光电子单模光纤的基模计算
光纤技术基础(单模光纤)
5G/6G移动通信
单模光纤作为5G/6G移动通信网络的重要传输媒介，可实现低时延、 高可靠性的通信服务。
传感领域的应用
光纤传感器
利用单模光纤的传光性能和抗干扰能力，可制成高灵敏度、高精度的光纤传感器，应用于温度、压力、应变等物 理量的测量。
光信号的传输质量产生影响。
03 单模光纤的制造工艺
预制棒制备
气相沉积法
利用高温将四氯化硅等原料气体在纯 净的石英管内进行化学反应，生成一 层层的玻璃微粒，逐渐形成透明的石 英玻璃棒。
溶液法
将高纯度的石英砂溶解在特定的溶剂 中，通过控制温度和压力等条件，使 溶液中的石英析出并沉积在石英管内 壁上，形成预制棒。
使用近场扫描显微镜或远场扫描显微 镜进行测试。
其他测试方法
还包括偏振模色散（PMD）测试、 回波损耗（RL）测试等，用于全面 评估单模光纤的性能指标。
05 单模光纤的应用及市场前 景
通信领域的应用
长距离通信
单模光纤具有低损耗、高带宽的特性，适用于长距离的光纤通信， 如跨洋光缆、城际光缆等。
高速数据传输
故障排查与维护保养
故障定位与排查
利用光时域反射仪（OTDR）等测试设备对光纤进行故障定位和 排查。
清洁与保养
定期对光纤连接器和端面进行清洁，保持干燥、无尘的环境。
备份与替换
对于关键部位的光纤，建议备份并标记好替换光纤，以便在故障时 及时更换。
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绿色环保成为重要发展方向
环保意识的提高将促使单模光纤产业 向更加环保的方向发展，如无卤素光 纤、生物降解光纤等。
单模光纤模场直径和有效面积的计算
单模光纤模场直径和有效面积的计算■ 及少勇 龚江疆 朱丰（上海电缆研究所有限公司 上海 200093）模场直径和有效面积作为单模光纤光学性能特征参数，在光纤检测过程中占有极其重要的地位。
本文介绍了采用可变孔径法测量单模光纤模场直径（ＭＦＤ）和有效面积（Ａｅｆｆ）的测试方法，并对测试数据进行有效处理，使测试结果更加精确、有效。
The mode field diameter and effective area are the characteristic parameters of single-mode fiber optical performance, which play extremely important roles in the fiber inspection process. This paper introduces the test method for measuring the mode field diameter (MFD) and effective area (A eff ) of a single-mode fiber basing the variable aperture method. The test data is also effectively processed, and the test results are more accurate and effective.单模光纤 模场直径 有效面积single mode optical fiber; MFD; A effDoi:10.3969/j.issn.1673-5137.2020.06.003摘 要Abstract关键词Key Words一、引言现如今，通信网络已遍布千家万户，无处不在。
光纤，作为光信息传输的重要媒介，已大量被用于现代传输。
单模光纤由于其适应性强、通信量大、便于铺设和运输等优点，广泛用于长距离、大容量通信设备系统及各种光纤传感器中，并在光纤通信中起着越来越重要的作用。
单模光纤的参数及理论分析
单模光纤的特性参数及特性的理论分析陆锐勇 2009012303皖西学院信息工程学院通信工程2009级02班摘要：本文通过在理论上对单模光纤的特征参数（即影响单模光纤的传输效率因素），以及衰减特性的分析。
在单模光纤中存在弯缩损耗，材料对信号的吸收及模内色散等现象。
并结合实际应用的技术规范，对单模光纤的生产要求和研发趋势进行简单的总结和概述。
关键词：单模光纤、色散、宏弯损耗、微弯损耗、吸收Abstract: Based in theory of single mode fiber characteristic parameters (i.e. the effects of single mode optical fiber transmission efficiency factors ), and attenuation characteristics analysis. In a single-mode fiber in the presence of bending loss, material absorbs the signal and intramode dispersion phenomenon. Combined with the practical application of the technical specification for single-mode fiber, the production requirements and development trend for simple summary and overview.Key words: A single-mode optical fiber, dispersion, macro bending loss, microbending loss, absorption一、光纤的介绍光纤是一种高度透明的玻璃丝，由二氧化硅等高纯度玻璃经复杂的工艺拉丝制成。
