第二章：光纤结构、波导原理和制造
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光纤通信复习（各章复习要点）
光纤通信复习（各章复习要点）光纤通信复习（各章复习要点）第⼀章光纤的基本理论1、光纤的结构以及各部分所⽤材料成分2、光纤的种类3、光纤的数值孔径与相对折射率差4、光纤的⾊散5、渐变光纤6、单模光纤的带宽计算7、光纤的损耗谱8、多模光纤归⼀化频率，模的数量第⼆章光源和光发射机1、光纤通信中的光源2、LD的P-I曲线，测量Ith做法3、半导体激光器的有源区4、激光器的输出功率与温度关系5、激光器的发射中⼼波长与温度的关系6、发光⼆极管⼀般采⽤的结构7、光源的调制8、从阶跃响应的瞬态分析⼊⼿，对LD数字调制过程出现的电光延迟和张弛振荡的瞬态性质分析（p76）9、曼彻斯特码10、DFB激光器第三章光接收机1、光接收机的主要性能指标2、光接收机主要包括光电变换、放⼤、均衡和再⽣等部分3、光电检测器的两种类型4、光电⼆极管利⽤PN结的什么效应第四章光纤通信系统1、光纤通信系统及其⽹管OAM2、SDH系统3、再⽣段距离的设计分两种情况4、EDFA第五章⽆源光器件和WDM1、⼏个常⽤性能参数2、波分复⽤器的复⽤信道的参考频率和最⼩间隔3、啁啾光纤光栅4、光环形器的各组成部分的功能及⼯作原理其他1、光孤⼦2、中英⽂全称：DWDM 、EDFA 、OADM 、SDH 、SOA第⼀章习题⼀、单选题1、阶跃光纤中的传输模式是靠光射线在纤芯和包层的界⾯上（B）⽽是能量集中在芯⼦之中传输。
A、半反射B、全反射C、全折射D、半折射2、多模渐变折射率光纤纤芯中的折射率是（A）的。
A、连续变化B、恒定不变C、间断变换D、基本不变3、⽬前，光纤在（B）nm处的损耗可以做到0.2dB/nm左右，接近光纤损耗的理论极限值。
A、1050B、1550C、2050D、25504、普通⽯英光纤在波长（A）nm附近波导⾊散与材料⾊散可以相互抵消，使⼆者总的⾊散为零。
A、1310B、2310C、3310D、43105、⾮零⾊散位移单模光纤也称为（D）光纤，是为适应波分复⽤传输系统设计和制造的新型光纤。
光纤通信原理第2章光纤2波导
和边界条件求出光纤中的导模横向能量 分布（模式）、传输常数、截止条件
麦氏方程----波动方程
直角坐标----柱坐标、归一化、通解
边界条件----特征方程 解 唯一
单模光纤分析
线偏振标量模
各个模式的截止曲线 传导模特性
☆波导方程的推导思路
麦克斯韦方程组
H J D t
E B t
• B 0 2.2.0.1
由波动方程求出满足边界条件的纵向场分量EZ、 HZ，再由麦氏方程组求出其它四个横向量
问题：
烦杂，除特例外，一般无解析解
办法(几个假设)
弱导近似，△<<1， —仅能传输单个模式 标量近似(阶跃光纤）—偏振方向不变 WKB近似(梯度光纤）
（振幅缓变，振幅的导数与振幅本身相比的项都忽略）
解决办法
•D
H-磁场强度，E-电场强度 B-磁感应强度，D-电位移矢量 -电荷密度，J-电流密度
电荷守恒定律
• J 0tBiblioteka 2.2.0.2物质方程
J E
2.2.0.3
D 0 E P 0r E B O H M Or H O H
P-媒质极化强度，M-磁化强度
-媒质电导率，o、o-自由空 间的介电常数和磁导率
×
弱导近似
° △<<1,NA=n0sinc≈1， c≈90
√
此时在光纤中传播的电磁波非常
接近于TEM波（横电磁波，比如平面波，只有横 向分量Et、Ht ，纵向分量Ez、Hz均为0） Ez、Hz 均很小，横向分量Et、Ht 很强
标量近似(阶跃光纤）
Et、Ht 的偏振方向在传输过程中保持不变，可 以用一个标量描述。即可以设：横向电场沿y
Ey (z) Ey (0)e j z
麦氏方程----波动方程
直角坐标----柱坐标、归一化、通解
边界条件----特征方程 解 唯一
单模光纤分析
线偏振标量模
各个模式的截止曲线 传导模特性
☆波导方程的推导思路
麦克斯韦方程组
H J D t
E B t
• B 0 2.2.0.1
由波动方程求出满足边界条件的纵向场分量EZ、 HZ，再由麦氏方程组求出其它四个横向量
问题：
烦杂，除特例外，一般无解析解
办法(几个假设)
弱导近似，△<<1， —仅能传输单个模式 标量近似(阶跃光纤）—偏振方向不变 WKB近似(梯度光纤）
（振幅缓变，振幅的导数与振幅本身相比的项都忽略）
解决办法
•D
H-磁场强度，E-电场强度 B-磁感应强度，D-电位移矢量 -电荷密度，J-电流密度
电荷守恒定律
• J 0tBiblioteka 2.2.0.2物质方程
J E
2.2.0.3
D 0 E P 0r E B O H M Or H O H
P-媒质极化强度，M-磁化强度
-媒质电导率，o、o-自由空 间的介电常数和磁导率
×
弱导近似
° △<<1,NA=n0sinc≈1， c≈90
√
此时在光纤中传播的电磁波非常
接近于TEM波（横电磁波，比如平面波，只有横 向分量Et、Ht ，纵向分量Ez、Hz均为0） Ez、Hz 均很小，横向分量Et、Ht 很强
标量近似(阶跃光纤）
Et、Ht 的偏振方向在传输过程中保持不变，可 以用一个标量描述。即可以设：横向电场沿y
Ey (z) Ey (0)e j z
光纤结构、波导原理和制造
光纤可以实现高速、高带宽的数据传输，满足 现代通信需求。
