第3章 光導(dǎo)纖維和光纜.ppt

2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 1 第3章光導(dǎo)纖維和光纜 光纖的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)用射線理論分析光纖的導(dǎo)光原理用波動(dòng)理論法分析光纖的導(dǎo)光原理單模光纖光纖的傳輸特性光纜的結(jié)構(gòu)和種類(lèi) 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 2 1光纖的結(jié)構(gòu)和分類(lèi) 1 1光纖的結(jié)構(gòu)1 2光纖的分類(lèi) 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 3 1 1光纖的結(jié)構(gòu) 通信用的光纖絕大多數(shù)是用石英材料做成的橫截面很小的雙層同心圓柱體 外層的折射率比內(nèi)層低 折射率高的中心部分叫做纖芯 其折射率為n1 直徑為2a 折射率低的外圍部分稱(chēng)為包層 其折射率為n2 直徑為2b 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 4 1 1光纖的結(jié)構(gòu) 光纖的結(jié)構(gòu) 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 5 1 2光纖的分類(lèi) 按照光纖橫截面折射率分布不同來(lái)劃分階躍型光纖纖芯折射率n1沿半徑方向保持一定 包層折射率n2沿半徑方向也保持一定 而且纖芯和包層的折射率在邊界處呈階梯型變化的光纖稱(chēng)為階躍型光纖 又稱(chēng)為均勻光纖 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 6 1 2光纖的分類(lèi) 按照光纖橫截面折射率分布不同來(lái)劃分漸變型光纖如果纖芯折射率n1隨著半徑加大而逐漸減小 而包層中折射率n2是均勻的 這種光纖稱(chēng)為漸變型光纖 又稱(chēng)為非均勻光纖 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 7 光纖的剖面折射率分布 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 8 1 2光纖的分類(lèi) 按照纖芯中傳輸模式的多少來(lái)劃分單模光纖 光纖中只傳輸一種模式時(shí) 叫做單模光纖 單模光纖的纖芯直徑較小 約為4 10 m 適用于大容量 長(zhǎng)距離的光纖通信 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 9 1 2光纖的分類(lèi) 按照纖芯中傳輸模式的多少來(lái)劃分多模光纖 在一定的工作波長(zhǎng)下 多模光纖是能傳輸多種模式的介質(zhì)波導(dǎo) 多模光纖可以采用階躍折射率分布 也可以采用漸變折射率分布 多模光纖的纖芯直徑約為50 m 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 10 光纖中的光射線軌跡 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 11 按光纖構(gòu)成的原材料分類(lèi)石英系光纖多組分玻璃光纖塑料包層光纖全塑光纖目前光纖通信中主要使用石英系光纖 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 12 2階躍型光纖 1 相對(duì)折射指數(shù)差2 階躍型光纖中的光射線種類(lèi)3 子午線的分析4 數(shù)值孔徑的概念 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 13 2 1相對(duì)折射指數(shù)差 光纖的纖芯和包層采用相同的基礎(chǔ)材料SiO2 然后各摻入不同的雜質(zhì) 使得纖芯中的折射指數(shù)n1略高于包層中的折射指數(shù)n2 它們的差極小 相對(duì)折射指數(shù) n1和n2的相差程度 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 14 2 1相對(duì)折射指數(shù)差 弱導(dǎo)波光纖 n1與n2差別極小 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 15 2 2階躍型光纖中的光射線種類(lèi) 子午面子午射線 子午面上的光射線在一個(gè)周期內(nèi)和該中心軸相交兩次 成為鋸齒形波前進(jìn) 這種射線稱(chēng)為子午射線 簡(jiǎn)稱(chēng)為子午線 子午線是平面折線 它在端面上的投影是一條直線 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 16 2 2階躍型光纖中的光射線種類(lèi) 圖2 7階躍光纖中的子午線 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 17 2 2階躍型光纖中的光射線種類(lèi) 斜射線不在一個(gè)平面里 是不經(jīng)過(guò)光纖軸線的射線 斜射線是限制在一定范圍內(nèi)傳輸?shù)?這個(gè)范圍稱(chēng)為焦散面 斜射線是不經(jīng)過(guò)光纖軸線的空間折線 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 18 2 2階躍型光纖中的光射線種類(lèi) 圖2 8階躍光纖中的斜射線 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 19 2 2階躍型光纖中的光射線種類(lèi) 在階躍型光纖中 不論是子午線還是斜射線 都是根據(jù)全反射原理 使光波在芯子和包層的界面上全反射 而把光波限制在芯子中向前傳播的 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 20 2 3子午線的分析 導(dǎo)波 攜帶信息的光波在光纖的纖芯中 由纖芯和包層的界面引導(dǎo)前進(jìn) 這種波稱(chēng)為導(dǎo)波 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 21 2 3子午線的分析 圖2 9光纖剖面上的子午射線 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 22 2 3子午線的分析 只有能滿足以下條件的射線 才可以在纖芯中形成導(dǎo)波 即滿足了全反射條件 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 23 2 4數(shù)值孔徑的概念 數(shù)值孔徑 表示光纖捕捉光射線能力的物理量被定義為光纖的數(shù)值孔徑 用NA表示 數(shù)值孔徑越大 就表示光纖捕捉射線的能力就越強(qiáng) 由于弱導(dǎo)波光纖的相對(duì)折射指數(shù)差 很小 因此其數(shù)值孔徑也不大 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 24 3階躍型光纖的標(biāo)量近似解法 用波動(dòng)理論進(jìn)行分析 通常有兩種解法 矢量解法標(biāo)量解法 