光通信技术 课件Lecture2new169
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光通信技术简介-PPT课件
光谱特性
紫外 Invisible
可见
红外 wavelength
Invisible
850 nm
980 nm 1310 nm
1480 nm
1550 nm
1625 nm
光通信频带范围
光纤通信波长范围目前利用 850, 1310nm和1550nm三个窗口
光纤结构
coating n cladding n core cladding core n cladding n core
E/OConversion
Optical Transmission
O/E Conversion
Electrical transmission
electrical signal processing
Fiber as transmission medium
依据国际标准进行电子信号处理。 将信号转换为光波频带可以利用后来发展起来的光纤 传输的优势。
红外吸收在长波方向限制传输。OH吸收峰在 1400nm附近。 造成三个传输窗口:850, 1310nm和1550nm 。
弯曲下光纤损耗
attenuation coefficient / dB/km -->
3,0 宏弯光纤 2,0
微弯光纤 未弯曲光纤
1,0
0,0 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 wavele网络示意(2)
干线网 层1
STM-4 STM-16 STM-1 Exchange
干线网 层2
Local Exchange
FlexMux
用户 接入
Mux 64/2M
复用技术
•目前PDH、SDH等技术均采用时分复用(TDM)技术。
光通信培训课件
偏振复用技术
偏振复用原理
利用光的偏振态不同,将多个独立信号在同一波长上进行复用,提高传输速率和 容量。
偏振复用技术分类
包括偏振复用直接调制和偏振复用外调制两种方式。
前向纠错技术
前向纠错原理
在发送端对数据进行一定的编码处理,在接收端对接收到的数据进行解码处理,从而纠正传输过程中可能出现的 错误。
前向纠错技术分类
案例四:智慧城市中的光传输技术应用
总结词
详细描述
智慧城市对于光传输技术的需求主要体现在 城市管理和公共服务方面。通过使用光纤和 无线相结合的方式,智慧城市可以实现更高 效、更智能和更便捷的数据传输。
在智慧城市中,光传输技术被广泛应用于城 市管理和公共服务领域。例如,通过使用光 纤传感器和高速光模块,智慧城市可以实现 实时监控和管理城市的交通、公共安全和环 境质量等方面的问题。同时,光纤的无线通 信网络也可以为市民提供高速、便捷的网络
将电信号转换为光信号,通过改变光源的 发光强度或相位来实现。
驱动电路
发送模块
为光源提供合适的偏置和调制电流,以控 制光信号的幅度和相位。
将电信号转换为光信号,并进行电光转换 、调制、发送等操作。
光接收机
01
光检测器
将接收到的光信号转换为电信号 。
限幅放大器
进一步放大电信号,并消除噪声 干扰。
03
02
案例三:电力通信网中的光传输技术应用
总结词
电力通信网对于光传输技术的需求主要体现在高可靠性和安全性方面。通过使用光纤和光器件,电力通信网可以 实现更稳定、更可靠和更安全的数据传输。
详细描述
在电力通信网中,光传输技术被广泛应用于电力线路和变电站之间的互联。通过使用光纤和光器件,电力通信网 可以实现高速、大容量的数据传输,满足电力通信网对于高可靠性和安全性的需求。另外,光纤的物理特性也使 得电力通信网在遭受自然灾害或其他干扰因素时能够保持相对稳定的数据传输服务。
《光纤通信技术》 (2)幻灯片
• 常见的光通信器件的基 本原理、特性和使用
• 光纤通信系统中复用技 术的原理、方法和实际 应用
学 熟等习悉基要光本求纤知的识参数、分类
熟悉几何光学分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
熟悉波动理论分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