1.5单模光纤
法二：制作可能高的双折射光纤，使两个基模的传 输系数之差很大，使光纤微扰产生的耦合作用很 小，当光纤输入端激发起某一个极化方向的基模 时，可以在较长的距离里保持它的主导地位，从 而得到单模单极化传输；
法三：把光纤设计成水平极化或垂直极化被，使 两个极化方向的模式的传输损耗不等，以致使 其中一个截止，得到绝对单模光纤。
两模式间的相位差
两个正交的LP01模 Ex E0 cos cos( t x z) Ey E0 sin cos( t x z)
y
xz
Ex、Ey平方相加得椭圆公式，长轴Emax与x轴夹
角ψ
tan 2 tan 2 cos tan 2 cos( y x )z
可见，输入线极化波，沿线可能变成椭圆极化、 圆极化、线极化等，使极化方向旋转。
1.5 单模光纤
单模光纤应用范围：光通信、光纤传感器、激光放 大器件等 1.5.1 单模光纤的基本分析 传输基模是HE11模（或LP01模），但其简并度为2； 理想阶跃折射率光纤，归一化频率V<2.405时
横向电场分量：
定义λc为单模光纤截止波长，则有
2 n0a 2
c
2.405
当传输光波长大于λc时，满足在该光纤中的单模传输条件
1.5.2 单模光纤的结构
常规型
W型
凹陷型
多层结构：纤芯、内包层、外包层。
采用内包层的作用： 减小基模的损耗；
（电磁场集中纤芯←→单模传输） 得到纤芯半径较大的单模光纤； （单模传输←→ 非线性光学效应）
1.5.3 单模光纤的频率色散
材料色散；波导色散 1、单模光纤频率色散的计算
单位长度的光纤中的传输时延 d d Ld
单模及多模光纤的特性参数
光纤的特性参数可以分为三大类即几何特性参数、特性参数与传输特性参数。
受篇幅所限我们仅简单介绍几个富有代表性的典型参数。
1、多模光纤的特性参数① 衰耗系数a衰耗系数是多模光纤最重要的特性参数之一（另一个是带宽系数）。
因为在很大程度上决定了多模。
光纤的特性参数可以分为三大类即几何特性参数、特性参数与传输特性参数。
受篇幅所限我们仅简单介绍几个富有代表性的典型参数。
1、多模光纤的特性参数① 衰耗系数a衰耗系数是多模光纤最重要的特性参数之一（另一个是带宽系数）。
因为在很大程度上决定了多模光纤的中继距离。
其中最主要的是杂质吸收所引起的衰耗。
在光纤材料中的杂质如氢氧根离子、过渡金属离子（铜、铁、铬等）对光的吸收能力极强，它们是产生光纤衰耗的主要因素。
因此要想获得低衰耗光纤，必须对制造光纤用的原材料二氧化硅等进行十分严格的化学提纯，使其杂质的含量降到几个PPb以下。
② 光纤的色散与带宽色散当一个光脉冲从光纤输入，经过一段长度的光纤传输之后，其输出端的光脉冲会变宽，甚至有了明显的失真。
这说明光纤对光脉冲有展宽作用，即光纤存在着色散（色散是沿用了中的名词）。
光纤的色散是引起光纤带宽变窄的主要原因，而光纤带宽变窄则会限制光纤的传输容量。
光纤的色散可以分为三部分即模式色散、材料色散与波导色散。
模式色散Δτm因为光在多模光纤中传输时会存在着许多种传播模式，而每种传播模式具有不同的传播速度与相位，因此虽然在输入端同时输入光脉冲信号，但到达到接收端的时间却不同，于是产生了脉冲展宽现象。
对多模光纤而言，由于其模式色散比较严重，而且其数值也较大，所以其材料色散不占主导地位。
但对单模光纤而言，由于其模式色散为零，所以其材料色散占主要地位。
波导色散Δτw所谓波导色散是指由光纤的波导结构所引起的色散。
对多模光纤而言，其波导色散的影响甚小。
需要注意的是，由于光信号是以光功率来度量的，所以其带宽又称为3dB 光带宽。
即光功率信号衰减3dB时意味着输出光功率信号减少一半。
单模光纤的基模计算
单模光纤的基模计算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：对单模光纤进⾏设计仿真⼯作，完成课设报告的撰写。
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：年⽉⽇⽬录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 optical fiber communication, the entire field of communications has undergone revolutionary changes, and it enableshigh-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 can 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。
