光纤光学3.5
光纤光学及技术应用学什么
光纤光学及技术应用学什么光纤光学及技术应用学是一个涉及光纤理论、光纤器件、光网络以及光纤传感等多个方面的学科。
光纤光学是以光纤为研究对象的光学学科，主要围绕光纤的制备、光信号的传输与调控等方面展开研究。
光纤技术应用学则是以光纤技术在各个领域的应用为重点，包括通信、医疗、军事、工业等多个领域。
光纤光学及技术应用学主要涉及的内容包括：1. 光纤的制备与表征：研究光纤的材料、结构、制备工艺以及光学性能等方面，通过对光纤的表征与分析，为其应用提供基础支持。
2. 光纤通信系统：研究光纤在通信系统中的应用，包括光纤通信原理、光纤通信网络结构、光纤通信器件等方面，为高速、大容量、长距离的光纤通信提供技术支持。
3. 光纤传感技术：利用光纤的特性，设计并研究光纤传感器，用于测量温度、压力、光强等物理量，广泛应用于医疗、环境监测、工业控制等领域。
4. 光纤激光器及光纤放大器：研究光纤激光器及光纤放大器的原理、结构和性能，广泛应用于光通信、激光加工、医疗美容等领域。
5. 光纤成像技术：研究利用光纤进行光学成像的技术，包括光纤显微镜、光纤内窥镜等，广泛应用于医学影像、工业检测等领域。
光纤光学及技术应用学的发展对于提高通信技术、促进医疗技术进步、拓展工业应用等方面具有重要意义。
在通信领域，光纤技术的应用可以实现高速、大容量的信息传输，为信息社会的发展提供了基础保障。
在医疗领域，光纤传感技术的应用可以实现对人体各种生理参数的实时监测，为医学诊断和治疗提供了新的手段。
在工业领域，光纤激光器及光纤传感器的应用可以提高生产效率、改善产品质量，为工业自动化和智能制造提供了技术支持。
随着信息社会的不断发展，对通信技术的需求不断增加，光纤通信系统作为当前主要的信息传输方式之一，对其性能和可靠性有更高的要求，因此光纤光学及技术应用学研究的重点之一是提高光纤通信系统的技术水平，研究新型光纤器件、光纤网络技术以及光纤通信系统的安全性和稳定性。
光纤光学基础知识
光纤光学基础知识嘿，朋友们！今天咱们来唠唠光纤光学，这可是个超级有趣又神秘的玩意儿呢。
你可以把光纤想象成超级高速的光滑梯。
光就像一个个调皮的小小孩，哧溜一下就沿着这个滑梯跑下去了，速度那叫一个快啊，比火箭还火箭。
光纤呢，就负责把这些小光孩安全地送到目的地，而且这个滑梯特别细，细得就像一根超级超级瘦的面条，感觉一阵微风就能把它吹断，但实际上它可坚韧着呢。
光纤里面的全反射现象就更有趣了。
这就好比光在光纤里玩反弹球游戏。
光碰到光纤的壁，就像球碰到墙壁一样，弹回来继续跑，而且每次都弹得特别精准，一点都不跑偏。
要是人能有这么厉害的反射能力，那打篮球都不用愁投篮不准啦，光靠反弹就能把球弄进篮筐。
光纤的传输带宽啊，大得就像宇宙一样。
可以想象它是一个超级大的货车，能拉好多好多数据这个“货物”。
不管是视频、音频还是各种复杂的信息，在它眼里都像小蚂蚁一样轻松就能运输。
而那些传统的传输方式呢，就像小三轮，拉不了多少东西，还跑得慢。
说到光纤的材料，那也是相当讲究的。
就像给光做一个豪华的住宅，既要透明又要坚韧。
这材料就像超级英雄的铠甲，保护着里面的光，让光可以在里面无忧无虑地奔跑，不会受到外界的干扰。
要是这个材料有一点点瑕疵，就像房子漏了个洞，光可能就跑丢了，那可就麻烦大了。
光纤的弯曲也很神奇。
你以为它弯了光就过不去了？错！光纤就像一个柔软的小蛇，不管怎么弯曲，光都能顺着它的身体走。
这就好比你在一个弯弯曲曲的迷宫里，有个超级厉害的导航（光），不管迷宫怎么拐，导航都能准确带你找到出口（目的地）。
光纤光学在通信领域的地位那可是相当高啊。
它就像通信界的国王，统治着整个数据传输的王国。
没有它，我们现在的网络世界就会变得乱糟糟的，就像一群没头的苍蝇到处乱撞。