矢量解法是一種嚴(yán)格的傳統(tǒng)解法 求滿足邊界條件的波動(dòng)方程的解 可以用標(biāo)量近似解法推導(dǎo)出階躍型光纖的場(chǎng)方程 特征方程以及在這些基礎(chǔ)上分析標(biāo)量模的特性 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 25 3 階躍型光纖的標(biāo)量近似解法 1 標(biāo)量近似解法2 標(biāo)量解的場(chǎng)方程的推導(dǎo)思路3 標(biāo)量解的特征方程4 階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 5 階躍光纖中的功率分布6 階躍光纖中導(dǎo)模數(shù)量的估算 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 26 1 標(biāo)量近似解法 在弱導(dǎo)波光纖中 光射線幾乎與光纖軸平行 弱導(dǎo)波光纖中的E和H幾乎與光纖軸線垂直 橫電磁波 TEM波 把E和H處在與傳播方向垂直的橫截面上的這種場(chǎng)分布稱(chēng)為是橫電磁波 即TEM波 弱導(dǎo)波光纖中的E和H分布是一種近似的TEM波 即是近似的橫電磁波 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 27 1 標(biāo)量近似解法 這種具有橫向場(chǎng)的極化方向 即電場(chǎng)的空間指向 在傳輸過(guò)程中保持不變的橫電磁波 可以看成為線極化波 或稱(chēng)線偏振波 由于E 或H 近似在橫截面上 而且空間指向基本不變 這樣就可把一個(gè)大小和方向都沿傳輸方向變化的空間矢量E變?yōu)檠貍鬏敺较蚱浞较虿蛔?僅大小變化 的標(biāo)量E 因此 它將滿足標(biāo)量的亥姆霍茲方程 通過(guò)解該方程 求出弱導(dǎo)波光纖的近似解 這種方法稱(chēng)為標(biāo)量近似解法 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 28 2 標(biāo)量解的場(chǎng)方程的推導(dǎo)思路 圖2 13光纖坐標(biāo) 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 29 2 標(biāo)量解的場(chǎng)方程的推導(dǎo)思路 1 首先求出橫向場(chǎng)Ey的亥姆霍茲方程 2 在圓柱坐標(biāo)中展開(kāi)得出 3 用分離變量法求解橫向場(chǎng)Ey 4 根據(jù)麥?zhǔn)戏匠讨蠩和H的關(guān)系可得出橫向磁場(chǎng)Hx的解答式 5 根據(jù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的橫向分量可用麥?zhǔn)戏匠糖蟪鲚S向場(chǎng)分量EZ HZ的解答式 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 30 3 標(biāo)量解的特征方程 用波動(dòng)理論去求特征方程 就是利用邊界條件 令場(chǎng)的表示式滿足邊界條件 即可得到特征方程 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 31 3 標(biāo)量解的特征方程 弱導(dǎo)波光纖標(biāo)量解的特征方程 利用第一類(lèi)貝塞爾函數(shù)與第二類(lèi)修正的貝塞爾函數(shù)的遞推公式 可證明這兩個(gè)式子相等 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 32 4 階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 1 標(biāo)量模的定義 極化 就是指隨著時(shí)間的變化 電場(chǎng)或磁場(chǎng)的空間方位是如何變化的 一般人們把電場(chǎng)的空間方位作為波的極化方向 如果波的電場(chǎng)矢量空間取向不變 即其端點(diǎn)的軌跡為一直線時(shí) 就把這種極化稱(chēng)為直線極化 簡(jiǎn)稱(chēng)為線極化 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 33 4 階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 1 標(biāo)量模的定義弱導(dǎo)波光纖可認(rèn)為它的橫向場(chǎng)是線極化波 以LP表示 LP模 LinearlyPolarizedmode 即線性偏振模的意思 在這種特定條件下傳播的模式 稱(chēng)為標(biāo)量模 或LPmn模 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 34 4 階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 2 截止時(shí)標(biāo)量模的特性 截止的概念 當(dāng)光纖中出現(xiàn)輻射模時(shí) 即認(rèn)為導(dǎo)波截止導(dǎo)波截止的臨界狀態(tài) 截止時(shí)的特征方程 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 35 4 階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 2 截止時(shí)標(biāo)量模的特性 截止情況下LPmn模的歸一化截止頻率Vc表2 1截止情況下LPmn模的Uc值 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 36 4 階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 2 截止時(shí)標(biāo)量模的特性 截止情況下LPmn模的歸一化截止頻率Vc階躍型光纖的單模傳輸條件0 V 2 40483 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 37 4 階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 3 遠(yuǎn)離截止時(shí)標(biāo)量模的特性 遠(yuǎn)離截止當(dāng)V 時(shí) 即為遠(yuǎn)離截止 遠(yuǎn)離截止時(shí)標(biāo)量模的特征方程 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 38 4 階躍型光纖標(biāo)量模特性的分析 3 遠(yuǎn)離截止時(shí)標(biāo)量模的特性 遠(yuǎn)離截止時(shí)LPmn模的U值表2 2遠(yuǎn)離截止時(shí)LPmn模的U值 2020年2月18日2時(shí)1分 北京郵電大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 39 5 階躍光纖中的功率分布 實(shí)際上 在纖芯和包層的界面處 電磁場(chǎng)并不為零 而是由纖芯中的振蕩形式轉(zhuǎn)變?yōu)榘鼘又械闹笖?shù)衰減 因此 要傳輸?shù)膶?dǎo)波能量大部分是在纖芯中傳輸 而有一部分則在包層中傳輸 功率在纖芯和包層里所占比例的大小和該模式的截止頻率有關(guān) 202