单模光纤的传输原理
单模光纤的传输原理-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分内容：光纤通信作为一种高速、高带宽、低损耗的传输方式，在现代通信技术中起着至关重要的作用。
而单模光纤作为光纤通信的重要组成部分，由于其较小的传输损耗和较高的传输带宽，在长距离通信和高速数据传输中得到广泛应用。
本文将介绍单模光纤的传输原理。
单模光纤是一种芯径较小的光纤，其传输模式是只允许基础模式传输，能够传输更多的光信号。
相比之下，多模光纤可以传输多种模式，但由于介质折射率不均引起的模式耦合会导致较大的传输损耗和时延扩展，因此在长距离通信中使用多模光纤效果较差。
单模光纤的传输原理基于全内反射。
光信号在光纤芯线内传播时会发生全内反射现象，即光信号总是沿着光纤芯线的中心传播，不会发生偏离和扩散。
这种特性使得单模光纤能够实现高速、高带宽的传输。
同时，单模光纤的传输距离也得到了有效的提升，可以实现数十公里乃至数百公里的长距离通信。
单模光纤的传输原理还包括衍射、色散和损耗等方面。
衍射是光信号在光纤中传播时发生的一种现象，会导致信号的扩散。
色散是光信号在光纤中传播时由于光的折射率随光波长而不同而引起的信号失真现象。
而光纤的损耗则是光信号在传输过程中受到的能量损失，主要包括吸收损耗、散射损耗和弯曲损耗等。
通过对单模光纤传输原理的深入了解，我们能够更好地理解光纤通信技术的优势和特点，为其应用和发展提供有力支持。
在接下来的内容中，我们将详细介绍单模光纤的结构、性能和应用，并展望其未来在通信领域的发展前景。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以如下编写："1.2 文章结构：本文将按照以下结构进行论述：第2章正文：单模光纤的传输原理2.1 单模光纤简介本节将简要介绍单模光纤的定义、特点以及在通信领域的重要性，以帮助读者对单模光纤有一个初步的了解。
2.2 单模光纤的传输原理本节将详细探讨单模光纤的传输原理，包括光的传播方式、光信号的传输特性以及光纤中的耦合衰减等关键概念。
光纤基本参数和测量方法(转)
光纤基本参数及其测量方法1.单模光纤模场直径的测量从理论上讲单模光纤中只有基模(LP0l)传输，基模场强在光纤横截面的存在与光纤的结构有关，而模场直径就是衡量光纤模截面上一定场强范围的物理量。
对于均匀单模光纤，基模场强在光纤横截面上近似为高斯分布，通常将纤芯中场强分布曲线最大值1／e处所对应的宽度定义为模场直径。
简单说来它是描述光纤中光功率沿光纤半径的分布状态，或者说是描述光纤所传输的光能的集中程度的参量。
因此测量单模光纤模场直径的核心就是要测出这种分布。
测量单模光纤模场直径的方法有：横向位移法和传输功率法。
下面介绍传输功率法。
测量系统的原理方框示意如图1所示。
取一段2米长的被测光纤，将端面处理后放入测量系统中，测量系统主要由光源和角度可以转动的光电检测器构成。
光纤的输入端应与光源对准。
另外为了保证只测主模(LP01)而没有高次模，在系统中加了一只滤模器，最简单的办法是将光纤打一个直径60mm的小圆圈。
当光源所发的光通过被测光纤，在光纤末端得到远场辐射图，用检测器沿极坐标作测量，即可测得输出光功率与扫描角度间的关系，P—θ线如图2所示。
然后，按模场直径的定义公式输入P和θ值，由计算机按计算程序算出模场直径。
2.光纤损耗的测量光纤损耗是光纤的一个重要传输参数。
由于光纤有衰减，光纤中光功率随距离是按指数的规律减小的。
但是，对于单模光纤或近似稳态的模式分布的多模光纤衰减系数a是一个与位置无关的常数。
若设P(Z1)为Z＝Z1处的光功率，即输入光功率。
若设P(Z2)为Z2处的光功率，即这段光纤的输出功率。
因此，光纤的衰减系数a定义为因此，只要知道了光纤长度Z2-Z1和Z2、Z1处的光功率P(Z1)、P(Z2)，就可算出这段光纤的衰减系数a。
测量光纤的损耗有很多种办法，下面只介绍其中的两种办法。
1)截断法截断法是一种测量精度最好的办法，但是其缺点是要截断光纤。
这种测量方法的测量方框如图3所示。
取一条被测的长光纤接入测量系统中，并在图中的“2”点位置用光功率计测出该点的光功率P(Z2)。
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课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目: 单模光纤的基模计算初始条件：计算机、Beamprop软件(或Fullwave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(或Fullwave软件)。
（2）单模光纤的基模计算。