抗电磁干扰
光纤不受电磁干扰影响，保证数据传输的稳定 性和可靠性。
较低的信号衰减
相比传统电缆，光纤的信号衰减较小，可实现 长距离的信号传输。
小尺寸、轻巧
光纤的小尺寸和轻巧特性使其适用于各种应用 场景，如网络、医疗和工业。
光纤的传输原理和波导特性
全内反射
光信号在纤芯中通过全内反射而 传输，避免了能量损失。
单模与多模
光纤可以实现单模和多模传输， 满足不同的传输需求。
色散和衰减
光纤传输过程中会遇到色散和衰 减现象，需要进行补偿和优化。
光纤的制造和工艺流程
光纤制造是一个复杂的工艺过程，包括材料准备、预制棒拉制、涂层和包 覆等多个步骤。精密的工艺保证了光纤的质量和性能。
2
增强信号质量
研究人员正在努力改进光纤传输质量，减少信号衰减和色散现象。
3
智能化应用
光纤技术将与智能设备结合，实现更智能、高效的数据传输和应用。
结论和总结
通过本次演示，我们了解了光纤的定义、结构、优势以及制造过程。光纤技术在通信、医疗和工业等领域的应 用前景广阔，将不断发展和创新。
光纤的应用领域
1 通信网络
光纤是构建全球通信网络的基础，实现高速宽带传输。
2 医疗设备
光纤在医疗设备中的应用越来越广泛，如内窥镜和激光手术器械。
3 工业自动化
光纤可用于监测和控制系统，提高工业生产的效率和安全性。
光纤技术的发展趋势
1
更高带宽
随着数据需求的增加，光纤技术将不断提升带宽以满足更高速传输的需求。
光纤结构、波导原理和制 造
欢迎来到光纤结构、波导原理和制造的介绍。在本次演示中，我们将深入探 讨光纤的基本结构、波导特性以及制造过程。让我们开始吧。
抗电磁干扰
光纤不受电磁干扰影响，保证数据传输的稳定 性和可靠性。
较低的信号衰减
相比传统电缆，光纤的信号衰减较小，可实现 长距离的信号传输。
小尺寸、轻巧
光纤的小尺寸和轻巧特性使其适用于各种应用 场景，如网络、医疗和工业。
光纤的传输原理和波导特性
全内反射
光信号在纤芯中通过全内反射而 传输，避免了能量损失。
单模与多模
光纤可以实现单模和多模传输， 满足不同的传输需求。
色散和衰减
光纤传输过程中会遇到色散和衰 减现象，需要进行补偿和优化。
光纤的制造和工艺流程
光纤制造是一个复杂的工艺过程，包括材料准备、预制棒拉制、涂层和包 覆等多个步骤。精密的工艺保证了光纤的质量和性能。
2
增强信号质量
研究人员正在努力改进光纤传输质量，减少信号衰减和色散现象。
3
智能化应用
光纤技术将与智能设备结合，实现更智能、高效的数据传输和应用。
结论和总结
通过本次演示，我们了解了光纤的定义、结构、优势以及制造过程。光纤技术在通信、医疗和工业等领域的应 用前景广阔，将不断发展和创新。
光纤的应用领域
1 通信网络
光纤是构建全球通信网络的基础，实现高速宽带传输。
2 医疗设备
光纤在医疗设备中的应用越来越广泛，如内窥镜和激光手术器械。
3 工业自动化
光纤可用于监测和控制系统，提高工业生产的效率和安全性。
光纤技术的发展趋势
1
更高带宽
随着数据需求的增加，光纤技术将不断提升带宽以满足更高速传输的需求。
光纤结构、波导原理和制 造
欢迎来到光纤结构、波导原理和制造的介绍。在本次演示中，我们将深入探 讨光纤的基本结构、波导特性以及制造过程。让我们开始吧。
光纤导波原理
光纤导波原理光纤导波原理是指光信号在光纤中传输时，依靠光纤的全内反射和光的波导效应进行的。
光纤是一种具有特殊结构的介质，能够将光信号以高速高质量的方式传输。
光纤导波原理的实现主要依赖于光的全内反射和光的波导效应。
全内反射是光纤导波原理的基础。
当光线从一种光密介质射向另一种光疏介质时，入射角超过临界角时，光线将会发生全内反射。
光纤中的主要材料是高折射率的芯层和低折射率的包层，通过控制两者的折射率差，可以使光线在光纤中发生多次全内反射，从而实现光信号的传输。
光的波导效应也是光纤导波原理的关键。
波导是一种能够将光能量传输到特定方向的结构。
在光纤中，光线会沿着光纤的轴向传播，而不是在整个光纤的横截面上传播。
这是因为光纤的芯层相对于包层来说具有更高的折射率，导致光线在芯层中传播时总是被芯层所束缚。
波导效应使得光纤能够将光信号沿着特定方向传输，而不会出现能量的散失。
光纤导波原理的应用非常广泛。
首先，光纤通信是光纤导波原理的主要应用之一。
光纤通信利用光纤的高速传输特性，实现了远距离、大容量、低损耗的通信方式。
其次，光纤传感技术也是光纤导波原理的重要应用之一。
光纤传感技术利用光纤的高灵敏度和远距离传输的特点，可以实现对温度、压力、湿度等物理量的高精度监测。
此外，光纤激光器、光纤放大器、光纤传输系统等也都是光纤导波原理的应用领域。
总结起来，光纤导波原理是利用光的全内反射和波导效应实现光信号传输的原理。
光纤导波原理的实现依赖于光纤的特殊结构和光的物理特性。
光纤导波原理的应用非常广泛，包括光纤通信、光纤传感技术等领域。
光纤导波原理的发展将会进一步推动光通信和光传感技术的发展，为人类的信息交流和物理监测提供更加便捷和高效的方式。
第二章 光纤结构、波导原理及制造
模式色散（模间色散）：
在多模光纤中，由于不同模式的时间延迟（群速度）不 同而产生的，它取决于光纤的折射率分布，并和光纤材料 折射率的波长特性有关。
材料色散（色度色散）：
由于光纤的折射率随波长而改变，以及模式内部不同波 长成分的光(实际光源不是纯单色光)，其时间延迟不同 （群速度）而产生的。这种色散取决于光纤材料折射率的 波长特性和光源的谱线宽度。
