光纤光学第二章
非线性光纤光学 第二章-脉冲在光纤中的传输
解线性波动方程前作两个近似：
a. 光纤的损耗很小， (r , )的虚部相对于实部可以忽略，因而有
n2 (r, ) (r, )，以微扰的方式将光纤损耗包括进去；
b. 在阶跃光纤的纤芯和包层中折射率与方位无关， nr , n( )
E ( E) 2 E 2 E
弱导条件下(n1≈n2)：
U W Jm Km 1 1 m 2 2 UJ m U wKm W U W
本征值方程又称特征方程，或色散方程。其中U与W通过其定义式与 β 相联系，因此它实际是关于 β的一个超越方程。当 n1、 n2、 a和 λ0给 定时 , 对于不同的 m值,可求得相应的 β值。由于贝塞尔函数及其导数 具有周期振荡性质, 所以本征值方程可以有多个不同的解 βmn(m=0,1,2,3... n=1,2,3...),每一个βmn 都对应于一个导模。
EH21、HE41模
TE02、TM02、HE22模 EH31、HE51模
色散曲线
图中每一条曲线都相应于一个导模。平行于纵轴的竖线与色散曲线的交点 数就是光纤中允许存在的导模数。由交点纵坐标可求出相应导模的传播常 数β。Vc越大导模数越多；当Vc＜2.405时， 在光纤中只存在HE11模，其它 导模均截止，为单模传输。
几个归一化参数
归一化工作频率：
V
2
0
2 a n12 n2 k0 an1 2
归一化横向传播常数： 归一化横向衰减常数： 有效折射率： 归一化传输常数：
U a n12 k02 2
2 2 W a 2 n2 k0
neff / k0
W b 2 2 2 V n1 n2
第二章 光纤光学的基本方程
麦克斯韦方程与亥姆霍兹方程 程函方程与射线方程 波导场方程 模式及其基本性质
波动光学理论
❖ 用几何光学方法虽然可简单直观地得到光线在光 纤中传输的物理图象，但由于忽略了光的波动性 质，不能了解光场在纤芯、包层中的结构分布及 其它许多特性。
❖ 采用波动光学的方法，把光作为电磁波来处理， 研究电磁波在光纤中的传输规律，可得到光纤中 的传播模式、场结构、传输常数及截止条件。
n r
dr ds
dn ds
❖ 上两矢量式点乘，第二项因两矢量正交为零，故有
K
1
R
eR
n r nr
❖ 因曲率半径总是正的，所以等式右边必须为正：
n r nr
0时，eR 与er 夹角小于
2
；
n r n r
0时，eR
与er
夹角大于
2
；
A B C A C B A B C
❖ 得到
{S r • S r }E0 n 2E0 0
即
S r • S r n 2 程函方程
或 S 2 n 2， S(r ) n r
或
S r
eR
❖ 即光线前进时，向折射率高的一侧弯曲。
n’ n dr/ds
n’ >n
例3：光线在圆柱体中的传播
z
光线方程：d ds
n(r)
dr ds
n(r)
r
0
光线方程在圆柱坐标中可分解成三个标量方程：
设折射率分布横截面为中心对称分布，纵向不变，则：
光纤光学的基本方程679KB
光纤光学的基本⽅程679KB第⼆章光纤光学的基本⽅程光纤光学的研究⽅法⼏何光学⽅法：光纤芯径远⼤于光波波长0λ时, 可以近似认为0λ→0从⽽将光波近似看成由⼀根⼀根光线所构成, 因此可采⽤⼏何光学⽅法来分析光线的⼊射、传播(轨迹) 以及时延(⾊散) 和光强分布等特性，这种分析⽅法即为光线理论。
优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。
缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分布等现象，分析单模光纤时结果存在很⼤的误差。
波动光学⽅法：是⼀种严格的分析⽅法，从光波的本质特性电磁波出发，通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦⽅程，导出电磁波的场分布。
优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此适⽤于各种折射率分布的单模和多模光纤。
缺点：分析过程较为复杂。
光纤光学的研究⽅法⽐较光线理论与波动理论分析思路电磁分离波动⽅程wave equation时空分离亥姆赫兹⽅程Helmholtz equation纵横分离波导场⽅程2.1 麦克斯韦⽅程与亥姆赫兹⽅程⼀、麦克斯韦⽅程光纤是⼀种介质光波导，具有如下特点：①⽆传导电流；②⽆⾃由电荷；③线性各向同性。
边界条件：在两种介质交界⾯上电磁场⽮量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续,D 与B的法向分量连续：⼆、光线⽅程光线⽅程光线⽅程的物理意义：当光线与z 轴夹⾓很⼩时，有：物理意义：将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来;由光线⽅程可以直接求出光线轨迹表达式;d r/dS是光线切向斜率, 对于均匀波导，n为常数,光线以直线形式传播;对于渐变波导,n是r的函数,则d r/dS为⼀变量, 这表明光线将发⽣弯曲。
