第1讲 引言 光纤波导 I

临界角
入射角=反射角
n1 n2 n1 > n2
θ1
900 n1 n2
n1 n2
θ2
临界角
全反射
• 光纤中光波的传输原理-全反射“之”字线传 输
n1> n2 折射光
当n1>n2
折射率
n2 折射率n1
θ1 > θc时 发生全反射 θc：临界角
θ1
反射光
入射光
空气
只要满足全内反射条件连 续改变入射角的任何光射 线都能在光纤纤芯内传输
第一次作业
一、试根据介质波导（圆柱形）电场方程，推导特征方程为
1 1 (1 2 )( k1 1 k2 2 ) m 2 2 u w
2 2 2 2 2
二、试比较介质波导中的模与金属波导中的模有何不同？
最后一次课前交一个报告：
内容：从下面题目中任选一个 1.编程序实现解决任意一个电磁问题。 (含程序和报告，报告内容包括：方法、公式、 程序内容、程序结果、结果分析。) 2.用任意软件仿真任意一种器件。 （含建模文件和报告，报告内容包括器件的各 种电磁参数、边界条件等，给出详细的结构尺 寸、材料，数值结果。） 3.就你感兴趣的新方向(包括报告和相应的ppt) 进行详细研究。
• 有线传输网 _光纤通信:波长：0.8μm-1.6μm,频率:1014- 1015Hz _电缆通信：大同轴、中同轴、小同轴 • 无线传输网
– 数字微波 – 卫星通信
交换网 7号信令
传输网
ISDN
传输网
分组交换
DDN
集团电话 7号信令（七号信 令）系统是一种国际性的标 准化的通用公共信令系统
传输网
第七章 计算电磁学方法 1. 差分法、时域有限差分法原理 2. 有限元法原理 3. 矩量法原理 4. 广义保角变换法 5. 传播矩阵方法 6. 蒙特卡罗法
导波场论
教材：
五、硕博士论文及新进展 第八章 电磁理论新进展 1. 包括光纤波导； 2. SIW基片集成波导的研究进展； 3. 微带线理论，微带电路； 4. 异向介质、光子晶体等； 5. LTCC技术； 6. 超宽带、共面波导等。
二. 光纤通信基础知识
• 频带宽,通信容量大
优点
– 理论上讲一根单模光纤可利用的带宽达 20THz(1THz=1012Hz)以上,现在最先进的光纤 通信系统达400GHz,而一路电话带宽约占 4KHz频带,一路彩色电视约占6MHz频带
• 损耗低,中继距离长
– 铜缆的损耗特性与缆的结构尺寸及所传输信号 的频率有关,光缆的损耗特性仅与玻璃的纯度 (或者说透明度)有关,高质量望远镜的镜头其损 耗超过500dB/km,目前通信用光纤的最低损耗 达0.2 dB/km
• 1966年 华裔科学家高锟博士等人提出从玻璃材料中去 除杂质可以制成衰减为20dB/km的光导纤维。 – 1970年 美国康宁玻璃公司根据高氏理论首先制造出 衰减为20dB/km的光导纤维，使光导纤维的发展得到 突破。 – 1973年 美国贝尔研究所生产出衰减为1dB/km的低损 耗光纤 – 1976年 日本电报电话公司（NTT）制造出0.5dB/km 的低损耗光纤 • 1976年 在美国亚特兰大成功进行了码速率为44.7Mb/s 的光通信系统性能试验,从此光通信技术进入实用化阶 段
3 6 9 12
• 具有抗电磁干扰能力
– 光导纤维是绝缘体材料,不受输电线,电气化铁路及高压设备 等电器干扰,可以与高压电线平行架设,还可制成复合光缆
• 无串话,保密性好
– 通信质量高
• 线径细,重量轻,柔软
– 可制成大芯数高密度光缆
– 单芯光缆可安装在飞机,火箭,潜艇及航天飞机上
• 节约有色金属,原材料资源丰富
光纤系统基础知识
二、基本光纤系统方框图：
发送单元 传输单元 接收单元
电E/光O转换
光纤
光O/电E转换
信号
光发 射机
光源
中继器
检测器
光接 收机
信号
连接器件
常用连接器类型
SC
LC
MT-RJ
DSC
VF-45
常用连接器类型
FC Type
SC Type
SC2 Type
FDD Type
导波场论
教材：
一、李宏福,喻胜.《导波场论》
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 电磁场的基本理论 规则波导理论 谐振腔理论 微扰理论与变分理论 不均匀波导 慢波系统的一般特性
教材：
导波场论
二、梁昌洪,谢拥军,官伯然.《简明微波》 513-586, 326-333,174-189
三、葛德彪,闫玉波.电磁波时域有限差分方法 四、葛德彪.电磁波理论
损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对 小的损耗: 第一窗口光工作波长0.85μm,损耗稍大 第二窗口光工作波长1.31μm,损耗中等 第三窗口光工作波长1.55μm,损耗最小
常见光纤名词
• 色散(Dispersion)：光脉冲沿着光纤行进 一段距离后造成的频宽变粗。它是限制传 输速率的主要因素。