光纤还有一个厉害的地方就是保密性好。
这就像给数据穿上了一层隐身衣，别人想偷看都看不到。
光在光纤里就像一个神秘的特工，悄悄地传递着重要信息，外面那些想搞破坏的“坏蛋”根本找不到它的踪迹。
《光纤光学教学课件》第十九讲
光纤传感器的原理与分类
原理
光纤传感器利用光在光纤中的传输特性变化来检测各种物理量（如温度、压力、 位移、速度等）的变化。当外界参数作用于光纤时，光纤中光的强度、相位、波 长等会发生改变，从而检测出外界参数的变化。
分类
根据不同的分类标准，光纤传感器可以分为多种类型。按工作原理可分为功能型 和非功能型；按被测物理量可分为强度型、干涉型、偏振型和分布式光纤传感器 等；按应用领域可分为工业、环境、医疗和军事等领域的光纤传感器。
04 新型光纤技术及发展趋势
CHAPTER
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型光纤，其结构由石英、聚合物或复合材料制成，具有光子 带隙特性。
光子晶体光纤具有高非线性、低损耗、低色散等优点，在光通信、光传感、激光等 领域具有广泛的应用前景。
光子晶体光纤的制造工艺主要包括微纳加工、化学气相沉积等，其应用场景包括光 子晶体激光器、光子晶体光纤传感器等。
光纤的传输损耗
光纤的传输损耗
光纤在传输过程中会因为吸收、散射和弯曲等原因产生能量损耗，这些损耗限 制了光信号的传输距离和信号质量。
减小传输损耗的方法
通过采用低损耗光纤、优化光纤制造工艺、减小光纤弯曲半径等方法可以减小 光纤的传输损耗。
02 光纤通信系统概述
CHAPTER
光纤通信系统的组成
光纤
传输光信号的介质，由石英等 材料制成。
在成本方面，多模光纤制造成本较低，而单模光纤制 造成本较高。
光纤技术的发展趋势
未来光纤技术的发展将更加注重高带宽、高速率、低损耗、低色散等方 面。新型光纤材料和制造工艺的不断涌现，将推动光纤技术的进一步发 展。
新型光纤技术还包括光子晶体光纤、光子带隙光纤等，这些光纤具有优 异的光学性能和潜在的应用前景。
70光缆技术条件
海底复合电缆光缆部分技术规范1.概述该产品由含有光纤填充膏、若干根着色光纤的松套管绞合于中心金属加强元件周围构成缆芯，缆芯中有适当的填充物，铝聚乙烯粘接内护套，挤包合金铅金属护套，聚乙烯外护层构成。
光缆护套以内的所有间隙均采用包带或填充缆膏进行有效的阻水。
钢-聚乙烯粘接护套、挤包铅套和PE护套结构，不仅可以很好的起到径向及纵向阻水挡潮性能，还可提高光缆的抗侧压性能。
缆内光纤符合GB/T9771.1-2000及ITU-T G652的规定。
2.结构2.1 光纤结构：见表12.2 套管结构：见表22.3 光缆结构：见结构示意图3.性能参数3.1 光纤光学特性：见表33.2 光缆机械性能：见表3及结构示意图4.标志在PE护层上每隔1m印有产品标志包括：制造商名称、制造年份、型号规格等。
5.制造厂青岛汉缆股份有限公司6.测试电缆出厂前要进行常规测试：I.结构尺寸检查II.衰减系数，dB/km7.包装钢制盘装电缆每盘只能卷绕一个制造长度，包装可以很好的保护电缆免受任何损伤。
表1光纤结构项目 技术参数 材料掺锗二氧化硅 8.3±0.5 μm (1310nm)纤芯 模场直径 10.5±l.0 μm (1550nm)包层直径 125±0.8%µm 材料紫外固化丙烯酸酯 涂覆层 直径245±10µm 纤芯/包层同芯度误差≤0.8µm 包层/涂覆层同心度误差≤12.5µm 包层不圆度≤2% 识别色码识别符合标准色谱 着色光纤外径250±15µm 1550nm 弯曲损耗（37.5mm 半径，100圈）≤0.5dB 筛选试验水平（0.69GPa ，100kpsi ）应变≥1%、1s表2套管结构项目 技术参数结构见表1 芯数/管6 光纤 色码识别符合标准色谱 填充 材料光纤填充膏 材料PBT 标称直径 2.4±0.1mm 根数3根 松套管 色码识别红绿领示色表3性能参数项目 技术参数衰减 ≤0.36dB/km@1310nm ≤0.25dB/km@1550nm色散系数 ≤3.5ps/（nm ・km ）@1288～1339nm ≤18ps/（nm ・km @1550nm零色散斜率≤0.093 ps/（nm 2・km ） 零色散波长1300～1324nm 截止波长 λc:2m 涂覆光纤为l100～1280nm λcc:20m 光缆加2m 光纤＜1270nm机械特性筛选试验水平应变≥1%、1s 弯曲半径≥20D （安装）；≥10D （长期）结构示意图光纤芯数： 12芯加强件直径：Φ2.5±0.2mm松套管直径：Φ2.4±0.1mm阻水带厚度： 0.25mm挡潮层：铝-聚乙烯粘接护套铝塑带厚度：0.25mm聚乙烯厚度： 1.5±0.3mm铅护套厚度： 1.8mm半导电阻水膨胀带厚度：0.3mm外护套厚度： 1.0mm光缆外径： 17.5±0.5mm计算重量： 930kg/km。
第3章12波动光学基础
对于图中的LED，其发散中心波长 是820nm（0.82μm），线宽通常定义 为半功率点的宽度。图中线宽 Δλ=30nm（805nm~835nm），带宽比 为30/820=0.037，即3.7%。
图3.3 LED的光谱
10
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
10 L
lg
Pout
/ Pin 10lgPout
/ Pin L
8
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
▪ 实际的光源在一个特定的波长范围内发光。这个范围称为光源
的线宽，或者谱宽。
光源的线宽越窄，其相干性就越好。
理想的相干光源发射单波长的光，其线宽为0，是理想单色 的。表3.1给出了常用光源的典型线宽值。
速度也随波长变化，我们将速度随波长变化的这 种特性称为色散。
材料色散：如果速度的变化是由材料的某些性 质引起的，则称之为材料色散。 波导色散：对于光纤和其他波导，色散也可能 由自身的结构引起，这种情形称为波导色散。
12
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
——3.2.1 材料色散和脉冲畸变
▪ 脉冲传输得越远，其
如 图 3.6(b) ， 图 中 曲 线 的 斜 率 在 λ0 处为0。
图3.6(c)是折射率对波长的二阶导
函数曲线。对纯SiO2，拐点在1.3μm 图3.6 石英玻璃的折射率
附近。
与波长的关系曲线
§3.2 色散、脉冲畸变和信息速率
——3.2.1 材料色散和脉冲畸变
▪ 定量分析石英玻璃中色散导致的信号畸变。 ▪ 假设τ是脉冲传输距离L所需时间，图3.7给出了单位距离
图3.6（c）
22
/ L n'' M n''
SFP,TOSA,BOSA,光纤,Rosa,光模块,GB-Link光通信模块基础培训共47页文档
（NZDSF），将色散零点 统均可，但更适 段：<0.35dB/km，目前一般在0.19-0.25dB/km。
G.655
的位置从1550nm附近移开 合DWDM系统的 色散：当1530nm <λ< 1565nn，0.1ps/nm-km <
一定波长数，使色散零点 传送。
|D(λ)| <6.0 ps/nm-km；655光纤色散系数没有典
中心波长指光信号传输所使用的光波段。目前常用的光 模块的中心波长主要有三种：850nm 波段、1310nm 波段 以及1550nm 波段.