（3）单模光纤的基模计算进行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(或Fullwave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单模光纤的基模计算进行设计仿真，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：年月日目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)2 Beamprop介绍 (2)3 单模光纤的简介 (3)3.1单模光纤的定义 (3)3.2 光纤结构与单模条件 (3)4 仿真步骤 (5)4.1 模拟环境参数基本设置 (5)4.2 光纤单模的基模计算分析 (8)4.3 基模的仿真 (8)5 心得体会 (11)参考文献 (12)摘要单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光。
因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。
后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。
这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。
1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟ITU－T在G652建议中确定的，因此这种光纤又称G652光纤。
关键字：单模光纤色散工作波段AbstractSingle-mode fiber (Single Mode Fiber): very fine center glass core (core diameter is usually 9 or 10μm), can only transfer a pattern of light. Mode dispersion is small, suitable for remote communication, but also the existence of material dispersion and waveguide dispersion, so that single-mode fiber have high requirements on the light source spectral width and stability of the spectral width is narrower, stability better. Later it was found in the 1.31μm wavelength, single mode fiber material dispersion and waveguide dispersion is positive, one negative, the size exactly equal. 1.31μm wavelength area has become a very good window of optical fiber communication, but also practical optical fiber communication systems working band. 1.31μm the main parameters of the conventional single-mode fiber by the International Telecommunication Union ITU-T G652 recommendations to determine, so this fiber is also known as G652 fiber.Keywords: single-mode fiber dispersion in the working band1 绪论光纤是一种介质波导，在光纤内传输的导波有各种不同模式。
对于一定波长的光，它在光纤内传输时包含哪些模式，取决于光纤的内部结构(n1、n2、a和b 的数值)。
在光纤传输理论中，通常以归一化频率V来表征光纤的特性，理论分析表明，各模式在V逐渐变小达到某—数值时将会截止，即V小于某一数值以后，该种模式将不能在光纤中传输，弱波导纤维各低阶模式的截止归一化频率如下：LP01模Vc=0LP11模Vc=2.405LP21模Vc=3.832LP02模Vc=3.832从以上数据可以看出，LP01模的截止频率等于0，即不论V等于什么数值，它都可以在光纤内传输，所以称为基模，在V<2.405时，光纤中只有单一的基模传输。
在这范围内工作的光纤称为单模光纤，它具有色散小，信息容量大等特点。
对于一根特定的光纤(a，n1，A已确定)，只要波长充分长，总可以单模方式传输，开始实现单模传输的波长称为截止波长λc, λ>λc时，只有基模传输,各高阶模都被截止。
2 Beamprop介绍BeamPROP 是一个高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真的专业软件，专用于设计集成光学波导元件和光路。