掌握光纤的损耗及色散 的分析、计算、测量、 补偿以及其他相关应用。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤是光导纤维(optical fiber)的简写,是 一种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理 传输光能的工具。
1870 庭达尔
光导纤维
1966 高锟
低损耗光纤的可能性
1970 美国康宁公司
20db/km的光纤
1971此后光纤通信系统进入快速发展
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤的优点
➢ 频带宽,传输容量大。 ➢ 损耗低,传输距离远,损耗受温度影响小,同时
在部分频段内损耗和频率无关,无须引入均衡器。 ➢ 重量轻,体积小,不易受到电磁干扰,且安全性、
保真性都远好于电缆。 ➢ 成本低,生产光纤的原料石英来源广泛,储量远
远大于铜和铝等金属材料,价格上要便宜得多。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
《光纤通信技术》 (2)幻灯 片
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学 • 掌习握目光标纤通信的原理
• 掌握光纤的相关参数, 光纤中损耗和色散的相 关知识
最后光纤应用时还 要做成光缆 。
5.1.5 光纤通信5系.1统光纤基本知识
• 光纤通信系统中复用技 术的原理、方法和实际 应用
学 熟等习悉基要光本求纤知的识参数、分类
熟悉几何光学分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
熟悉波动理论分析光信 号在光纤中传输的相关 结论
掌握光纤的损耗及色散 的分析、计算、测量、 补偿以及其他相关应用。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤是光导纤维(optical fiber)的简写,是 一种利用光介质分界面上可能发生全反射的原理 传输光能的工具。
1870 庭达尔
光导纤维
1966 高锟
低损耗光纤的可能性
1970 美国康宁公司
20db/km的光纤
1971此后光纤通信系统进入快速发展
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
光纤的优点
➢ 频带宽,传输容量大。 ➢ 损耗低,传输距离远,损耗受温度影响小,同时
在部分频段内损耗和频率无关,无须引入均衡器。 ➢ 重量轻,体积小,不易受到电磁干扰,且安全性、
保真性都远好于电缆。 ➢ 成本低,生产光纤的原料石英来源广泛,储量远
远大于铜和铝等金属材料,价格上要便宜得多。
5.1.1 光纤的发5明.1和光发纤展基本知识
《光纤通信技术》 (2)幻灯 片
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学 • 掌习握目光标纤通信的原理
• 掌握光纤的相关参数, 光纤中损耗和色散的相 关知识
最后光纤应用时还 要做成光缆 。
5.1.5 光纤通信5系.1统光纤基本知识
《光纤通信技术》PPT课件
(3)波导结构不完善引起的损耗:实际的
光纤纤芯与包层的交界面并非理想光滑的圆柱面, 而存在着非常微小结构的凹凸现象。这种不均匀 表面能将传输模转换成辐射模,使光纤损耗增加。
编辑ppt
17
(4) 微弯损耗:光纤侧面受到不均匀的压力,
使得光纤在轴向上发生微米极的弯曲,造成纤芯与 包层界面的微小凹凸产生光辐射所形成的损耗。
半导体雪崩二极管(APD):需加高反偏
电压,内部产生雪崩增益效应,有较大放 大作用。
编辑ppt
四、光放大器
使光信号直接在光域中进行放大而 无需转换成电信号的放大器叫光放大 器,它具有高增益和高功率的放大能 力,在各种不同的光波系统中均可得 到应用。
编辑ppt
27
1、光放大器可分为:
半导体光放大器:利用能级间跃迁的受激现 象进行光放大的。
微弯损耗
附加损耗 弯曲损耗
连接损耗
编辑ppt
16
(1) 瑞利散射损耗:是指光与微小粒子相遇