gb-linksalesgb-link
WDM中信号光窗口范围
波段 O波段 E波段 S波段 C波段 L波段 U波段
说明 原始 扩展 短波长 常规波长 长波长 超长波长
范围（nm） 1260~1360 1360~1460 1460~1525 1525~1565 1565~1625 1625~1675
带宽（nm） 100 100 65 40 60 50
大纲
TOSA/BOSA基础知识介绍 光纤基础知识介绍 ROSA基础知识介绍 光模块基础及相关知识点
gb-linksalesgb-link
光收发模块结构
结构由以下:
1. 光器件
外壳
2. PCBA
3. 机械
TOSA
Laser driver
LC 光纤接口
电接口金手指 PCBA
限幅放大器
ROSA
另：10G XFP 产品还包含CDR CHIP X2/XENPAK/SGMII 包含 physical PHY-IC
gb-linksalesgb-link
大纲
TOSA/BOSA基础知识介绍 光纤基础知识介绍 ROSA基础知识介绍 光模块基础及相关知识点
《光纤光学》复习提纲
5.2 3dB损耗相当于光透射率是多少？
• 答：
P 10lg( out ) P in (dB/ km) α =− L
Po ut Pin
令L=1km，则透过率
=0.5
5.3 为什么长波长处光纤损耗小？ • 答： 1.对于本征吸收，紫外本征吸收>红外本征吸收 2.对 于散射损耗，其中瑞利散射损耗与波长的四次方成反比， 因此损耗随波长增大而减小。
5.4 一光纤长3.5km，测得其输入与输出功率分别为1mW和 298uW，求该光纤损耗值（dB/km）
•Байду номын сангаас答：
α =−
10lg(
P out 298 ) 10lg( ) P 1000 = 1.5(dB / km) in =− 3.5 L
光纤的损耗值为1.5dB/km.
5.6 为什么光纤在1.55um波长的损耗比1.3um波长小？ • 答：对于光纤材料的本征吸收损耗，由知增大，E减小， 则随波长增大，本征吸收减小，因此1.55um损耗小于 1.3um。 • 对于瑞利损耗，由于瑞利散射损耗与波长的四次方成反 比，因此1.55um波长的损耗要小于1.3um波长的损耗。
5.9 若已知一光纤的折射率与波长的关系为 n(λ) = aλ + b ，其 中a，b均为常数，该光纤是否存在材料色散？为什么？ • 解： 材料色散取决于折射率对波长的二阶导数。即： λ0 d 2 n Δτ n = − δλ 2 c dλ 而
d 2n dλ2
=0，
故 Δτ n=0，不存在材料色散。
• 解：
• 解：
3.10 标准通信光纤芯径50um，数值孔径0.2，求其中传输模 群的最大主模标号及存在的线偏振模，模式和模数。 • 解：
第5章 光纤光学课件光纤的特征参数与测试技术
正常色散区: 长波长光传播块， 短波长光传播慢!（负色散值） 反常色散区:短波长光传播块， 长波长光传播慢!（正色散值）
反 常 色 散 区
正 常 色 散 区
d 2 n / d2 0 d 2 n / d2 0
0 1.27m
21
G.652 光纤的色散
long
short
正色散光纤
19
ห้องสมุดไป่ตู้
1. 材料色散
纤芯材料折射率随波长而变化，导致光信号不同 波长承载的的光脉冲成份的传播速度也随波长而 变化，使得光脉冲波形被展宽，称之为材料色散。 材料色散取决于折射率对波长的二阶导数，亦即 折射率随波长的非线性变化。因此，不能说折射 率随波长变化就一定导致材料色散 。
20
群速度色散 (GVD)
F0 r n r F r 1
r
n r Rc
o
o
x
损耗计算公式： 3 3 2 Pout W0 V W0 a V 2 10 log10 P 8.68 8a 2 R 8.68 a R 8 c in c
12
1. 宏弯损耗
13
2. 过渡弯曲损耗
直 弯曲
模场不匹配 导摸与漏模之间相互耦合 功率损失
14
损耗分析
损耗的机理：由于光纤由“直”突然变“弯曲”或各段波 导弯曲不一致,引起模场的不匹配,导致导模与漏模之间的相 互耦合, 并损失功率。 y 损耗分析：等效折射率方法
– 弯曲光纤中的场可以看成某一等效 折射率分布下直光纤 – 弯曲光纤传播常数 – 产生相移exp(-ibLz) – 满足波导场方程 – r增加导致ne(r)增加，场分布拓展 导模向漏模转化,引起功率泄漏 造成“过渡损耗”。
