光纤通信技术-Chapter课件1.pptx
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- 光纤通信 技术 _Chapter 课件
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1、光纤的基本理论:光纤的基本理论:射线光学:射线光学:几何光学的线理论。几何光学的线理论。条件:条件:目的:全反射,数值孔径目的:全反射,数值孔径NANA。波动光学波动光学:Maxwell EquationMaxwell Equation。条件:条件:目的:截止波长,导播模式,辐射模式,模式场模型,传播速度。目的:截止波长,导播模式,辐射模式,模式场模型,传播速度。传输中的问题:传输中的问题:线性光学线性光学:条件:光纤中的功率密度:条件:光纤中的功率密度非常小非常小 目的:损耗,色散;目的:损耗,色散;非线性光学非线性光学:条件:光纤中的功率密度:条件:光纤中的功率密度非常大非常大,传播长度,
2、传播长度很长很长;目的:目的:受激散射受激散射:喇曼散射:喇曼散射 ;布里渊散射布里渊散射 ;折射率扰动折射率扰动:自相位调制;交叉相位调制;四波混频;:自相位调制;交叉相位调制;四波混频;脉冲压缩与光孤子脉冲压缩与光孤子第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论1 1aa1.1 光纤的射线光学分析光纤的射线光学分析1.1.1 光纤的结构和分类光纤的结构和分类按光纤的传导模式数量分类:按光纤的传导模式数量分类:单模光纤单模光纤:唯一的传播模式:基模。要求,对于:唯一的传播模式:基模。要求,对于1310nm1560nm,对应的,对应的纤芯纤芯10um。无模式色散,长距离,大容量
3、传输。无模式色散,长距离,大容量传输。多模光纤:多模光纤:多个传导模式,纤芯多个传导模式,纤芯50um,中短距离,中小容量传输。,中短距离,中小容量传输。1.1.2 多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析多模阶跃折射率光纤的射线光学理论分析相对折射率:相对折射率:全反射临界角:全反射临界角:;光纤端面最大入射角:;光纤端面最大入射角:光纤的数值孔径光纤的数值孔径NANA:第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论2 2 1222121212121211111121222nnnnnnnnnnnnnnnnnn 12arcsinnnc222101max90sinsinnnnc2sin
4、12221maxmaxnnnNA1.2 阶跃折射率光纤的波动光学理论阶跃折射率光纤的波动光学理论1.2.1 波动方程波动方程光纤的特点:光纤的特点:无传导电流;无自由电荷;线性及各向同性介质。无传导电流;无自由电荷;线性及各向同性介质。矢量亥姆霍兹方程:矢量亥姆霍兹方程:标量亥姆霍兹方程:标量亥姆霍兹方程:第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论3 3磁场无源电场的源安培环路定律电磁感应定律0BDJtDHtBE 123cosDEEEEEEEEEEEBHE or HE r or H rt 22222200()()0()()0E rk n E rH rk n H r222000
5、20k nk1.2.2 波动方程的解和光纤中的模式波动方程的解和光纤中的模式1标量解标量解条件条件折射率约束:当光纤的包层与纤芯的折射率相差很小,折射率约束:当光纤的包层与纤芯的折射率相差很小,弱导波光纤弱导波光纤;若光;若光纤的包层和纤芯非常对称,偏振态得到约束,纤的包层和纤芯非常对称,偏振态得到约束,对称分布对称分布。电场磁场电场磁场线偏振:线偏振:独立的,带入亥姆霍兹矢量方程中,分独立的,带入亥姆霍兹矢量方程中,分离出标量方程离出标量方程电场与磁场的关系:电场与磁场的关系:解的形式解的形式第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论4 4ttzzHEHEHE远小于:zxz
6、yHHHEEE0:yyxxEEdlVZHHdlI 波波阻阻抗抗yzEEE2220(,)(,)0yyEx y zk n Ex y z2220(,)(,)0zzE x y zk n E x y z1.2.2 波动方程的解和光纤中的模式波动方程的解和光纤中的模式圆柱坐标:圆柱坐标:解的形式的特点是分离变量解的形式的特点是分离变量第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论5 5 cosexpsinyEA R rZ zmZ zj zm222220222211(,)0yyyyyEEEEk n E rzrrrrZ求解过程:求解过程:根据解的特点:根据解的特点:纤芯中,电场为振荡波:纤芯中,
7、电场为振荡波:设设 包层中,电场为衰减波:包层中,电场为衰减波:设设结论:结论:第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论6 6 22222220022222222220112222222202221100,0,yyyyyyyEEEEk n Erk n Er rrrzEd R rdR rrrk nrmR rrandrdrd R rdR rrrk nrmR rrandrdr代入的形式,得到:222010 1xk nrk n2220202xk nrk n020 1k nk n方程的结构方程的结构标准贝塞尔方程:标准贝塞尔方程:虚数变量的贝塞尔方程:虚数变量的贝塞尔方程:解的结构:
8、解的结构:第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论7 7 222222222200d R xdR xxxxmR xradxdxd R xdR xxxxmR xradxdx 2220122202mmmmR rJxJk nrraR rKxKk nrra解的图示:解的图示:第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论8 8几个重要的参量:几个重要的参量:归一化径向相位常数归一化径向相位常数U ,无量纲,无量纲归一化径向衰减常数归一化径向衰减常数W在贝塞尔函数中,在贝塞尔函数中,归一化频率归一化频率V电场的解电场的解第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本