时,光将向各个方向散射的现象。由于光纤在拉 丝制造过程中,高温导致的密度分布不均匀和成 分的不规则将残留在光纤中,从而引起的传输损 耗。
(2) 吸收损耗:是由光纤材料对光能的固有吸 收并转化成热能而产生的损耗。
1970年,美国康宁玻璃公司首先制造出衰减 为20dB/km的光纤。
1974年,光纤的衰减已降低到2dB/km;
1980年,长波长窗口(1.5μm)的衰减低达 0.2dB/km,接近理论值。
编辑ppt
4
2、光源
要实现光纤通信,还需要有适当的光源。
1970年,研制出在室温下连续运行的激 光器和发光二极管;特别是长波长 (1.3μm、1.5μm)激光器和发光二极管 的研制成功,为实现光纤通信奠定了基 础。
光纤纤芯与包层的交界面并非理想光滑的圆柱面, 而存在着非常微小结构的凹凸现象。这种不均匀 表面能将传输模转换成辐射模,使光纤损耗增加。
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17
(4) 微弯损耗:光纤侧面受到不均匀的压力,
使得光纤在轴向上发生微米极的弯曲,造成纤芯与 包层界面的微小凹凸产生光辐射所形成的损耗。
半导体雪崩二极管(APD):需加高反偏
电压,内部产生雪崩增益效应,有较大放 大作用。
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四、光放大器
使光信号直接在光域中进行放大而 无需转换成电信号的放大器叫光放大 器,它具有高增益和高功率的放大能 力,在各种不同的光波系统中均可得 到应用。
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27
1、光放大器可分为:
半导体光放大器:利用能级间跃迁的受激现 象进行光放大的。
微弯损耗
附加损耗 弯曲损耗
连接损耗
编辑ppt
16
(1) 瑞利散射损耗:是指光与微小粒子相遇
时,光将向各个方向散射的现象。由于光纤在拉 丝制造过程中,高温导致的密度分布不均匀和成 分的不规则将残留在光纤中,从而引起的传输损 耗。
(2) 吸收损耗:是由光纤材料对光能的固有吸 收并转化成热能而产生的损耗。
1970年,美国康宁玻璃公司首先制造出衰减 为20dB/km的光纤。
1974年,光纤的衰减已降低到2dB/km;
1980年,长波长窗口(1.5μm)的衰减低达 0.2dB/km,接近理论值。
编辑ppt
4
2、光源
要实现光纤通信,还需要有适当的光源。
1970年,研制出在室温下连续运行的激 光器和发光二极管;特别是长波长 (1.3μm、1.5μm)激光器和发光二极管 的研制成功,为实现光纤通信奠定了基 础。
《光纤通信技术》课件
3 更高密度
光纤连接器和光纤组件将变得更小型化和高密度,提高光纤通信系统的灵活性。
光纤通信技术的挑战和解决方案
信号衰减
长距离传输会导致信号衰减, 引入光纤放大器和衰减补偿 器解决。
色散
不同波长的光信号在光纤中 传输速度不同,引入分波复 用和调制解调技术解决。
光纤损伤
光纤损伤会导致传输质量下 降,引入纤芯修复和保护技 术解决。
光纤通信
光纤通信技术通过光信号传输语音、图像和数 据,使信息传输更可靠和高效。
光纤通信的工作原理
全内反射
光纤内部采用全内反射原理,使光信号在光纤中传输。
光纤传输模式
光纤可以传输单模式和多模式信号,以适应不同的通信需求。
光纤连接和接收
光纤连接器和光接收器是实现光纤通信的关键组成部分。
光纤通信系统的组成
《光纤通信技术》课件
欢迎来到《光纤通信技术》课件!通过本课程,我们将探索光纤通信技术的 发展、应用和挑战,了解这Байду номын сангаас革命性技术的工作原理和优势。
光纤通信技术概述
光纤传输
光纤通过内部的光信号传输数据,提供更高的 带宽和更快的传输速度。
光纤网络
光纤网络可以覆盖较长的距离,并支持大量的 数据传输,是现代通信的基础设施。
总结和展望
光纤通信技术的发展给我们带来了前所未有的通信体验和行业变革。我们期 待光纤通信在未来继续推动信息社会的发展。
2
低延迟
光信号在光纤中传播速度快,减少了通信的延迟。
3
抗干扰