层绞式
中心束管式
带状式
松套层绞式铠装光缆
松套层绞式直埋光缆
金属加强自承式光缆
微束管室内室外光缆
微束管室内室外光缆适合大楼和多层住宅楼的管道引入使用，适合室 内和室外两种环境，芯数一般为12～32。微束管松套光纤为半干式结构， 便于室内光缆分支和施工。
分支型室内布线分光支缆型 室 内 布 线 光 缆 采
用单芯子单元光缆结构，适 合在大楼竖井内中长距离上 的多处分纤终端，每条光缆 子单元均可用现场连接器直 接与终端相连接。光缆为全 介质结构，具有优良的防火 阻燃性能。抗拉强度和防火 等级满足室内垂直/水平布线 光缆的等级要求。芯数有 4/6/8/12/24多种。
按光纤材料组成分：石英光纤、多组分玻璃光纤、 液芯光纤、塑料光纤、氟化物光纤、硫硒碲化合 物光纤等。
按传输光的工作波长分：短波长光纤、长波长光 纤、超长波长光纤。
按用途分：通信光纤、军事上的高强度导弹用光 纤、激光手术刀用的传能光纤，内窥镜传像光纤 等。
下图是三种基本的光纤结构示意图
横截面
折射率分布 r
C’ n1
S
n0 = 1
0
n2 Y
' '
X
P
C0
Q C
Z
''
最新第2章光纤传输原理及特性PPT课件
（4）Ey的标量解
整理变为：
R (r)Jm [n21k20 2]1/2r
R (r)K m [2 n 22k20]1 /2r
ra
ra
E y 1 e jzcm oA s 1 Jm (U /a )r
E y2ejzcm oA s2K m (W /a)r
r≤ a
r≥ a
(2.16)
利用光纤的边界条件可确定式中的常数。首先根据边界条件找
出 A1, A2 之 间 的 关 系 。 在 r=a 处 ， 因 ， 可 得
A1Jm(U)=A2Km(W)=A，将此式代人（2.16）式中，得：得
E y 1 A jze cm oJ m s(U /a )/r J m (U ) r≤ a E y 2 A jze cm oK s m (U /a )/r K m (U ) r≥ a
以m=0的LP0n模为例，其场沿r 方向变化为： R (r)J0(U r/ a )
•LP01模，U=μ01=2.405, R (r)J0(2.40 r/a 5 ) ,在r=0处,R(r)=1而在r=a 处, R (r)J0(2.4)00 5
沿变化如图4-12
•LP02模，U=μ02=5.5201, R (r)J0(5.5r2/a)1 在r=0处,R(r)=1,而在r=a 处, R (r)J0(5.5)20 1 在r=0.4357a处, R (r)J0(2.4)00 5沿r的变化
φα为什么是最大接收角? (2)数值孔径NA(Numerical Aperture) NA的定义? NA=sinφα 物理意义: NA大小反映了光纤捕捉 线的能力.
NA=sinφα=?
NA的表达示
图2.12 光线在阶跃光纤中传播
因为n0n s:1 inc φαo =c n1n s1 s in1 ( 90s 0-2 θicc )=n nn 11 co1 s θn n c,2 2 1 2n s2 1 in cn 2 2 nn12
光纤通信概论第二章2
线性与非线性
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统： 是各分量互不相干的独立贡献 一分耕耘，一分收获！ 否则称为非线性系统！ 非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得 整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不 同于"线性叠加"的增益或亏损。 在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功 率依赖。 如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非 线性的
材料色散与波导色散
色散(ps/nm.km)
20
材料色散 G652光纤色散 零色散点
单模光纤的色散 D=DM+DW
G653光纤色散 0 波导色散 12701310 1550 在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范 围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可 以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消
模式色散
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core
模式色散：
cladding
Low-order Mode (shorter path)
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
2
FWMratio
PFWM P
P
f 2 A eff
D
色散的分类
模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 通常简称的 色散概念！ 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同， 传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同) 引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度