光纤光学字母 -回复
光纤光学字母-回复什么是光纤光学？光纤光学是一种光信号传输技术，利用光纤作为光信号的传输介质。
光纤由光导纤维构成，光信号通过光波的传播来实现信息的传输。
光纤光学是光学通信领域的关键技术之一，已广泛应用于电话通信、互联网、电视等领域。
一、光纤光学的发展历程光纤光学的发展可以追溯到19世纪末，当时科学家开始研究光的传播性质。
然而，直到20世纪60年代，光纤光学技术才逐渐成熟并开始应用于通信领域。
1970年，发明了第一根低损耗光纤。
1980年代，光纤光学通信技术得到了迅速发展，高品质、高速率的光纤通信网络开始广泛部署。
二、光纤光学的工作原理光纤光学的工作原理可以简单概括为光信号的传输和调制解调。
光信号通过光纤传输时，会发生光波的折射和反射。
光波的传输过程中，会受到多种因素的影响，如色散、衰减等。
因此，光纤的设计和制造需要考虑这些因素，以提高信号传输的质量和效率。
在光纤光学通信系统中，光信号通过发光二极管(LED)或半导体激光器产生。
光信号经过调制器调制成数字信号，然后通过光纤传输到接收端。
接收端通过接收器将光信号解调成原始的数字信号，然后再进行处理和解码。
三、光纤光学的优点光纤光学比传统的铜质电缆有许多优点。
首先，光纤光学传输的带宽更大，传输速度更快。
其次，光纤光学的信号传输不受电磁干扰的影响，更稳定可靠。
此外，光纤光学的传输距离更远，可以覆盖更大的范围。
最后，光纤光学的体积较小，更便于布线和安装。
这些优点使得光纤光学在现代通信技术中得到广泛应用。
崇尚高速和稳定的互联网、高清晰度的数字电视、高品质的电话通信等，都离不开光纤光学的支持。
四、光纤光学的应用领域光纤光学广泛应用于不同领域。
在通信领域，光纤光学用于光纤通信网络的构建，实现高速和稳定的数据传输。
在医疗领域，光纤光学被用于内窥镜和激光手术等医疗设备中，实现无创伤的检查和治疗。
在工业领域，光纤光学被用于检测设备和传感器中，实时监测温度、压力、湿度等参数。
实验3.6 光纤光学基础实验
实验人：刘颖，合作人：彭梦然（中山医学院，临床八年2012级物理班，学号12980082）2014年4月13日摘要：本实验主要通过测量、对比直接耦合与加上聚焦透镜后光纤耦合两者不同的光纤耦合效率η来了解光纤端面耦合方法的区别，并尝试了解光纤端面制备方法；同时，通过测量并计算多模光纤的数值孔径进一步了解光纤性质。
最后，通过对光纤压力、温度传感器的工作性质进行定量分析，了解光纤传感器的工作原理以及光纤在实际生活中的应用。
关键词：光纤耦合效率 数值孔径 光纤传感器一. 引言光纤（即光导纤维，optical fiber ）是20世纪70年代发展起来的一种新型光电子材料，最初用于通信，70年代末用于传感技术。
普通光纤由高纯度石英玻璃在高温下拉制而成，有传输损耗低、频带宽、纤径小、重量轻、抗干扰性好、耐腐蚀、耐高温等优点。
本实验通过光纤端面处理、光纤耦合系数、数值孔径的测量、光纤传感器等实验，了解光纤传播的基本特性，学习光纤光学的基础知识。
二．实验方法和装置【实验原理】 1. 光纤的传播模式光波在光纤中的传播，主要是交变的电场和磁场在光纤中向前传播。
电磁场的各种不同分布形式，称为“模式”（mode ）。
任何在光纤中传输的光波必须满足在纤芯和包层界面上应用 M axwell 波动方程的边界条件，其结果是，光纤中的光波只能形成独特的一个或多个模式。
单模光纤是只能传输一种模式的光纤，在光纤的横截面上只存在一种电磁场分布模式；而多模光纤能传输多个模式，在光纤横截面上允许多个电磁场分布模式同时存在。
2. 光纤的数值孔径在均匀折射率光纤中，光是依靠在纤芯和包层两种介质分界面上的全反射向前传播的。
射入光纤的光线有两种，一种是穿过光纤纤芯轴线的光线，叫子午光线，如图 3.6. 3（a ）所示，子午光线在光纤内沿锯齿形的折线前进。
另一种是弧矢光线，不穿过纤芯的轴线，如图 3.6. 3（b ）所示，从光纤的横剖面上看，弧矢光线的传播轨迹呈多边形折线状。
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模式场在直角坐标系下分解
y
和 B E t E i 0 H D H H i E t D 0 B 0 则在直角坐标系下有：
, Ez , H x , H y , H z
0, E
Hy Hx
0 x y 0 x 2 Ey
i E y Ez y
13 江汉大学