光纤对电磁干扰和噪声具有很强的抵抗能力。
光纤通信广泛应用于电信、互联网、医疗、军事等领域,推动了信息社会的发展。
光纤通信的发展趋势
光纤连接器和光纤组件将变得更小型化和高密度,提高光纤通信系统的灵活性。
光纤通信技术的挑战和解决方案
信号衰减
长距离传输会导致信号衰减, 引入光纤放大器和衰减补偿 器解决。
色散
不同波长的光信号在光纤中 传输速度不同,引入分波复 用和调制解调技术解决。
光纤损伤
光纤损伤会导致传输质量下 降,引入纤芯修复和保护技 术解决。
光纤通信
光纤通信技术通过光信号传输语音、图像和数 据,使信息传输更可靠和高效。
光纤通信的工作原理
全内反射
光纤内部采用全内反射原理,使光信号在光纤中传输。
光纤传输模式
光纤可以传输单模式和多模式信号,以适应不同的通信需求。
光纤连接和接收
光纤连接器和光接收器是实现光纤通信的关键组成部分。
光纤通信系统的组成
《光纤通信技术》课件
欢迎来到《光纤通信技术》课件!通过本课程,我们将探索光纤通信技术的 发展、应用和挑战,了解这Байду номын сангаас革命性技术的工作原理和优势。
光纤通信技术概述
光纤传输
光纤通过内部的光信号传输数据,提供更高的 带宽和更快的传输速度。
光纤网络
光纤网络可以覆盖较长的距离,并支持大量的 数据传输,是现代通信的基础设施。
总结和展望
光纤通信技术的发展给我们带来了前所未有的通信体验和行业变革。我们期 待光纤通信在未来继续推动信息社会的发展。
2
低延迟
光信号在光纤中传播速度快,减少了通信的延迟。
3
抗干扰
光纤对电磁干扰和噪声具有很强的抵抗能力。
光纤通信广泛应用于电信、互联网、医疗、军事等领域,推动了信息社会的发展。
光纤通信的发展趋势
光纤通信原理和技术PPT课件
波长(µm) 系统类型
0.85
IM/DD
光纤 多模
BL(Gb/s·km) 年代
2
1978
1.3
IM/DD
单模
第1章 绪论
1.1 光通信发展史 1.2 国内外光纤通信技术发展概况 1.3 光纤通信系统的基本构成
第1章 绪论
1.1 光通信发展史
1.1.1 现代通信的发展
人类社会出现后,人与人之间就需要信息交流。原始社会 人们可以靠声音(语言)、肢体动作(肢体语言)或面部表情 等交流信息,这就是原始的通信,是人们面对面的交流。
60年代最好的光纤传输衰减为1000dB/km,即传输1km, 光功率降到原来的1/10100≈0,因而这种光纤不可能用作通 信媒质。当时没有人相信光纤可以用于通信,也没有人从 事光纤用于通信的研究。英藉华人学者高锟博士的贡献在 于理论上证明这样大的传输衰减是由于光纤中杂质吸收和 散射引起的。如将光纤提纯,则传输衰减可以降到可在通 信中实用的程度(最初提出的指标是20dB/km)[1].这一贡 献具有深远意义,完全改变了通信容量不适应社会发展的 需求,推动了信息社会更快地到来。由于这一贡献,高锟 博士获得了2009年诺贝尔物理学奖。
第1章 绪论
2.半导体激光器性能的突破
1960年发明的第一个激光器是红宝石(固体)激光器,不久 (1961年)半导体激光器研制成功,但当时需要在低温(液氮) 下脉冲工作。后来采用异质结技术使激光器可在常温下连续 工作,但开始只有数小时甚至数分钟的寿命,由于寿命极短 不能实用化。经过一段时间的努力,才研制成功可实用的半 导体激光器。现在的半导体激光器的性能有了极大的提高, 其寿命可达106小时,甚至达108小时,功率可达10 毫瓦量级 (泵浦激光器可达几百毫瓦),可调谐范围几百GHz,线宽低到 1―10MHz(外腔激光器能达几十kHz),适用于各种光通信系统, 为光纤通信实用化打下了基础。激光器价格也在不断下降, 干线通信系统所用激光器已降到千美元量级;几十美元,甚 至几美元的半导体激光器可用于接入网系统。
光纤通信-PowerPointPresentation
第一讲 光纤通信概述
主要内容 ●光纤通信的发展史与趋势 ●电磁波的波谱 ●光纤通信系统基本组成 ●光纤通信的特点
教学重点 ●了解光纤通信的发展史 ●理解光在电磁波谱中的位置 ●掌握光纤通信所用光-波的波长范围 ●光纤通信的特点及光纤通信系统的组
成。
1
光纤通信是以光纤为传输媒质,以光信号为信息载体 的通信方式.