满足f(ax+by)=af(x)+bf(y)称为线性系统： 是各分量互不相干的独立贡献 一分耕耘，一分收获！ 否则称为非线性系统！ 非线性是相互作用，而正是这种相互作用，使得 整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不 同于"线性叠加"的增益或亏损。 在光学中，线性与非线性分别表示非功率依赖和功 率依赖。 如果一个光纤系统的参数依赖于光强，就称为非 线性的
材料色散与波导色散
色散(ps/nm.km)
20
材料色散 G652光纤色散 零色散点
单模光纤的色散 D=DM+DW
G653光纤色散 0 波导色散 12701310 1550 在光纤通信波长范围内，波导色散系数为负，在一定的波长范 围内，材料色散和波导色散符号相反 材料色散一般大于波导色散，但在零色散波长附近二者大小可 以相比拟，普通单模光纤在1.31μm处这两个值基本相互抵消
模式色散
High-order Mode (Longer path) Axial Mode (shortest path) core
模式色散：
cladding
Low-order Mode (shorter path)
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
2
FWMratio
PFWM P
P
f 2 A eff
D
色散的分类
模式色散：不同模式不同传输速度，多模光纤特有 色度色散(Chromatic Dispersion)： 通常简称的 色散概念！ 材料色散：不同波长（频率）信号的折射率不同， 传输速度不同 波导色散：光纤的波导结构(不同区域折射率不同) 引起的色散效应 偏振模色散：不同偏振态不同传输速度
光纤结构、波导原理和制造
主要内容
回顾光的特性、基本的光学定律和定义 介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释 圆波导模式及其理论简介* 单模光纤的特性、材料以及制造工艺 光纤的几种成缆方式
2.3 光纤的结构和模式
纤芯
包层
涂覆层
纤芯
1) 位置：光纤的中心部位 2) 尺寸：直径d1 = 4 mm ~ 50 mm 3) 材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，
z
k = 2p/l为传播常数，表征相位变化的快慢
偏振态
根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：
线偏振光
椭圆偏振光
y
圆偏振光
O
x
e e
z
线偏振光
电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振 光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：
E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t)
n1 sinc = n2 sin 90° [ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
全反射光的相移
偏振态按光平面分解
1 < p/2 - c c
垂直分量
c = 42度
水平分量
1 < p/2 - c c
n = n1/n2
空气与玻璃界面
48
全反射中，光电场的垂直分量的相
移(N)和平行分量的相移(p)
2E0x E0 y cos E02x E02y
椭圆偏振光 ( ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)
Ex E0 x
2 Βιβλιοθήκη Ey E0 y2
2
Ex E0 x
Ey E0 y
cos
s in 2
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折射率分布
1/ 2 0r a n1 1 2D(r / a) n( r ) 1/ 2 n ( 1 2 D ) n1 (1 D) n2 ra 1
其中n1为轴心上的折射率，n2为包层折射率。 在离纤芯距离r处的数值孔径为：
2 n 2 (r ) n2 NA(r ) 0
光纤的分类
按传输的模式数目分 • 单模光纤 • 多模光纤 按折射率的变化分 • 阶跃光纤 • 梯度光纤 ITU-T官方定义 • G.651光纤 (渐变型多模光纤) • G.652光纤 (常规单模光纤) • G.653光纤 (色散位移光纤) • G.654光纤 (衰减最小光纤) • G.655光纤 (非零色散位移光纤)
在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而 与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光 照频率。
2.2 基本的光学定律和定义
光速 c = 3 108 m/s
波长：l = c/v
