《光波导理论与技术》PPT课件

《《光波导理论与技术》PPT课件》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、绪论§1.1单模光纤损耗谱示意图1通常认为带宽是载波频率的10%左右，以目前光纤中传输的1.55µm光波为例,载波频率为:带宽大约为20THz,当然这只是说光纤有这么大的带宽容量，实际上已经利用了多少带宽是另一回事。例如1.6Tbit/s光纤链路大约可以传输1930万路语音信道。§1.2光纤网络的巨大传输带宽2各种传输线路的通信容量与中继距离传输线路类型最大通信容量（路）中继距离（km）同轴电缆36002.1微波线路360040140Mbit/s光纤链路19201002.5Gbit/s光纤链路3024050~601.6Tbit/s光纤链路1935360050~603§1.3光通信关键技术

2、1.3.1光纤主要考虑光纤4个主要的传输特性：损耗、色散、非线性、双折射。1.3.2光源和光发送端机LD、光源调制技术、光端机。1.3.3光检测器和光接收端机1.3.4光电集成和光集成技术4电磁场理论基础§2.1电磁场基本方程文中褐色框为麦克斯韦方程组，绿色为本构关系，红色为描写介质特性的方程，白色为电荷守恒定律5在各项同性线性介质中，并注意到与时间有关的场函数可以写成以时间为变量的复数形式在介质的边界上，利用积分形式的麦克斯韦方程组可得介质的边界条件方程组，在处理实际问题时，边界条件很有用。切向边界条件法向边界条件6光纤中的电磁场方程折射率分布均匀介质且J=0,ρ=0,可以得到齐次达朗

3、贝尔方程,也叫波动方程由时谐场得到亥姆霍兹方程式中,7光纤中的电磁波可以看成时谐场，满足亥姆霍兹方程，与电磁波理论中的做法一样，先求解z方向分量，然后再由麦克斯韦方程组求得其他分量采用柱坐标，电磁场写成分量式采用柱坐标，z方向的分量满足亥姆霍兹方程注意用到了缓变介质的条件，所以即使介质折射率是随坐标变化的，亥姆霍兹方程的形式与均匀介质相同8如果求得z方向的分量，其他各横向分量可以用z分量表示出来式中kc、ω、β等与以前的意义相同§5.1光纤中的电磁场方程与电磁学中公式完全相同γ=jβ9§5.2阶跃光纤的严格解---矢量模解5.2.1阶跃光纤中的电磁场解及导波模的截止参数式中，、：待定常数

4、，：m阶第一类贝塞尔函数，：m阶第二类变形贝塞尔函数。10与电磁学中公式比较（7.6.5）（7.6.6）几个低阶第一类贝塞尔函数曲线11几个低阶第二类变形贝塞尔函数曲线12§5.2阶跃光纤的严格解---矢量模解用纵向分量表示的其他分量13§5.2阶跃光纤的严格解---矢量模解利用边界条件得到特征方程：上面这些公式与电磁场与电磁波中公式完全相同，求解很困难，一般用数值法，如果只求各种模式的截止条件，只需令W2＝0，求解满足边界条件的U，则相对简单一些.对于实际使用的光纤可以引入弱导条件而得到简化的特征方程弱导条件简化的特征方程14§5.2阶跃光纤的严格解---矢量模解导波模一共可以分成4种

5、模式即，TE0n、TM0n、EHmn、Hemn。在电磁波课程中我们已经得到了这些模的截止波长，下面直接写出结果。当W2=0,对应包层中导波模和辐射模的转折点或临界点，可以在此条件下求解纤芯内的归一化相位常数U。TE0n、TM0n模的截止波长EHmn模的截止波长HEmn模的截止波长，m>2HEmn模的截止波长，m=115§5.2阶跃光纤的严格解---矢量模解上面这些式子中，uxy表示x阶贝塞尔函数的第y个零点，下面表5.1是几个低阶贝塞尔函数的零点位置。HE11模对应0阶贝塞尔函数的第零个零点.mn012312.404833.831715.135626.3801625.520087.015

6、598.417249.7610238.6537310.1734711.6198413.01520411.7915312.3236914.7959616.22347514.93069216.4706317.9598214.40942请注意，λc(HE11)＝∞,所以从理论上说，该模式可以传播任意低频的光。16§5.2阶跃光纤的严格解---矢量模解定义另一个重要的特征参量，V,称为光纤的归一化频率，是一个无量纲的参数。当W2＝0时，相应的U记为Uc，V记为Vc，Vc称之为归一化截止频率。显然，此时Uc＝Vc且：这样，光纤中任意一个模式的传播条件是：光纤中单模传播的条件是：17§5.2阶跃光纤

7、的严格解---矢量模解如果光纤参数已知，考虑对波长的要求，单模传播的条件还可以写为：或者已知波长参数和光纤折射率，考虑对光纤半径的要求，单模传播的条件还可以写为：18§5.2阶跃光纤的严格解---矢量模解5.2.2对各种导波模的几何解释可以用射线理论和本地平面波理论解释，TE模和TM模由光纤中传播的子午光线形成，混合模HE模和EH模则由偏斜光线形成，进一步，由于水平偏振的子午光线形成TE模，而垂直偏振的子午光线则形成TM模。这是因为