光 接 收 机
电 接 收 机
信 息 宿
电信号 光信号 光信号 电信号
输入
输出
输入
输出
6
光发送机
组成------ 半导体光源(核心)、驱动器和调制器。 功能----- 将待发送的电信号进行电/光转换,并将转换
出的光信号最大限度的注入光纤中进行传输。
7
光纤线路
功能:是把来自光发射机的光信号,以尽可能小的畸变 (失真)和衰减传输到光接收机
2
光纤通信的发展史
1880年,美国科学家贝尔发明光电话 。光通信开始起源发展。 1960年,美国人梅曼发明第一台红宝石激光器 。 1966年,英籍华人高锟指出:如果能够减少玻璃中的杂质含量,就可以
制造出损耗低于20dB/km的光纤。 1970年是使光纤通信发展出现跨越的一年,美国康宁公司研制出了损耗
组成------ 光电检测器(核心)、放大器和相关电路 功能------ 将光纤传来的光信号进行光/电转换,并对
转换出的电信号进行放大和恢复.
9
光中继器
功能——将经过一段光纤线路传输后产生了失真的 光信号进行放大及再生后送入下一段光纤中传送从而 可延长光信号传输距离。
10
光纤通信的特点
• 传输衰减小,传输距离长。 • 传输频带宽,通信容量大。 • 抗电磁干扰,传输质量好。 • 体积小、重量轻、便于施工。 • 原材料丰富,节约有色金属,有利于环保。 • 易碎不易接续。
主要内容 ●光纤通信的发展史与趋势 ●电磁波的波谱 ●光纤通信系统基本组成 ●光纤通信的特点
教学重点 ●了解光纤通信的发展史 ●理解光在电磁波谱中的位置 ●掌握光纤通信所用光-波的波长范围 ●光纤通信的特点及光纤通信系统的组
成。
1
光纤通信是以光纤为传输媒质,以光信号为信息载体 的通信方式.
光 接 收 机
电 接 收 机
信 息 宿
电信号 光信号 光信号 电信号
输入
输出
输入
输出
6
光发送机
组成------ 半导体光源(核心)、驱动器和调制器。 功能----- 将待发送的电信号进行电/光转换,并将转换
出的光信号最大限度的注入光纤中进行传输。
7
光纤线路
功能:是把来自光发射机的光信号,以尽可能小的畸变 (失真)和衰减传输到光接收机
2
光纤通信的发展史
1880年,美国科学家贝尔发明光电话 。光通信开始起源发展。 1960年,美国人梅曼发明第一台红宝石激光器 。 1966年,英籍华人高锟指出:如果能够减少玻璃中的杂质含量,就可以
制造出损耗低于20dB/km的光纤。 1970年是使光纤通信发展出现跨越的一年,美国康宁公司研制出了损耗
组成------ 光电检测器(核心)、放大器和相关电路 功能------ 将光纤传来的光信号进行光/电转换,并对
转换出的电信号进行放大和恢复.