当光在媒介中传播时，速度cm = c/n 常见物质的折射率：空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同
0
n2
Q
O
光纤的数值孔径 – 阶跃光纤
n2 n
n1 n2
0
纤芯 包层
约束光线产生内全反射的最小入 射角应满足： sinc = n2/n1 空气的最小入射角应满足： nsin0 = n1sin(p/2-c) = (n12 – n22)1/2 小于最小入射角投射到光纤端面的光 线将进入纤芯，并在芯包界面上被全 反射，向前传播。
n2 光线向下传播时的相前 n1
A
C d
n2
光线向上传播时的相前
假设：一个平面波的两条光线1和2，以角度 < p/2-c 入射到 界面上。根据平面波的性质，光线 1 和 2在传播过程中等相面 上的所有点相位必须相同。
等相面
波的相位变化包括因传播而引起的相移，也包括界面上产 生反射时所引起的相位变化。
包层
涂覆层
1) 位置：位于光纤的最外层 2) 尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5 mm 3) 结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a) 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b) 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物 4) 作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了 光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用
E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t)
Ex(z, t) = exE0xcos(wt - kz) Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +) 这两个垂直分量之间的相位 差满足 = 2mp, 其中m = 0, ±1, ±2,…
2 2 E E0 x E0 y
光传播的入射角条件
将s1和s2的值代入相位关系式并简化可以得到：
2pn1d sin
l
mp
假如只考虑波的电场分量垂直于入射面的情况，那么因发射带 来的相移为：
全反射光的相移
偏振态按光平面分解
1 < p/2 - c c
c = 42度
垂直分量
水平分量
1 < p/2 - c c
n = n1/n2
空气与玻璃界面
48
全反射中，光电场的垂直分量的相 移(N)和平行分量的相移(p)
主要内容
回顾光的特性、基本的光学定律和定义 介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释 圆波导模式及其理论简介* 单模光纤的特性、材料以及制造工艺
一根光纤是不是单模传输，与 (1) 光纤自身的结构参数 和 (2) 光纤中传输的光波长有关。 当光纤芯径的几何尺寸远大于光波波长时，光纤传输的 过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。 反之，当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级 时，光纤只允许一种模式在其中传播，即单模传输。 因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。 例如，对于常用的通信波长 (1550 nm)，单模光纤芯径为8~12 mm，而多模光纤芯径 > 50 mm。
G.654光纤(衰减最小光纤) 纤芯纯石英制造，在1550 nm处衰减最小(仅0.185 dB/km)，用于长距离海底传输 G.655光纤(非零色散位移光纤) 引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输
光纤中光传播的分析方法
射线追踪法 (几何光学分析法) 可应用于分析多模光纤 (芯径尺寸 >> 波长) 易于直观理解 电磁场导波模式分析 应用于分析单模光纤 z, t ex E0 coswt kz e y E0 sin wt kz
:
p
2
coswt kz
光的量子特性
光的粒子性：光电效应 (1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦 成功解释) 1. 光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的 2. 光子的能量仅与光子的频率有关 一个频率为n的光子能量为 E = hn 其中h = 6.63 10-34 J· s为普朗克常数
y O x e e
其中：e为电场振动方向 w为光的角频率 k = 2p/l为传播常数，表征相位变化的快慢
z
偏振态
根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为： 线偏振光 椭圆偏振光
y
O x e e
圆偏振光
z
线偏振光
电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振 光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：
