電磁場第三章光波導課件

§3.5光波導光波導是一個統(tǒng)稱，光導纖維（光纖）是目前在信息技術(shù)中應用最廣泛的導波機構(gòu)。光波導屬于介質(zhì)波導，利用兩種介質(zhì)邊界條件導引光波的傳輸。光纖與一般微波段使用的介質(zhì)波導相比，其工作頻率要高得多（光波長為微米級），橫截面的尺寸也小得多，所以稱其為光導纖維，簡稱為光纖。一光纖的結(jié)構(gòu)型式及導光機理二單模光纖的標量近似分析光纖的結(jié)構(gòu)一光纖的結(jié)構(gòu)型式及導光機理1光纖的基本結(jié)構(gòu)光纖是在圓形介質(zhì)波導的基礎上發(fā)展起來的導光傳輸系統(tǒng)。光纖是由折射率為n1的光學玻璃拉成的纖維作芯,表面覆蓋一層折射率為n2(n2<n1)的玻璃或塑料作為套層所構(gòu)成,也可以在低折射率n2的玻璃細管內(nèi)充以折射率為n1(n2<n1)的介質(zhì)。包層除使傳輸?shù)墓獠馐芡饨绺蓴_之外,還起著控制纖芯內(nèi)傳輸模式的作用。光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)幾何參數(shù)：芯線的半徑，包層的半徑介質(zhì)參數(shù)：芯線折射率n1，包層的折射率n2光纖分類光纖按組成材料可分為石英玻璃光纖、多組分玻璃光纖、塑料包層玻璃芯光纖和全塑料光纖。按折射率分布形狀可分為階躍型光纖和漸變型光纖。按傳輸模式可分為多模光纖和單模光纖。3描述光纖的特性參量描述光纖的基本參數(shù)除了光纖的幾何參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)外,還有光波波長λg、光纖芯與包層的相對折射率差Δ、折射率分布因子g以及數(shù)值孔徑NA等為了描述光纖特性定義的特性參數(shù)。光波波長λg同描述電磁波傳播一樣,光纖傳播因子為如下式,其中ω是傳導模的工作角頻率,β為光纖的相移常數(shù)。對于傳導模,也應滿足一定的條件。折射率分布因子g光纖的折射率分布因子g是描述光纖折射率分布的參數(shù)。一般情況下,光纖折射率隨徑向變化如下式所示:階躍型光纖拋物型光纖漸變型光纖三種常用的光纖波導光纖的數(shù)值孔徑NA還可以用相對折射率差Δ來描述；這個關(guān)系可以說明為了取得較大的數(shù)值孔徑,相對折射率差Δ應取大一些。

光纖波導的數(shù)值孔徑NA5光纖的傳輸特性描述光纖傳輸特性的參數(shù)主要有光纖的損耗和色散。吸收損耗是指光在光纖中傳播時,被光纖材料吸收變成熱能的一種損耗,它主要包括:本征吸收、雜質(zhì)吸收和原子缺陷吸收。散射損耗是指由于光纖結(jié)構(gòu)的不均勻,光波在傳播過程中變更傳播方向,使本來沿內(nèi)部傳播的一部分光由于散射而跑到光纖外面去了。散射的結(jié)果是使光波能量減少。散射損耗有瑞利散射損耗、非線性效應散射損耗和波導效應散射損耗等。其它損耗包括由于光纖的彎曲或連接等引起的信號損耗等。高錕——“光纖之父”

光纖電纜是本世紀最重要的發(fā)明之一。發(fā)明光纖電纜的，就是被譽為“光纖之父”的華人科學家高錕。

1968年英籍華人高錕首先提出了光纖通信的概念，按照他的理論，美國康寧公司制造了第一根用于光纖通信的光導纖維?，F(xiàn)在用光纖做成的光纜已遍布全球，不僅鋪設在陸地，也鋪進了海洋。光纖通信徹底改變了人類通訊模式。高錕，華裔物理學家，生于中國上海，祖籍江蘇金山（今上海市金山區(qū)），擁有英國、美國國籍并持中國香港居民身份，目前在香港和美國加州山景城兩地居住。高錕為光纖通訊、電機工程專家，華文媒體譽之為“光纖之父”、普世譽之為“光纖通訊之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大學校長。2009年，與威拉德·博伊爾和喬治·埃爾伍德·史密斯共享諾貝爾物理學獎。

由單模光纖波長與損耗的關(guān)系曲線圖可見，在1.3μm和1.55μm波長附近損耗較低,且?guī)捿^寬。光纖的色散特性所謂光纖的色散是指光纖傳播的信號波形發(fā)生畸變的一種物理現(xiàn)象,表現(xiàn)為使光脈沖寬度展寬。光脈沖變寬后有可能使到達接收端的前后兩個脈沖無法分辨,因此脈沖加寬就會限制傳送數(shù)據(jù)的速率,從而限制了通信容量。光纖色散主要有材料色散、波導色散和模間色散三種色散效應。其中,c為真空中光速,L為光纖長度,Δλ/λ為光源的相對譜線寬度，Dn稱為材料色散系數(shù)。材料色散與波導色散隨波長的變化呈相反的變化趨勢,所以總會存在著兩種色散大小相等符號相反的波長區(qū),也就是總色散為零或很小的區(qū)域。1.55μm零色散單模光纖就是根據(jù)這一原理制成的。二單模光纖的標量近似分析單模光纖芯線與包層折射率反差小，芯線中光線平行于光線的軸線。當光波極化方向取定后，單模光纖以準TEM波傳播。準TEM波縱向場量幅值遠小于橫向場的幅值，可以用標量近似的方法分析單模光纖線偏振模式。1標量波動方程及其解設電場沿y方向分離變量法Bessel函數(shù)和三角函數(shù)比較函數(shù)類型三角函數(shù)Bessel函數(shù)駐波型行波型衰減型第一二類修正Bessel函數(shù)光纖正常導行光芯線內(nèi)沿r方向的駐波包層內(nèi)沿r方向逐漸衰減2歸一化參量歸一化頻率芯線的特征值包層的特征值正常導行光條件R的求解W=0R的求解3邊界條件和特征方程設電場沿y方向特征方程

4線偏振模及其存在條件弱導光纖正常導行光的截止條件W=0,代入特征方程，可以計算方程的根，不同根表述不同的傳輸模式；用LPmn表示模式，n是特征方程根的序號;LP的意義是：線偏振模式，linearpolarizationmodem＝0,LP0n

LP的主模LP01模的截止角頻率為零，即無截止問題，光纖中只要有導行光模就存在。顯然LP01模是弱導光纖中的主模。m＝1,LP1n

m＝2,LP2n

主模單模傳輸?shù)臈l件

討論一LP模式的標數(shù)m,n，表示相應模式場幅橫向分布規(guī)律，因而具有明確的物理含義。m表示圓周方向光的場幅出現(xiàn)m對最大值的數(shù)，n則表示芯線中沿半徑方向光的場幅過零的次數(shù)。這與前面圓截面金屬波導中的情況是一樣的。

討論二由石英玻璃制成的單模光纖，是如今光纖通信系統(tǒng)中作為光傳輸線的基本型式。根據(jù)石英玻璃的損耗和色散特性，綜合考慮，在光波段中有三個最佳波長窗口（低損耗和低色散）分別是0.85