9
光中继器
功能——将经过一段光纤线路传输后产生了失真的 光信号进行放大及再生后送入下一段光纤中传送从而 可延长光信号传输距离。
10
光纤通信的特点
• 传输衰减小,传输距离长。 • 传输频带宽,通信容量大。 • 抗电磁干扰,传输质量好。 • 体积小、重量轻、便于施工。 • 原材料丰富,节约有色金属,有利于环保。 • 易碎不易接续。
光通信技术PPT课件
stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3r光中继器3rstm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端stm16终端dwdmstm16终端stm16终端16条波长信道1?16stm16终端stm16终端1?1616条波长信道edfaiso组织成立于1946年10月总部设于瑞士日内瓦有九十四个会员国组成137个国家或地区采用该组织标准三种网络设备有着不同的性质决定了这三种网络设备有着不同的性质决定了这三种网络中设备开发的不同考虑
各种新技术、新器件使波分复用迅速推广使用
EDFA、复用/解复用器、新型光纤,色散补偿技术等
密集波分复用(DWDM)系统
光纤传输容量极限
增加谱宽:1300nm~1700nm=54.3THz
各种新技术、新器件使波分复用迅速推广使用
EDFA、复用/解复用器、新型光纤,色散补偿技术等
密集波分复用(DWDM)系统
光纤传输容量极限
增加谱宽:1300nm~1700nm=54.3THz
光通信技术PPT课件
光通信在中国的发展
光通信在中国的发展
光纤网络的分类
SST终ST终MSTM终端ST端MS-终T1-终端MST1终6M-端ST6M1终端S-T6端M1S-终T1-终6端MST1终6M-端ST6M1终端S-T6端M1S-终T1-终6端MST1终6M-端ST6M1终端-T6端M1-终1-6端M16-端61-616光光中(光3中(光R继3中(光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器R)继3中(器R)继3器R)继器)器光光中(光3中(光R继3中(光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器R)继3中(器R)继3器R)继器)器
光光中(光3中R继中)继器继器器 (光3(光R3中(光R)3中(光R)继3中(光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中(器光R)继3中器R)继中器)继器继器器 (光3(R3中R) )继器 (3R)
SST终ST终MSTM终S端TSM端终-T终1-SM端T终1M6-S端TM6终1S端-TSM端6终1-T终1-SM端6T终1M6-S端TM6终1S端-TSM端6终1-T终1-SM端6T终1M6-S端TM6终1端-TM端6终1-1-M端616-端61-616
G.655
20 10
G.653
0 -10 -20
1300
1400
波长(nm)
1500
1600
1700
相关主题
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Department of Optical Engineering
Attenuation and phase shift in total internal reflection
➢ Total internal reflection is not total:
evanescent wave:
Attenuation e-y,
➢ =+j ➢ h2= 2+k2, k=/v
( m )2 ( n )2 2
a
b
➢ If >0, waveguide attenuation occurs, not support
propagation ➢ Cutoff frequency
When
c2
m
a
2
n
b
2
then j 0
➢ Laplacian equation
Department of Optical Engineering
TE and TM in circular waveguide
➢ TE: E(a,,z)=0
TE11
➢ TM: Ez(a,,z)=0
Department of Optical Engineering
( E)
( B)
2E ,
t
2t
Ez ( x, y, z, t ) Ez ( x, y)e j(t z) ,
h2 ( m )2 ( n )2 , m, n integers
a
b
H z H0 cos(m x / a) cos(n y / b)
Ez E0 sin(m x / a) sin(n y / b)
➢ Most important characteristics of transmission are determined by the mode propagation constant, m()
n2k m (ω) n1k
Department of Optical Engineering
➢ At each frequency or wavelength, there exists only a finite number of guided or propagating modes that can carry light energy over a long distance along the fiber. Each of these modes can propagate in the fiber only if the frequency is above the cut-off frequency, cutoff , (or the source wavelength is smaller than the cut-off wavelength) obtained from cut-off condition that is:
Unbounded wavelength =v/f:
free space, no boundary
Guided wavelength g=/[1-(f/fc)2]1/2 : Allow to travel !