单模光纤和多模光纤
在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤 纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射 光的一个传播模式
单模光纤(Signal Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤 多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式进行传播
单模光纤和多模光纤 (续)
光两种典型的传播方式
假设光在各向同性的均匀介质中传播 球面波前 平面波前
点光源
光线
定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前 性质：光的传播方向垂直于波前
平面波
光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振 动方向 (1821年，菲涅尔) 给定一个空间直角坐标系O-xyz， 假设一列平面波始终沿 z 方向传 播，那么这列波可测量的电场可 以表示为： E(z, t) = eEcos(wt - kz)
空气 玻璃
光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角
光的全反射
玻璃的折射率为1.50，空气的 折射率为1.00，如果一束光从 玻璃入射到玻璃 - 空气界面， 那么，当入射角大于42度时， 入射光将发生全反射。
光疏媒质 光密媒质
c
n1 sinc = n2 sin 90°
[ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
光纤中光的传播
光纤中光的传播方式有两种：
a) 子午光线：光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播 a-1) 约束光线：约束在纤芯内部传播的光线 a-2) 非约束光线：将折射到纤芯外面 b) 斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不 与光纤的轴线相交
P n1 Q
n2 P r n1 O
定义：数值孔径为NA = nsin0=(n12 – n22)1/2 = n1(2D)1/2 其中D = (n2 – n1)/n1为芯包相对折射率差 NA是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。 NA大有利于光耦合。但是NA太大的光纤模畸变加大，使得通 信带宽较窄。
光纤的数值孔径 – 梯度光纤
注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准
单模光纤和多模光纤 (续)
单模光纤 优点：不存在模间色散，带宽大，用于长途传输 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使 用半导体激光器激励
多模光纤 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输 模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同 模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽
1/ 2
NA(0) 1 (r / a)
ra ra
其中NA(0)为轴心上的数值孔径
NA(0) n1 2D
光纤的数值孔径 – 梯度光纤
平板波导中的解释
实际上在受光角内，只有一些以特定离散入射角入射的光 线才能沿光纤传播。我们用下面的介质平板波导模型来模拟光 纤光轴剖面上的光线传播。
1/ 2
arctan
E0 y E0 x
E0y
E0x
椭圆偏振光
tan2 2E0 x E0 y cos
2 2 E0 x E0 y
椭圆偏振光 ( ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)
Ex E 0x
2
Ey Ex E y cos sin 2 2 E E E 0 y 0 x 0 y
n2 光线向下传播时的相前 n1
A
C
光线1在B点反射并向上传播时的相前 光线2在D点未经反射时的相前 D E
d
光线向上传播时的相前 B
n2
光线1从A点到B点传播距离为s1，并在上下两个反射面发生两 次相位突变，此时它的波前所经历的相位差应等于光线2从C 传播到D点且未经反射时波前所经历的相位差加上2kp。即有 n1ks1 + 2 = 2mp n1ks1。由几何关系,容易得出AB的长度s1 = d/sin和CD的长度s2 = (cos2 – sin2)d/sin。
1/ 2 0r a n1 1 2D(r / a) n( r ) 1/ 2 n ( 1 2 D ) n1 (1 D) n2 ra 1
其中n1为轴心上的折射率，n2为包层折射率。 在离纤芯距离r处的数值孔径为：
2 n 2 (r ) n2 NA(r ) 0
光纤的分类