⽽且可以证明,光线总是向折射率⾼的区域弯曲。
典型光线传播轨迹反射型折射型模式分析的基本过程数学模型园柱坐标系中的波导场⽅程边界条件本征解与本征值⽅程本征值与模式分析数学模型阶跃折射率分布光纤(SIOF)是⼀种理想的数学模型,即认为光纤是⼀种⽆限⼤直园柱系统,芯区半径a ，折射率为1n ；包层沿径向⽆限延伸,折射率为折射率为2n ；光纤材料为线性、⽆损、各向同性的电介质。
光纤光纤光学及技术第二章
在θc~900间可容纳的的导模就会增加
光纤光纤光学及技术第二章
【例2.3】 两阶跃光纤纤芯半径均为5μm, 纤芯折 射率分别为n1=1.5和1.53，试求在光波长为 0.85μm时，两光纤相邻导模入射角的余弦差 各为多少
解：
cos
' 1
cos
1
l0
4n1a
对纤芯折射率为1.5的光纤
cos θ1' - cos θ1
波动理论
光纤光纤光学及技术第二章
一种严格的分析方法，严格性在于： 1）从光波的本质特性－电磁波出发，通过求
解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁场 的场分布，具有理论上的严谨性。 2）未作任何前提近似，因此适用于各种折射 率分布的单模光纤和多模光纤。
光纤光纤光学及技术第二章
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 主要特点
光纤光纤光学及技术第二章
相减可得 4ak0n1(cosθ1' - cosθ1) 2π
cos θ1' - cos θ1
当波长为1.5μm时
π 2ak0n1
λ0 4n1a
cosθ1' - cosθ1
λ0 4n1a
1.5 4 1.5
5
0.05
当波长为0.85μm时
cos θ1' - cos θ1
λ0 4n1a
1
l0
4n1a
对纤芯半径为5μm的光纤，有
cos θ1' - cos θ1
λ0 4n1a
0.85 4 1.5 5
0.0285
光纤光纤光学及技术第二章
对纤芯半径为50μm的光纤，有
cos θ1' - cos θ1
光纤光学-第二章
第10页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
导电介质中的平面波
Ex
E(r, t ) E0 ( x, y)ei (t kz z ) E0 ( x, y)e
z i (t z )
e
z
衰减因子
Hy
第11页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
§1-2 波导方程
纵横关系式
式中： 2 k 2 2 2 2
第18页 推导
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
返回框图
类似地，对于圆柱坐标，可得：
ez 1 hz er i r r hz 1 ez 2 e i r r
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
第24页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
1-3 模式及其基本性质 （以平板波导为例）
从物理量随着指标变化来看，平板波导只与X、Z两 个指标有关。又可称平板波导为二维波导。
x
电磁场沿z方向传输，z 方向波导的几何形状不 变。在 y 方向波导是无 限延伸的，同时由于对 称性，场分量在 y 方向 没有变化，即：
z y film n1 n3 cover n2 substrate d
平板波导结构图
If n2= n3, 对称波导（Symmetrical waveguide） n2>n3, 非对称波导（Asymmetrical waveguide）
第21页
《光纤光学》第二章
光纤光学基本方程
1-3 模式及其基本性质
第17页
i A x Ax
chapter光纤光学ppt课件
在z=30km时的输出功率（用dBm表示） Pout(dBm)=Pin(dBm)-αz
=-7dBm-0.8dB/km×30km =-31dBm
Pout=10-31/10(mW)=0.79×10-3mW=0.79uW
整理ppt
35
2.群延时
延时差：
d( 1 )
g
Vg d
色散系数
整理ppt
36
3.色散系数
引进色散系数D，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔
产生的时延差：Dd dgd d V 1 g 2 2c2 cd d2n 2
群速率色散参数β2
()n()c01012202...