9、理理 论论9 912222011222202UWk nak narrxUxWaa112222221201 01122222VUWnnk an k ananac 12expcosexpcosmymmmmmrAJUraaEA R rZ zj zmrA KWraarJUaraJUAj zmrKWaraKW根据电场和磁场的正交性(右手定则)和阻抗约束关系根据电场和磁场的正交性(右手定则)和阻抗约束关系:根据根据 ,可求解出,可求解出 忽略忽略同理,可求解同理,可求解第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论1010 111010222200expcosexpcosexpcosmymx
10、ymmrJUEnanraj zm RxJUZZZHAj zmrEnKWj zm RxnaZZraKWZBDEHtt zzEH111101122sin1sin12sin1sin1mmmmxzmmmmrrJUJUUUaammranJUnJUdHjjAEdyk arrKWKWWWaammranKWnKWzjexpzH1)特征方程特征方程根据边界条件:根据边界条件:2)标量模及其特性标量模及其特性a.线偏振线偏振LPmn模式的命名方式模式的命名方式在特殊情况下,若光纤的尺寸恒大于波长,相当于一个无限大的横向空间,在特殊情况下,若光纤的尺寸恒大于波长,相当于一个无限大的横向空间,特征方程为:特征方程为:
11、为为m阶贝塞尔函数的第阶贝塞尔函数的第n个根。所以个根。所以描述了在光纤端面被切成了描述了在光纤端面被切成了m个花瓣个花瓣,在径向有,在径向有n-1个园环个园环。第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论1111 WKWWKUJUUJWKWWKUJUUJmmmmmmmm111112,zzraEE mnmUUJ 0特征方程,只有满足特征方特征方程,只有满足特征方程的波动才具有物理边界含程的波动才具有物理边界含义的波动,才是真实的义的波动,才是真实的b.b.线偏振线偏振LPmnLPmn模式的截止条件模式的截止条件光光不能不能按照一定的模式在光纤中按照一定的模式在光纤中传输传输,称
12、为截止称为截止。若为。若为导波模导波模,光在纤芯,光在纤芯是振荡,在包层是是振荡,在包层是衰减衰减;若为若为截止截止,则光将穿透包层,沿着包层向外辐射,称为,则光将穿透包层,沿着包层向外辐射,称为辐射辐射波波。当。当 时,方程变成一个振荡波。所以,导波截止的标志为时,方程变成一个振荡波。所以,导波截止的标志为 可以可以证明,特征方程,右边为零。所以,证明,特征方程,右边为零。所以,为为 m-1 m-1 或或m+1m+1阶阶贝塞尔函数的根贝塞尔函数的根,记为记为 例如,例如,c.c.对于对于LP01(m=0,n=1)LP01(m=0,n=1)模式模式,传播常数传播常数与自由空间的一样与自由空间的
13、一样,因此,因此,LP01LP01模式对波长没有限制,即没有截止现象。模式对波长没有限制,即没有截止现象。第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论121202W0cccWVU1100mcmccJUJUU0 111,03.83171,7.015591,2,3,.0,0.cccnwhen mJUJ UUn1,mn ;0ccUV12222010 110122220202202U02W0k nak nnk nak nn只有特征值只有特征值=0的波动才是有效的波动的波动才是有效的波动d.单模光纤,保证单模光纤,保证LP01模式存在,阻止或截止其它高阶模式振荡,比较模式存在,阻止或截止
14、其它高阶模式振荡,比较LP02和和LP11模式,得到只要使归一化频率模式,得到只要使归一化频率V小于二阶模小于二阶模LP11模的归一化频率即可。模的归一化频率即可。次小值。当次小值。当 时,产生多时,产生多模传输。模传输。当确定了传输波长后,根据当确定了传输波长后,根据 来设计光纤的尺寸来设计光纤的尺寸a.e.和和 相互垂直的,相互独立的线偏振光,所以它们可以线性组合为相互垂直的,相互独立的线偏振光,所以它们可以线性组合为空间任意方向的线偏振光;空间任意方向的线偏振光;f.和和 是相互正交的关于是相互正交的关于 的两个模式,所以它们是相的两个模式,所以它们是相互独立的,因此,它们可以线性组合。
15、这样,两两相互组合为互独立的,因此,它们可以线性组合。这样,两两相互组合为4个(简并的)线个(简并的)线偏振光。当偏振光。当 时,时,LP0n 或或LP01模是两重简并。模是两重简并。第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论131340483.211LPVVcyExEmcossinm0m0sinm112.40483cVVLP122Vnac1.4 光纤的损耗光纤的损耗损耗系数损耗系数损耗特性曲线损耗特性曲线第第 1 1 章章 光光 纤纤 的的 基基 本本 理理 论论1414 010lgiPdB kmLP 1.5 光纤的色散光纤的色散光纤色散的基本概念光纤色散的基本概念光纤的色
16、散使信号畸变,使通信质量降低,限制了通信的距离。通信中根据传光纤的色散使信号畸变,使通信质量降低,限制了通信的距离。通信中根据传输受限制的情况,分为输受限制的情况,分为色散受限和损耗受限色散受限和损耗受限。激光光源谱线宽度,如激光光源谱线宽度,如DWDM,2.5Gb/s,Spectral Width=0.1nm,12.5GHz高速调制信号使谱线增宽,高速调制信号使谱线增宽,2.5Gb/s,10Gb/s,对应频带利用率,大概对应频带利用率,大概2.5GHz,10GHz.光谱中的光谱中的啁啾啁啾,光谱仪看不出来。传输不远。,光谱仪看不出来。传输不远。色散使脉冲展宽,重叠。码间干扰。色散使脉冲展宽,
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