Cutoff wavelength c=v/fc :
attenuation/evanescent
Department of Optical Engineering ZJU
TE and TM modes
➢ TE: Ex 0 at y 0,b
Ey 0 at x 0,a
TM: Ez 0 at y 0,b Ez 0 at x 0,a
h2
h2 =
Department of Optical Engineering
➢ Reduce end separation to observe output modes
Multimode
Single mode End separation
Department of Optical Engineering ZJU
Light Propagation in Waveguides
Modes in weak-bounded waveguide
Department of Optical Engineering
Modal Theory of Step Index fiber
➢ General expression of EM-wave in the circular fiber:
➢ Cut-off wavelength ➢ Group velocity ➢ Dispersion
Department of Optical Engineering ZJU
Interesting Observation: when multimode fiber meets single mode fiber
➢ Linear-polarized modes
LP modes
➢ Three types of modes
Guided:
• internally reflected REPETIVELY!:
TE and TM Field
For TM modes, l=0 and m=0 are not possible, TM11 is the lowest TM mode.
Cutoff frequency and wavelength
Ez Ez (x, y)eze j(t z) , 2Ez (x, y) h2Ez (x, y) 0
2 E 2 E 0
2t
Apply to z-component
2 Ez (x, y) h2Ez (x, y) 0
Determined by boundary condition
Department of Optical Engineering
First find Ez and Hz, and you have all the rest components
2
n12 sin 2 i n22
➢ Fresnel formulas
Reflectance
Transmittance
example
Department of Optical Engineering
More about modes
➢ True modes
Natural modes TE, TM
Departmento<f Ocpticaal E/nmgineoerribng/n
How field looks between parallel plates ➢ TM modes
m=1 m=2 m=3
Department of Optical Engineering
What about the field in circular waveguides ➢ No need to prove ez term (why?) ➢ Again you only need to find Ez and Hz
Similarly for the magnetic field,
H z B1 cos kx x B2 sin kx x B3 cos k y y B4 sin k y y e z
Ex
h2
Ez x
j
h2
H z y
Ey
h2
Ez y
j
h2
H z x
Hx
j
h2
Ez y
h2
H z x
Hy
E(,, z, t)
Am Em ( ,, z, t) AmU m ( , )e j (ωt m z )
m
m
H (,, z, t)
Am H m (,, z, t)
AmVm ( , )e j (ωt m z )
m
m
➢ Each of the characteristic solutions is called mth mode of the optical fiber.
➢ Multi-mode fibers are also extensively used for many applications. In these fibers many modes carry the optical signal collectively & simultaneously.
➢ Maxwell’s equations
•D
n • (D2 D1 )
•B 0
n • (B2 B1 ) 0
E B / t
n (E2 E1 ) 0
H J D / t
n (H2 H1 ) k
➢ Rectangular waveguide
( E) 2 E ( • E), J E, D E, B H , ( : conductivity, : permitivity, : permeablity)
Ez c1 cos kx x c2 sin kx x c3 cos k y y c4 sin k y y c5e z c6e z
For the wave traveling in z-direction:
Ez A1 cos kx x A2 sin kx x A3 cos k y y A4 sin k y y e z
Um (, )e j (ωt m z)
m 1,2,3...
➢ It is often sufficient to give the E-field of the mode.
Department of Optical Engineering
Mode propagation constant
➢ The modal field distribution Um(,), and the mode propagation constant, m are obtained from solving the Maxwell’s equations subject to the boundary conditions given by the cross sectional dimensions and the dielectric constants of the fiber.
Attenuation and phase shift in total internal reflection
➢ Total internal reflection is not total:
evanescent wave:
Attenuation e-y,
➢ =+j ➢ h2= 2+k2, k=/v
( m )2 ( n )2 2
a
b
➢ If >0, waveguide attenuation occurs, not support
propagation ➢ Cutoff frequency
When
c2
m
a
2
n
b
2
then j 0
➢ Laplacian equation
Department of Optical Engineering
TE and TM in circular waveguide
➢ TE: E(a,,z)=0
TE11
➢ TM: Ez(a,,z)=0
Department of Optical Engineering
( E)
( B)
2E ,
t
2t
Ez ( x, y, z, t ) Ez ( x, y)e j(t z) ,
h2 ( m )2 ( n )2 , m, n integers
a
b
H z H0 cos(m x / a) cos(n y / b)
Ez E0 sin(m x / a) sin(n y / b)
➢ Most important characteristics of transmission are determined by the mode propagation constant, m()
n2k m (ω) n1k
Department of Optical Engineering
➢ At each frequency or wavelength, there exists only a finite number of guided or propagating modes that can carry light energy over a long distance along the fiber. Each of these modes can propagate in the fiber only if the frequency is above the cut-off frequency, cutoff , (or the source wavelength is smaller than the cut-off wavelength) obtained from cut-off condition that is:
Unbounded wavelength =v/f:
free space, no boundary
Guided wavelength g=/[1-(f/fc)2]1/2 : Allow to travel !