mdd mm0
(dB /km )1 z0log10[P P ((0 z))]4.343 p
整理ppt
5
dB=10log10(PA/PB)是功率增益的单位，是一个相对值。 例如：PA的功率比PB的功率大一倍，那么
10log10(PA/PB)=10log10(2)=3dB
为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为光功率 的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW的功率。
=10log10[PA(mW)/PB(mW)] 例1：如果PA的功率为46dBm，PB的功率为40dBm,则PA比PB大 6dB。
46dBm-40dBm=6dB
10log10[PA/PB]=6 PA/PB=100.6=3.98≈4
整理ppt
7
例2：设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为 0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为200uW的光信号，求 其输出功率Pout。 解：首先将输入功率的单位转换成dBm。
光纤光学-第2章-光纤光学原理及应用(第二版)-张伟刚-清华大学出版社
光纤光学》《光纤光学第二章光纤光学的基本理论南开大学张伟刚教授第2 章光纤光学的基本理论2.1 引论2.2 光纤的光线理论222.3光纤的波动理论2.1引论2.1.1光线理论可以采用几何光学方法分析光线的入1.优点：的多模光纤时2.不足：2.1.2波动理论2.不足：2.1.3分析思路麦克斯韦方程光线理论波动理论2.2光纤的光线理论 2.2.1程函方程问题2.1：(r , t )z y x e z e y ex r ˆˆˆ++=G ),(t r E G G ),(t r H G G G G G G G G )0,0(0===t r E E )0,0(0===t r H H )(r G φφ=(2.1) 00ik i t E E e ϕω−+=G G (2.2)00ik i t H H e ϕω−+=G G 000)()()(000E e e E e E E ik ik ik G G G G ×∇+×∇=×∇=×∇−−−φφφik ik −−G G []φφφ00000)()(e E ik e E ×∇−×∇=φ0ik e E ik E −×∇−×∇=G G (2.3)[]φ000)((2.3)G G G G (24)[]φφφ000000)()(ik ik e H ik H e H H −−×∇−×∇=×∇=×∇(2.4) (21)(22)(25)(28)(2.1)(2.2)(2.5)(2.8)B ∂G G t E ∂−=×∇G (2.5)(26)t D H ∂∂=×∇G (2.6)G G 0=⋅∇D (2.7)(28)0=⋅∇B (2.8)(2.9)(2.10)(2.9)E D G G ε=G G (210)）HB μ=(2.10) 因光纤为透明介质（无磁性），于是0μμ≈ωi t =∂∂φμωμ0000ik e H c ik H i E −−=−=×∇G G G (2.11) φεωε0ik e E i c ik E i H −==×∇G G G (2.12) 00()(2.32.3))(2.112.11))(2.42.4))(2.122.12))G G G −=−000000)(H c ik E ik E μφ×∇×∇00000)(E c ik H ik H G G G εφ=×∇−×∇1G G G ∇=−(213)00000)(E ik H c E ××∇μφ1H k E c H G G G ×∇=+×∇ε(2.13) (2.14) 0000)(ik φ()H G 0[]000200)(1)(1)(1)(E c E E E G G G G εφφφφμφ−=∇−∇⋅∇=×∇×∇000c c c μμ(2.15)λ→0000)(H c E G G μφ=×∇(2.16) 00)(E c H G G εφ−=×∇(2.17)问题2.2：(2.15)(2.16)000E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G (2.18a) (218b)∇∇G G (2.18b)0E H ϕϕ⋅∇=⋅∇=G G 、、三个矢量相互垂直三个矢量相互垂直！！