频率（Hz） 102 104 106 108 1010 1012 1014 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12
波长
名称
电磁波谱
10mm
长波
中波 短波 超短波 微波 毫米波 红外线 可见光 紫外线 X射线
1mm
100μm 10μm 可见光 100nm 紫外线 10nm 1nm 红外线 光
– 单模（Single-Mode） – 多模（Multi-Mode）
• 按折射率分类
– 阶越光纤 – 渐变折射率光纤
常见光纤名词
• 衰减：光在光纤中传输时的能量损耗 单模光纤 1310 nm : 0.35 ~ 0.5 dB/Km 1550 nm : 0.2 ~ 0.3dB/Km 850 nm : 2.3 ~ 3.4 dB/Km 光纤熔接点损耗：0.2dB/点 光纤熔接点 1点/2km 塑料多模光纤 300dB/km
1μm
1016
1018 1020 1022
10-14
光的基本知识
• 光是一种电磁波 • 可见光350nm—750nm • 光纤通信所用的波长 800——1600nm • 光的反射、折射 • 全反射
光的基本知识
入 射
θ1
θ3
反射
n1 n2
θ2
空气 水
视觉位置 实际位置
n1<n2
折 射
光的基本知识
光纤之父简介
高锟被誉为“光纤之父”。早在1966年，高锟就在 一篇论文中首次提出用玻璃纤维作为光波导用于通讯的理 论。简单地说，就是提出以玻璃制造比头发丝更细的光纤， 取代铜导线作为长距离的通讯线路。这个理论引起了世界 通信技术的一次革命。随着第一个光纤系统于1981年成 功问世，高锟“光纤之父”美誉传遍世界。 高锟还开发了实现光纤通讯所需的辅助性子系统。 他在单模纤维的构造、纤维的强度和耐久性、纤维连接器 和耦合器以及扩散均衡特性等多个领域都作了大量的研究， 而这些研究成果都是使信号在无放大的条件下，以每秒亿 兆位元传送至距离以万米为单位的成功关键。 由于他的杰出贡献，1996年，中国科学院紫金山天 文台将一颗于1981年12月3日发现的国际编号为“3463” 的小行星命名为“高锟星”。
• 按材料分类： – 玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离 长，成本高； – 胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃 光纤差不多，成本较低； – 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离 很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距离的 图像传输。
光纤的分类
• 按照光纤的模式分类
常见光纤名词
• 数值孔径（Numeric Aperture） NA=SINθ
θ
接收锥
常见光纤名词
输入 NA 输入 低数值孔径NA 输出 输出
NA
高数值孔径NA
光纤的尺寸
外径一般为125um(一根头发平均100um) 内径：单模9um 多模50/62.5um
125
9
125 50
125 62.5
光纤的分类
光纤类型
构不完美，引起的光能 量损失，此时光的传输不再具有很好的方 向性。
光线
缺陷
光纤系统基础知识
一、基本光纤系统的构架及其功能介绍：
1.发送单元：把电信号转换成光信号； 2.传输单元：载送光信号的介质； 3.接收单元：接收光信号并转换成电信号； 4.连接器件：连接光纤到光源、光检测以及 其它光纤。
– 可节约大量铜金属
缺点
• 质地脆,机械强度低 • 光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术 • 分路,耦合不灵活 • 光纤,光缆弯曲半径不能过小(>20CM) • 在偏僻地区存在有供电困难问题
光通信发展简史
2000多年前 烽火台——灯光、旗语 1880年 光电话——无线光通信 1970年 光纤通信
n2
θ
A B
MAX
n1
• 光缆
– 干线缆(架空光缆,直埋光缆,海底光缆,复合光 缆……)96芯以下
– 局内光缆 芯数少，比光线缆柔软
– 用户缆 根据需要几百芯或几千芯,纤芯为带状光纤
光纤的结构
纤芯
包层
保护套
光纤的结构
纤芯 包层 保护套
• 纤芯 core：折射率较高，用来传送光； • 包层 coating：折射率较低，与纤芯一起 形成全反射条件； • 保护套 jacket：强度大，能承受较大冲 击，保护光纤。
– 模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光 沿着不同的路径传输。 – 材料色散：不同波长的光行进速度不同。 – 波导色散：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输 时，会以稍有不同的速度行进。在单模光纤中，通 过改变光纤内部结构来改变光纤的色散非常重要。