按传输的模式数目分 • 单模光纤 • 多模光纤 按折射率的变化分 • 阶跃光纤 • 梯度光纤 ITU-T官方定义 • G.651光纤 (渐变型多模光纤) • G.652光纤 (常规单模光纤) • G.653光纤 (色散位移光纤) • G.654光纤 (衰减最小光纤) • G.655光纤 (非零色散位移光纤)
在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而 与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光 照频率。
2.2 基本的光学定律和定义
光速 c = 3 108 m/s
波长：l = c/v
当光在媒介中传播时，速度cm = c/n 常见物质的折射率：空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5 折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同
0
n2
Q
O
光纤的数值孔径 – 阶跃光纤
n2 n
n1 n2
0
纤芯 包层
约束光线产生内全反射的最小入 射角应满足： sinc = n2/n1 空气的最小入射角应满足： nsin0 = n1sin(p/2-c) = (n12 – n22)1/2 小于最小入射角投射到光纤端面的光 线将进入纤芯，并在芯包界面上被全 反射，向前传播。
n2 光线向下传播时的相前 n1
A
C d
n2
光线向上传播时的相前
假设：一个平面波的两条光线1和2，以角度 < p/2-c 入射到 界面上。根据平面波的性质，光线 1 和 2在传播过程中等相面 上的所有点相位必须相同。
等相面
波的相位变化包括因传播而引起的相移，也包括界面上产 生反射时所引起的相位变化。
包层
涂覆层
1) 位置：位于光纤的最外层 2) 尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5 mm 3) 结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a) 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b) 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物 4) 作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了 光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用
E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t)
Ex(z, t) = exE0xcos(wt - kz) Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +) 这两个垂直分量之间的相位 差满足 = 2mp, 其中m = 0, ±1, ±2,…
2 2 E E0 x E0 y
光传播的入射角条件
将s1和s2的值代入相位关系式并简化可以得到：
2pn1d sin
l
mp
假如只考虑波的电场分量垂直于入射面的情况，那么因发射带 来的相移为：
全反射光的相移
偏振态按光平面分解
1 < p/2 - c c
c = 42度
垂直分量
水平分量
1 < p/2 - c c
n = n1/n2
空气与玻璃界面
48
全反射中，光电场的垂直分量的相 移(N)和平行分量的相移(p)
主要内容
回顾光的特性、基本的光学定律和定义 介绍光纤结构、分类、特性和射线光学解释 圆波导模式及其理论简介* 单模光纤的特性、材料以及制造工艺
一根光纤是不是单模传输，与 (1) 光纤自身的结构参数 和 (2) 光纤中传输的光波长有关。 当光纤芯径的几何尺寸远大于光波波长时，光纤传输的 过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。 反之，当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级 时，光纤只允许一种模式在其中传播，即单模传输。 因此，对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。 例如，对于常用的通信波长 (1550 nm)，单模光纤芯径为8~12 mm，而多模光纤芯径 > 50 mm。
G.654光纤(衰减最小光纤) 纤芯纯石英制造，在1550 nm处衰减最小(仅0.185 dB/km)，用于长距离海底传输 G.655光纤(非零色散位移光纤) 引入微量色散抑制光纤非线性，适于长途传输
光纤中光传播的分析方法
射线追踪法 (几何光学分析法) 可应用于分析多模光纤 (芯径尺寸 >> 波长) 易于直观理解 电磁场导波模式分析 应用于分析单模光纤 z, t ex E0 coswt kz e y E0 sin wt kz
:
p
2
coswt kz
光的量子特性
光的粒子性：光电效应 (1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦 成功解释) 1. 光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的 2. 光子的能量仅与光子的频率有关 一个频率为n的光子能量为 E = hn 其中h = 6.63 10-34 J· s为普朗克常数