0E 0H ϕ∇(2.1(2.188)(2.1(2.155)r c εεμεμφ===∇00221)((2.19)22(220)με00)(n =∇φ(2.20)G G =)()(r n r ∇φ(2.21)221)G (2.21)“程函方程” ()r φ程函方程的物理意义：讨论讨论：r G ∇()φ)(r G φ∇“”n r G 场源()(2.2.2121))),,(),,(),,(),,(2222z y x n z z y x y z y x x z y x =⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+⎥⎤⎢⎡∂∂+⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂φφφ(2.22)⎦⎣问题2.3：(2.2.2121))2.2.2 光线方程根据折射率分布，可由程函方程求出光程函()r Gφ为此，可从程函方程出发推导光线方程。
光纤通信课后第2章习题答案
第2章 复习思考题参考答案2-1 用光线光学方法简述多模光纤导光原理答：现以渐变多模光纤为例，说明多模光纤传光的原理。
我们可把这种光纤看做由折射率恒定不变的许多同轴圆柱薄层n a 、n b 和n c 等组成，如图2.1.2（a ）所示，而且 >>>c b a n n n 。
使光线1的入射角θA 正好等于折射率为n a 的a 层和折射率为n b 的b 层的交界面A 点发生全反射时临界角()a b c arcsin )ab (n n =θ，然后到达光纤轴线上的O'点。
而光线2的入射角θB 却小于在a 层和b 层交界面B 点处的临界角θc (ab)，因此不能发生全反射，而光线2以折射角θB ' 折射进入b 层。
如果n b 适当且小于n a ，光线2就可以到达b 和c 界面的B'点，它正好在A 点的上方（OO'线的中点）。
假如选择n c 适当且比n b 小，使光线2在B '发生全反射，即θB ' >θC (bc) = arcsin(n c /n b )。
于是通过适当地选择n a 、n b 和n c ，就可以确保光线1和2通过O'。
那么，它们是否同时到达O'呢？由于n a >n b ，所以光线2在b 层要比光线1在a 层传输得快，尽管它传输得路经比较长，也能够赶上光线1，所以几乎同时到达O'点。
这种渐变多模光纤的传光原理，相当于在这种波导中有许多按一定的规律排列着的自聚焦透镜，把光线局限在波导中传输，如图2.1.1（b ）所示。
图2.1.2 渐变（GI ）多模光纤减小模间色散的原理2-2 作为信息传输波导，实用光纤有哪两种基本类型答：作为信息传输波导，实用光纤有两种基本类型，即多模光纤和单模光纤。
当光纤的芯径很小时，光纤只允许与光纤轴线一致的光线通过，即只允许通过一个基模。
只能传播一个模式的光纤称为单模光纤。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
光纤的损耗
• 吸收损耗 ---- 物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造
成光功率的损失。吸收损耗有三个原 因，一是本征 吸收，二是杂质吸收，三是原子缺陷吸收。光纤材 料的固有吸收叫做本征吸收，它与电子及分子的谐 振有关。 --- 由于一般光纤中含有铁、锚、镍、铜、锰、铬、钒、 铂等过渡金属和水的氢氧根离子，这些杂质造成的 附加吸收损耗称为杂质吸收。 ---- 原子缺陷吸收是由于加热过程或者由于强烈的辐 射造成， 玻璃材料会受激而产生原子的缺陷，引起 吸收光能，造成损耗。
波导色散是光纤波导结构参数的函数，在一定的波长范围内，波
导色散与材料色散相反为负值，其幅度由纤芯半径a 、相对折射率
差Δ 及剖面形状决定。
w c
n2
n1
n2 b(v)
v wa c
n12 n22
1 vg
d
dw
n2 c
n1
c
n2
d dv
bv
w
L vg
L c
n2 1 1
d dv
bv
w
d d
0
模间色散(多模色散)(Mode Dispersion) 色散的种类：色度色散(Chromatic Dispersion)
偏振色散(Polarization Mode Dispersion)
劣化的程度随数据速率的平方增大 决定了电中继器之间的距离
7
色散对光传输系统的影响
如果信号是数字脉冲， 色散产生脉冲展宽(Pulse broadening)。 所以，色散通 常用3 dB光带宽f3dB或脉冲 展宽Δτ表示。
L c
n2
1
0 0
v
d 2 bv
dv 2
1
n12 n22 2n12
n1 n2 n2
Dw
n2 1
c0
v
d 2 bv
dv2
1012
13
波导色散
14
通常通过采用复杂的折射率分布形状和改变剖面结构参数的 方法获得适量的负波导色散来抵消石英玻璃的正色散，从而达到 移动零色散波长的位置，即使光纤的总色散在所希望的波长上实 现总零色散和负色散的目的。正是这种方法才研制出色散位移光 纤、非零色散位移光纤。
1 vg
dk dw
