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1、光信息传输技术1第1页，此课件共24页哦 几何光学近似法几何光学近似法 1.突变型多模光纤突变型多模光纤 存存在在一一个个临临界界角角cc，只只有有在在半半锥锥角角为为cc的的圆圆锥锥内内入入射射的的光光束束才能在光纤中传播。才能在光纤中传播。2第2页，此课件共24页哦*数值孔径数值孔径(Numerical Aperture,NA)(Numerical Aperture,NA)NANA表表示示光光纤纤接接收收和和传传输输光光的的能能力力，NA(NA(或或c)c)越越大大，光光纤纤接接收收光光的的能能力力越越强强，从从光光源源到到光光纤纤的的耦耦合合效效率率越越高高。对对于于无无损损耗耗光光纤纤
2、，在在cc内内的的入入射射光光都都能能在在光光纤纤中中传传输输。NANA越越大大，纤纤芯芯对对光光能能量量的的束束缚缚越越强强，光光纤纤抗抗弯弯曲曲性性能能越越好好。但但NANA越越大大 经经光光纤纤传传输输后后产产生生的的信信号号畸畸变变越越大大，因因而而限限制制了了信信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NANA。3第3页，此课件共24页哦例子例子4第4页，此课件共24页哦*时间延迟时间延迟 这这种种时时间间延延迟迟差差在在时时域域产产生生脉脉冲冲展展宽宽，或或称称为为信信号号畸畸变变。由由此此可可见见，突突变变型型多多模模光光纤纤的
3、的信信号号畸畸变变是是由由于于不不同同入入射射角角的的光光线经光纤传输后，线经光纤传输后，其时间延迟不同而产生的。其时间延迟不同而产生的。5第5页，此课件共24页哦n11-=n2 2ra 0ran(r)=几何光学近似法几何光学近似法 2.渐变型多模光纤渐变型多模光纤*数值孔径数值孔径6第6页，此课件共24页哦射线方程一般形式为射线方程一般形式为 r*=cos(Az)-An(0)sin(Az)cos(Az)r17第7页，此课件共24页哦*自聚焦效应自聚焦效应*=0cos(Az)自聚焦周期自聚焦周期*时间延迟时间延迟8第8页，此课件共24页哦 2.2.2 光纤传输的波动理论光纤传输的波动理论 光导
4、纤维圆柱状的介质波导波导中存在各种模式的电磁波：波导中存在各种模式的电磁波：传播模（导波模）传播模（导波模）截止模（辐射模）截止模（辐射模）9第9页，此课件共24页哦矢量波动方程1.光波导中的电磁场方程光波导中的电磁场方程标量波动方程10第10页，此课件共24页哦圆柱坐标系圆柱坐标系设电磁场沿z方向传播写成分量形式：11第11页，此课件共24页哦若干低阶模式归一化传输常数随归一化频率变化的曲线*传播模式和传播条件传播模式和传播条件光纤中任意一个模式的传播条件是12第12页，此课件共24页哦图 2.9 四个低阶模式的电磁场矢量结构图 13第13页，此课件共24页哦14第14页，此课件共24页哦1
5、5第15页，此课件共24页哦HE21TE01+LP11TM01HE21+LP1116第16页，此课件共24页哦17第17页，此课件共24页哦 6.6.单模光纤的模式特性单模光纤的模式特性*单单模模条条件件 从图2.8和表2.2可以看到，传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时，不断发生模式截止，模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时，只有HE11(LP01)一个模式存在，其余模式全部截止。HEHE1111称为基模称为基模，由两个偏振态简并而成。由此得到单模传输条件为*截止波长截止波长18第18页，此课件共24页哦19第19页，此课件共24页哦*光光强强分分布布和和模模场场半半径
6、径 通常认为单模光纤基模HE11的电磁场分布近似为高斯分布式中，A为场的幅度，r为径向坐标，w0为高斯分布1/e点的半宽度，称为模模场场半半径径。实际单模光纤的模场半径w0是用测量确定的，常规单模光纤用纤芯半径a归一化的模场半径的经验公式为20第20页，此课件共24页哦*双双折折射射和和偏偏振振保保持持光光纤纤 前面的讨论都假设了光纤具有完美的圆形横截面和理想的圆对称折射率分布，而且沿光纤轴向不发生变化。因此，HE11（LP01）模的x 偏振模HEx11(Ey=0)和y 偏振模HEy11(Ex=0)具有相同的传输常数(x=y)，两个偏振模完全简并。但是实际光纤难以避免的形状不完善或应力不均匀，
7、必定造成折射率分布各向异性，使两个偏振模具有不同的传输常数(xy)。因此，在传输过程要引起偏振态的变化，我们把两个偏振模传输常数的差(x-y)定义为双折射，通常用归一化双折射B来表示，21第21页，此课件共24页哦22第22页，此课件共24页哦把两个正交偏振模的相位差达到2的光纤长度定义为拍长Lb 存在双折射，要产生偏振色散，因而限制系统的传输容量。许多单模光纤传输系统都要求尽可能减小或消除双折射。一般单模光纤B值虽然不大,但是通过光纤制造技术来消除它却十分困难。合理的解决办法是通过光纤设计，人为地引入强双折射，把B值增加到足以使偏振态保持不变，或只保存一个偏振模式，实现单模单偏振传输。强强双双折折射射光光纤纤和和单单模模单单偏偏振振光光纤纤为偏振保持光纤。为偏振保持光纤。23第23页，此课件共24页哦24第24页，此课件共24页哦