此软件由美国RSOFT公司出品，1994年投入市场，被学院及产业公司的开发设计人员广泛使用。
此软件使用先进的有限差分光束传播法(finite-difference beam propagation method)来模拟分析光学器件。
用户界面友好，分析和设计光学器件轻松方便。
其主程序为一套完善的用于设计光波导元件和光路CAD设计系统，且可控制相关的模拟参数，如：数值参数、输入场以及各种显示、分析功能选项。
另一功能为模拟程序，它可以在主程序内或独立执行模拟分析工作，以图形方式显示域的特性以及用户感兴趣的各种数值特性。
这里介绍几个方面的内容: 路径(Pathway)、监视器(monitor)、输入场(launch field)、仿真(simulation) 。
在左边工具条上可以找到相应的按钮。
Pathway是设计者需要观察光波传输情况的一条路径,Pathway的定义不改变波导的结构。
通常一条路径应该包括广场输入部分的波导,你希望对光场进行观察的位置的波形,可以定义多条路径,软件自动编号。
监视器(monitor)与Pathway相联系,观察指定Pathway中(或输出端)的光场，就相当于实验中的示波器，可以定义多个monitor,软件自动编号，输入场(launch field)是仿真时必不可少的,是计算的初始条件。
3 单模光纤的简介3.1单模光纤的定义根据光纤中的传输模式数量分类，光纤又可分为多模光纤和单模光纤。
在一定的工作波长下，多模光纤是能传输许多模式的介质波导，而单模光纤只传输基模。
单模光纤中只有基模在进行传输，因此粗略地讲，模场直径就是在单模光纤的接收端面上基模光斑的直径，也可以极其粗略地认为模场直径d 和单模光纤的纤芯直径相近。
当光纤的归一化频率V小于其归一化截止频率Vc时，才能实现单模传输，即在光纤中仅有基模在传输，其余的高次模全部截止。
就是说，除了光纤的参量如纤芯半径，数值孔径必须满足一定条件外，要实现单模传输还必须使光波波长大于某个数值，即λ≥λc，这个数值就叫做单模光纤的截止波长。
因此，截止波长λc的含义是，能使光纤实现单模传输的最小工作光波波长。
也就是说，尽管其它条件皆满足，但如果光波波长不大于单模光纤的截止波长，仍不可能实现单模传输。
3.2 光纤结构与单模条件光纤的基本结构是两层同心圆柱状介质，如图3.1所示。
内层为纤芯，外层为包层。
纤芯的折射率n比包层折射率2n稍大。
当满足一定条件时，光波就能在1纤芯和包层之间发生全反射，从而使光波沿着纤芯向前传播。
实际的光纤在包层外面还有一层保护层，以便保护光纤不受污染及损伤。
图3.1 光纤的结构光纤通常由纤芯和包层组成，纤芯折射率大于包层折射率。
本实验设计图3.2所示的阶跃折射率光纤。
光纤中通常能传输多个模式，不同模式的场分布不同，基模场分布如图3.2所示。
图3.2 光纤中基模（HE11模）场分布光纤中单模传输的条件为0 2.405V ≤≤， （1）其中，V 为归一化频率，表示为221202V a n n πλ=- 。
（2）可见，光纤中的模式与传输波长、光纤半径、芯层折射率、包层折射率有关。
由（1）和（2）式可得光纤的截止半径为022121.202c a n n λπ=- 。
（3）4 仿真步骤4.1 模拟环境参数基本设置打开BeamProp 软件所在文件夹，打开CAD Layout 程序，开始这次的光谱仿真。
首先在菜单中选择“New Circuit ”，然后修改其中的“Free Space Wavelength ”、“Background Index ”、“Index Difference ”和“Waveguide Width ”参数，参数设置如图4.1所示。
点击后弹出基本设置对话框，波导的一些基本特性参数需要在此设定。
我们模拟目前光通信系统中应用最为广泛的掩埋型二氧化硅波导（channel 型）。
图 4.1变量取值 意义 Free space wavelength1.55um 和1.32um 光源波长 Background index1.4632 芯层折射率 Index difference0.01 包层和芯层折射率差首先画一根直波导。
点击”Segment mode ” （新建文件时默认就是此模式），如上图红圈所示。
之后在空白的CAD 窗口中某一处单击鼠标左键，在任意另一处再单击左键，即可画出一条波导，如图 4.2所示目前为止，画出的波导是任意的，我们还需要对它进行设置，将鼠标移动至波导上（红色区域上），再单击鼠标右键，会弹出波导的设置菜单。
主要需要调整波导的位置。
在Rsoft 软件中，波导位置是由首尾两个坐标确定的，并且BPM 计算的光是只沿着z 轴传播（即竖直方向）具体设置见图4.3图 4.2表 1单击后左侧工具栏会变成路径设置栏。
点击”New ”按钮，会新建一个路径，再左键点击我们画好的波导，使路径与波导相一致（此时波导会变绿色），如图4.5所示然后再点击”Monitors ”按钮，会弹出一个小对话框，设置一个与路径相匹配的探测器。