第四章光波导(光纤)传输理论内容提要1.射线理论和波动理论基础。2.应用波动理论分析均匀光纤中的光波电磁场;对弱导波光纤,又用LP模方法进行了近似分析。3.应用射线理论分析均匀和非均匀光纤中光波电磁场的特性。4.导模截止条件和光纤中的单模传输条件等。5.光纤的传输特性:衰减和色散。光波?是高频率的电磁波,其频率为1014HZ量级,波长为微米量级。光纤?是工作在光频的一种介质波导,它引导光沿着与轴线平行的方向传输。电磁波的频谱图图4.1电磁波谱图4.1光纤的构成和分类4.1.1光纤的结构纤芯包层涂覆层阶跃型梯度型图4-2光纤结构纤芯——用来导光.包层——提供在纤芯内发生光全反射的条件.涂覆层——保护裸光纤不受外界微变应力的作用、防水、染成各种颜色加以区分等作用。4.1.2光纤的分类1.按折射率分布来分(1)阶跃型光纤SIF)()()(21arnarnrn(纤芯)(包层)(2)渐变型光纤GIF)()()(21)(2211arnararnrng式中:r为离开光纤轴心的距离,α为纤芯半径(µm),Δ为相对折射率差,g光纤折射率分布指数。rn1n2g=∞g=10g=2g=1αb2.按传输的模式数量来分(1)多模光纤MMF在工作波长一定的情况下,光纤中存在有多个传输模式,这种光纤称为多模光纤。(2)单模光纤SMF在工作波长一定的情况下,光纤中只一种传输模式,这种光纤称为单模光纤。三种基本类型的光纤3.按ITU-T(国际电信联盟——电信标准化机构)建议来分(1)G.651(MMF)(2)G.652(SMF)(3)G.653(SMF)(4)G.654(SMF)(5)G.655(SMF)ITU-T建议已公布的光纤标准。如表4.1图2—21拉丝设备和拉丝工艺示意图图2—19MCVD法示意图光纤制作过程4.1.3光缆结构及分类光缆和电缆一样是由缆芯(光纤和加强件)和外护层构成的整体。光缆中的加强件是由钢丝线、钢绞线和芳伦纤维(非金属)材料构成。光缆中的外护层是由聚乙烯(PE)、铝箔(LPA)以及塑料或金属构成,位于光缆的最外面,简称护层。按光缆的缆芯结构的不同分类,可分为四种:1.层绞式光缆——在一根松套管内放置多根光纤,多根松套管围绕中心加强件绞合成一体。2.骨架式光缆——由聚烯烃塑料绕中心加强件以一定的螺旋节距挤制而成3.中心束管式光缆——把光纤束(多根光纤)或光纤带置于松套管中,外有皱纹钢带铠装层。4.带状结构光缆——把多根带状光纤单元(每根光纤带可放4-16根光纤),叠合起来,形成多个短形光纤叠层,放入松套管内,可做成束管式结构。中心束管式光缆图带状结构光缆层绞式光缆骨架式光缆4.2光纤的导光原理光纤属于介质圆波导,分析导光原理很复杂,可用两种理论进行:首先用波动理论讨论导光原理(复杂、精确)然后采用射线理论分析导光原理(简单、近似)4.2用波动理论分析光纤的导光原理4.2.1阶跃光纤的波动理论分析光纤是介质圆波导,在光纤中传输的光波是导行电磁波,可以用第三章中已讲过的分析导波的方法进行分析。4.2.1.1假设1.假设光纤是一个无限长的直圆柱形、纤芯与包层在整个长度上都保持同心。2.光纤用理想材料制成,且为均匀介质,不存在传输衰减。3.光纤向无穷远处延伸,因此不存在反射。纤芯的折射率为n1,包层折射率为n2,且n1>n2,不随光纤长度而变化。4.包层厚度远大于光波长,因此可以将包层厚度看成无限大。4.2.1.2推导思路由于光纤是圆柱形的,分析问题时将同时采用直角坐标系和圆柱坐标系,如图所示。并让坐标系的z轴和光纤的轴线重叠以简化运算。令导波向+z方向传输,所以求得场方程中含有ejβz传播因子。光纤坐标鉴于Er、Eθ、Ez、Hr、Hθ、Hz这六个分量的相互关系,先求Ez和Hz。4.2.1.3推导纤芯和包层中的场方程式先设法解出光波导中场的纵向分量Ez、Hz,然后,利用第三章得到的场的纵向与横向分量之间的关系,再解出各个横向场分量Er、Eθ、Hr、Hθ。在均匀介质中,光纤中光波电磁场纵(轴)向分量EZ和HZ满足标量(波动方程)亥姆霍兹方程:022zzEkE022zzHkHnkkrr000式中00002k则标量的亥姆霍兹方程为:02202zzEnkE02202zzHnkH式中,Ez为电场在z轴的分量。选用圆柱坐标系(r、θ、z),使z轴与光纤中心轴线...