3.2 光纤中的模式（C1） 2.3.3 单模光纤的模式特性 双折射 双折射（C1） 2.4 光纤的传输特性 2.4.2 光纤的色散特性 2. 多模光纤的色散特性 2.5 光纤中的非线性光学效应 2.5 光纤中的非线性光学效应（C1） 2.5 光纤中的非线性光学效应（C2） 2.6 光缆及连接技术 2.6.2 光纤及光缆的连接 熔接机 2.活动连接 3. 光缆的连接 作为总结 Let’s see a movie. 尚辅网 / 本章内容： 2.1 光纤结构和类型 2.2 光纤的几何光学分析 2.3 光纤的波动光学分析 2.4 光纤的传输特性 2.5 光纤中的非线性光学效应 2.6 光缆及连接技术 包层n2 纤芯n1 涂敷层 光纤的结构 纤芯： 极高纯度的SiO2，其中掺入极少量的磷或锗掺杂剂，以提高纤芯的折射率n1 。 包层：含有极少量掺杂剂的SiO2，只是掺杂剂为氟或硼，以降低包层的折射率。这样使包层的折射率略小于纤芯的折射率n2 涂敷层，其作用是保护光纤不受水气的侵蚀和机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性。 塑料外套：加在涂敷层外，起保护作用。 2.1.1 ? 光纤结构 图2-2 阶跃光纤和渐变光纤折射率分布 1. 按光纤横截面上折射率分布的情况来分类 : 阶跃折射率型光纤(简称阶跃光纤) 渐变折射率(也称梯度折射率)型光纤(简称渐变光纤或梯度光纤) 见下图 光纤中的传输模式数量分类多模光纤、单模光纤 式（2-1）： 当nln2 ，定义临界角 当?1 ?C ，全反射 入射角=反射角 ?1＝ ?1 折射定律 2.2.1 射线理论要点 SNELL 定律（反射定律+折射定律） 子午线 偏射线 NA表示了光纤接收光的能力 定义数字孔径NA (2-3)式中设n0=1，真空折射率 实际上?越大， ? ? 也越大，模式色散增加 NA越大，光纤接收光的能力越强，即? 应该越大。 实际上? 很小，因为最短光线的耗时与最长光线的耗时差? ?： 去2.4 (2-8) 完全自会聚应满足(2-8)式： 可大大地降低模式色散 光在介质中的传播速度: v=c/n 子午线传播情况如图2-7所示。 由麦克斯韦方程组 +物质方程得出： 2-10 2-11 2-12 2-13 2-14 2-15 2.3.1波动方程 简谐振荡场波动方程（Helmholtz）为： ?2E+k2E=0 ?2H+k2H=0 （ 矢量Helmholtz ） 其中:k=nk0 k0=2?/?,在直角坐标系中，E、H的三个分量均满足： ?2?+k2 ?=0 或 ?· ? ?+k2 ?=0 (标量Helmholtz ) 几个近似条件： 线性响应，均匀各向同性：?、?为标量: ? ?=0、 ? ?=0（弱导） 无源、不导电：J=0 , ?=0 , ? = 0 简谐振荡场，?/?t= j? ?2/?t2 =-?2 上式代入Helmholtz方程，得（2-18）式： 其中Ez为：Ez=E0exp[j(?t-?z)]，得（2-26）式： 上下两式分别表示纤芯和包层的电场分布，其中振幅分别由Jm和Km表示，见图2-8 将Helmholtz方程放到圆柱坐标系中求解： 其中上式中： 同理可得其他几个分量Hz 、 E? 、 H? 、 Hr 、 Er 利用边界条件，切向分量（z向）连续及法向分量(r径向)梯度连续的边界条件： 一个?或b就是一个传输模式，从左图可以读出单模传输的条件 可得到色散方程或特征方程，进而得到传播常数?mn 如图2-9，纵轴归一化?——b，见（2-30）式，横轴由（2-29）式决定 式中：V——归一化频率 b——归一化传输常数 该式取等号对应的?= ?c为截止波长,??c为单模传输,??c为多模传输 单模时，只支持单一的基模HE11 单模传输时,可以调整a值,所以a值比较小 单模传输条件，由J(V)=0（芯幅度为0）可得 ： 水平x轴极化的电场分布表达式： （2-32） 光纤圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此，HE11（LP01）模的x-偏振模HE x11（Ey=