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
i il U sin U l cos U J l r i J l r r a A e a r a a Ez r , W l cos W B i e il W sin K r i K l r r a l r a a a
5 江汉大学
两组线偏振模
所以在标量近似下，两组线偏振模的各分量为：
0, E
y
, Ez , H x ,0, H z
E
x
,0, Ez ,0, H y , H z
这种线偏振模具有以下特征： 横向分量互相垂直；
幅度成比例，比例系数为波阻抗。
Z 0 0 / 0
因此很类似于矢量法中的TE模和TM模，但这时Ez,Hz均不为零。 在标量近似下的线偏振模仍具有圆对称性，即：
0 r a r a 0 r a r a
EH11 HE12
n ~n
HE11
或
Ex Ez Hy Hz
HEl+1,m模式与EHl-1,m色散曲 6 a U 2 Ur l 4 Ur 线相近。 0 r a V i BJ e i AJ r a a U a H 弱导光纤： 由HEl+1,m模式与EHl-1,m迭加， a a n1n 2 n Wr l Wr r a CK i DK e i W 光线与纤轴的夹角小； W a r a 抵消某一横向分量，构成新 芯区对光场的限制较弱； 的模式。 消逝场在包层中延伸较远。 8
详情请参 P313-318。 同理：
14 江汉大学
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
LPl，m模的构成：y方向偏振的纵向分量
U Ur Ur J l 1 sinl 1 J l 1 sinl 1 0 r a a a iA J l U Ez 2k0an W Wr Wr r a K sin l 1 K sin l 1 l 1 l 1 K W a a l
Hz 1 1 1 E y Ey
2
i 0 x
Hz
1
E y
i 0 x
Hy Hx
0 x y
2Ey
Hy 0
Ey
0 x 2
Hx
Ey
i E y Ez y
i E y Ez y
4 江汉大学
E E il r , r e H H
模式场满足齐次波动方程：
l 0,1,2,
2 E 2 E t 0 H H
江汉大学
1
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
E y r , E y r e il
l 0,1,2,
但这时的l和矢量法中的l含义不同，这时的l=0不再表示TE模和TM模。
6 江汉大学
弱导近似
并且：在Δ<<1的近似（称为弱导近似）下，光纤中的导 模场分布非常接近于横场分布。
E t max H t max k0 n1a E z max H z max U n1k0 n k
3.5.1 LPl,m模的本征解
LPl,m模由HEl+1,m模式与EHl-1,m迭加构成。
LPl,m模只有四个不为零的场分量： 可以是Ey、Hx、Ez和Hz； 也可以是与之正交的Ex、Hy、Ez和Hz E分别沿y方向和x方向偏振。
E y ( x, y ) E y ( x, y ) 0
标量法波导场方程
2 E ( x, y) 2 E ( x, y) t 0 H ( x , y ) H ( x , y )
0, E
2 t 2
y
, Ez , H x ,0, H z
E y ( x, y ) E y ( x, y ) 0
i il U cos U l sin U e J l r i J l r r a A a a r a 0 H z r , W l sin W B i e il W cos K ri K l r r a l r a a a 0
可以在直角坐标系中讨论问题
可以得到简化的本征解与本征值方程。 3.5.1 LPl,m模的本征解 3.5.2 本征值方程 3.5.3 截止和远离截止条件 3.5.4 导模数目 3.5.5 导模场分布图 3.5.6 导模纵向功率流 3.5.7 模式输出特性
11 江汉大学
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
H z i H x i E y x
E z E z i E y i 0 H x i E x i 0 H y y x
2 江汉大学
若取第一组模式，即Ex=0，Ey为已知，则