y O x e e
其中：e为电场振动方向 w为光的角频率 k = 2p/l为传播常数，表征相位变化的快慢
z
偏振态
根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为： 线偏振光 椭圆偏振光
y
O x e e
圆偏振光
z
线偏振光
电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振 光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：
单模光纤和多模光纤
在光纤的受光角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤 纤芯-包层交界面上产生全反射的传播光线，就可以称为入射 光的一个传播模式
单模光纤(Signal Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤 多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式进行传播
单模光纤和多模光纤 (续)
光两种典型的传播方式
假设光在各向同性的均匀介质中传播 球面波前 平面波前
点光源
光线
定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前 性质：光的传播方向垂直于波前
平面波
光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振 动方向 (1821年，菲涅尔) 给定一个空间直角坐标系O-xyz， 假设一列平面波始终沿 z 方向传 播，那么这列波可测量的电场可 以表示为： E(z, t) = eEcos(wt - kz)
空气 玻璃
光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角
光的全反射
玻璃的折射率为1.50，空气的 折射率为1.00，如果一束光从 玻璃入射到玻璃 - 空气界面， 那么，当入射角大于42度时， 入射光将发生全反射。
光疏媒质 光密媒质
c
n1 sinc = n2 sin 90°
[ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
光纤中光的传播
光纤中光的传播方式有两种：
a) 子午光线：光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播 a-1) 约束光线：约束在纤芯内部传播的光线 a-2) 非约束光线：将折射到纤芯外面 b) 斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不 与光纤的轴线相交
P n1 Q
n2 P r n1 O
定义：数值孔径为NA = nsin0=(n12 – n22)1/2 = n1(2D)1/2 其中D = (n2 – n1)/n1为芯包相对折射率差 NA是一个小于1的无量纲的数，其值通常在0.14到0.50之间。 NA大有利于光耦合。但是NA太大的光纤模畸变加大，使得通 信带宽较窄。
光纤的数值孔径 – 梯度光纤
注意：芯径尺寸不是判断单模和多模光纤的标准
单模光纤和多模光纤 (续)
单模光纤 优点：不存在模间色散，带宽大，用于长途传输 缺点：芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使 用半导体激光器激励
多模光纤 优点：芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源 缺点：存在模间色散，只能用于短距离传输 模间色散：每个模式在光纤中光程不同，导致光脉冲在不同 模式下的能量到达目的的时间不同，造成脉冲展宽
1/ 2
NA(0) 1 (r / a)
ra ra
其中NA(0)为轴心上的数值孔径
NA(0) n1 2D
光纤的数值孔径 – 梯度光纤
平板波导中的解释
实际上在受光角内，只有一些以特定离散入射角入射的光 线才能沿光纤传播。我们用下面的介质平板波导模型来模拟光 纤光轴剖面上的光线传播。
1/ 2
arctan
E0 y E0 x
E0y
E0x
椭圆偏振光
tan2 2E0 x E0 y cos
2 2 E0 x E0 y
椭圆偏振光 ( ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)
Ex E 0x
2
Ey Ex E y cos sin 2 2 E E E 0 y 0 x 0 y
n2 光线向下传播时的相前 n1
A
C
光线1在B点反射并向上传播时的相前 光线2在D点未经反射时的相前 D E
d
光线向上传播时的相前 B
n2
光线1从A点到B点传播距离为s1，并在上下两个反射面发生两 次相位突变，此时它的波前所经历的相位差应等于光线2从C 传播到D点且未经反射时波前所经历的相位差加上2kp。即有 n1ks1 + 2 = 2mp n1ks1。由几何关系,容易得出AB的长度s1 = d/sin和CD的长度s2 = (cos2 – sin2)d/sin。