Cutoff wavelength c=v/fc :
attenuation/evanescent
Department of Optical Engineering ZJU
TE and TM modes
➢ TE: Ex 0 at y 0,b
Ey 0 at x 0,a
TM: Ez 0 at y 0,b Ez 0 at x 0,a
h2
h2 =
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➢ Reduce end separation to observe output modes
Multimode
Single mode End separation
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Light Propagation in Waveguides
Modes in weak-bounded waveguide
Department of Optical Engineering
Modal Theory of Step Index fiber
➢ General expression of EM-wave in the circular fiber:
➢ Cut-off wavelength ➢ Group velocity ➢ Dispersion
Department of Optical Engineering ZJU
Interesting Observation: when multimode fiber meets single mode fiber
➢ Linear-polarized modes
LP modes
➢ Three types of modes
Guided:
• internally reflected REPETIVELY!:
TE and TM Field
For TM modes, l=0 and m=0 are not possible, TM11 is the lowest TM mode.
Cutoff frequency and wavelength
Ez Ez (x, y)eze j(t z) , 2Ez (x, y) h2Ez (x, y) 0
2 E 2 E 0
2t
Apply to z-component
2 Ez (x, y) h2Ez (x, y) 0
Determined by boundary condition
Department of Optical Engineering
First find Ez and Hz, and you have all the rest components
2
n12 sin 2 i n22
➢ Fresnel formulas
Reflectance
Transmittance
example
Department of Optical Engineering
More about modes
➢ True modes
Natural modes TE, TM
Departmento<f Ocpticaal E/nmgineoerribng/n
How field looks between parallel plates ➢ TM modes
m=1 m=2 m=3
Department of Optical Engineering
What about the field in circular waveguides ➢ No need to prove ez term (why?) ➢ Again you only need to find Ez and Hz
Similarly for the magnetic field,
H z B1 cos kx x B2 sin kx x B3 cos k y y B4 sin k y y e z
Ex
h2
Ez x
j
h2
H z y
Ey
h2
Ez y
j
h2
H z x
Hx
j
h2
Ez y
h2
H z x
Hy
E(,, z, t)
Am Em ( ,, z, t) AmU m ( , )e j (ωt m z )
m
m
H (,, z, t)
Am H m (,, z, t)
AmVm ( , )e j (ωt m z )
m
m
➢ Each of the characteristic solutions is called mth mode of the optical fiber.
➢ Multi-mode fibers are also extensively used for many applications. In these fibers many modes carry the optical signal collectively & simultaneously.
➢ Maxwell’s equations
•D
n • (D2 D1 )
•B 0
n • (B2 B1 ) 0
E B / t
n (E2 E1 ) 0
H J D / t
n (H2 H1 ) k
➢ Rectangular waveguide
( E) 2 E ( • E), J E, D E, B H , ( : conductivity, : permitivity, : permeablity)
Ez c1 cos kx x c2 sin kx x c3 cos k y y c4 sin k y y c5e z c6e z
For the wave traveling in z-direction:
Ez A1 cos kx x A2 sin kx x A3 cos k y y A4 sin k y y e z
Um (, )e j (ωt m z)
m 1,2,3...
➢ It is often sufficient to give the E-field of the mode.
Department of Optical Engineering
Mode propagation constant
➢ The modal field distribution Um(,), and the mode propagation constant, m are obtained from solving the Maxwell’s equations subject to the boundary conditions given by the cross sectional dimensions and the dielectric constants of the fiber.