d dw
w c
n(w)
1 vg
1 c
n(0 )
0
dn
d0
k(w) w n(w) c
0
L vg
L c
n0 0
dn
d
0
d d0
0
L c
2
0
d 2n
d20
0 0
Dm
1
0c
20
d 2n
d20
109
12
波导色散
波导色散是模式本身的色散。即指光纤中某一种导波模式在不同
的频率下，相位常数不同，群速度不同而引起的色散。
3
光纤的损耗
• 散射损耗 ---- 由于光纤材料密度的微观变化以及各成分
浓度不均匀，使得光纤中出现折射率分布 不均匀的局部区域，从而引起光的散射， 将一部分光功率散射到光纤外部。 ---- 物质在强大的电场作用下，会呈现非线性， 即出现新的频率或输入的频率得到改变。 这种由非线性激发的散射有两种即受激喇 曼(Raman)和受激布里渊(Brillouin)散射。
光纤光学
损耗和色散是光纤最重要的传输特性！ 损耗限制系统的传输距离!色散则限制系统的传 输容量!
第二章
光纤的特性
W-C Chen Foshan Univ.
1
§1.光纤的损耗
• 光纤的一个重要的参量是光信号在光纤 内传输时的功率损耗，若P0为入纤功率， 传输功率：
PT=P0e-αL
光纤损耗：
用dBm表示
用脉冲展宽表示时， 光 纤色散可以写成
Δτ=(Δτ2n+Δτ2m+Δτ2w)/2 Δτn ——模式色散； Δτm ——材料色散； Δτw ——波导色散 所引起的脉冲展宽的均方根值。
8
模间色散
对于阶跃光纤：
High-order Mode (Longer path)
core cladding
Axial Mode (shortest path) Low-order Mode (shorter path)
1
第二窗口 第三窗口
0。4
0。2
0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.57 1.62
波长——λ（μm）
Hale Waihona Puke L波段普通单模光纤的衰减随波长变化示意图
5
6
§2.光纤的色散
色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的 光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。
材料色散和波导色散总称为色度色散(Chromatic Dispersion)，常 简称为色散，它是时间延迟随波长变化产生的结果。
11
材料色散
材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折 射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传 输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光，并 不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。
-传输容量限制:
B--信号比特率
T
1 B
BL
n2 n12
c
10
色度色散
This is caused by the fact that the refractive index of the glass we are using varies (slightly) with the wavelength. Some wavelengths therefore have higher group velocities and so travel faster than others. Since every pulse consists of a range of wavelengths it will spread out to some degree during its travel.
4
纯石英中由瑞利散射和吸收引起的本征损耗。
纯石英的高吸收区在紫外线和超过2µm的远
红外线。但是OH（杂质）的吸收峰在2.37µm，
1.37 µm和1.23 µm是其谐波。
6
结论：石英光纤在1.55µm损耗最小，少量OH
导致显著吸收峰1.37µm、1.23µm。
5
第一窗口
4
3
2
C 波段
1525~1565nm
所有大于临 界角C的光 线都被限制在 纤芯内。
以不同入射角进入光纤的光线将经历不同的途 径，虽然在输入端同时入射并以相同的速度传 播，但到达光纤输出端的时间却不同，出现了 时间上的分散，导致脉冲严重展宽。
9
c
i
n0
n1 n2
经历最短和最长路径的两束光线间的时差:
T
n1 c
s
L
in
c
L
L c
n12 n2
普通光纤(SMF) 非色散位移光纤（NDSF，G.652） 已有光纤的>95%