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
Hz
1 1 1
E y 2Ey 2Ey
LP31
HE41 TE02
n2 2
HE21 4
HE31
TM HE22 LP 02 12 6 V
9 江汉大学
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
LPl,m模色散曲线
10 江汉大学
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
弱导光的特点
HEl+1,m模式与EHl-1,m色散曲线相近； 场的横向分量线偏振，且远大于纵向分量；
2 t 2
E y (r , ) E y (r , ) 0
2 t 2
d 2 E y (r , ) dr 2
2 1 dE y ( r , ) 2 2 l 2 k0 ni 2 E y ( r , )12 0 r dr r
江汉大学
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
Ur il AJ l ( a )e E y r , Wr il BK l ( )e a
Hz 1 1 1 E y 2Ey 2Ey i 0 x
ra ra
i E y E z r , y i E y r E y r y y E y cos i E y sin r r
2 2 1 0 2
1 2
场的横向分量要比纵向分量大一个数量级以上，即在光纤 中传播的场近乎是横电磁的。所以场的横向分量更能反映 场分布特性。
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LP（Linearly Polarized）模
只需考虑4个场分量而不是6个场分量，数学描述大为简化。 采用直角坐标代替圆柱坐标，模场的描述简化为线偏振模式。 场分量为 Ey Ez Hx Hz
TM01
2
il
1
l
l
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第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
HEl+1,m与EHl-1,m模式的色散曲线相近
n1 n1~n2 HE11
LP01 LP11
EH11
k0
HEl+1,m+EHl-1,m= LPl,m EH0m=TE0m/TM0m EH-1m不存在
LP21
TE01 TM01
HE12LP02 EH21
线偏振模可分为两组：
E ,0, E ,H
x z
x
, H y , Hz
i x Ex i x Hx
j k i 0 H y z E y Ez j k i E y z H y Hz
E y
H y H x E x H z i 0 H z i E z iH y i E x x y x y y
i 0 x
Hy Hx
0 x y 0 x 2
Ey
i E y Ez y
可得模式场
0, E
y
, Ez , H x , H y , H z
的其余4个分量。
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弱导近似
对于大多数用于光纤通信的光纤，芯区的折射率n1只稍高 于包层的折射率n2，即相对折射率差Δ <<1。这类光纤对 电磁波的约束和传导作用，比相对折射率差较大的光纤要 弱得多，所以叫做弱导光纤。 此时，模式场的表达式中，二阶以上的变化率均可忽略。 所以标量近似又称为弱导近似。
第3章 3.5弱导光纤与线偏振模
3.5 弱导光纤与线偏振模
对光纤中的混合模式，即HE模和EH模的描述是很复杂的，它们是6个分量 的混合场，数学上处理比较困难。 为了简化运算，Gloge等人提出了标量近似法，此法的基础是线偏振模。 把模式场在直角坐标系下分解，各分量就有固定的线偏振方向，称为线偏 振模，简称LP模。 显然，由于光纤的空间对称性，无论是矢量模（Er,Eφ,Ez,Hr,Hφ,Hz）或是标 量模（Ex,Ey,Ez,Hx,Hy,Hz），均应取圆对称的分布形式，即
2 22
2 il 1 l l
a 2 1l Ur U Ur il 0 r a AJ l BJ l e i i r a a a EH21 U Hr HE41 TE02 2 Wr W Wr il a 2 l r a TM DK l e i i r CK l a HE 02 a HE 21 a 31 n W HE