光纤通信技术教案

光纤通信技术教案

第1章光纤通信概述光纤通信的基本概念 1.光纤通信光纤通信是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。2.光波特性光速：①在真空中：v??f，c??of ②在介质中：v?c/n 光是电磁波：TM、TE、TEM 光具有二重性①波动性：光具有反射、折射、衍射和干涉等。

②粒子性：光具有能量、动量和质量等。3.电磁波谱光纤通信的特点1.优点传输频带宽，通信容量大传输损耗小抗电磁干扰光纤线径细、重量轻制作光纤的资源丰富 2.缺点光纤弯曲半径不宜过小光纤的切断和连接操作技术要求高分路、耦合操作繁琐光纤通信系统的基本组成目前光纤通信系统多采用强度调制/直接检波。 1.光发射机光发射机的主要作用是将电信号转换成

光信号耦合进光纤。光发射机中的重要器件是能够完成电-光转换的半导体光源，目前主要采用半导体激光器或半导体发光二极管。 2.光接收机光接收机中的重要部件是能够完成光/电转换任务的光电检测器，目前主要采用光电二极管和雪崩光电二极管。 3.光中继器光纤通信中光中继器的形式主要有两种，一种是光-电-光转换形式的中继器，另一种是在光信号上直接放大的光放大器。光纤通信的发展趋势 1.向超高速光纤系统发展 2.向超大容量WDM系统发展 3.向光传送网方向发展 4.向光纤发展 5.向宽带光纤接入网方向发展第2章光导纤维光纤的结构和分类光纤的结构 1.纤芯层位置：光纤的中心部位，折射率为n1。尺寸：单模光纤的直径d1=2a=4μm～10μm，多模光纤的直径d1=50μm。材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂。 2.包层位置：位于纤芯的周围，折射率为n2。尺

寸：直径d2=2b=125mm 材料：同上，使得n1＞n2，以便光信号封闭在纤芯中传输。3.涂覆层位置：位于光纤的最外层尺寸：涂覆后的光纤外径约为作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤。光纤的分类 1.按照光纤折射率分布不同来分阶跃型光纤纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光纤称为阶跃型光纤，又称为均匀光纤。渐变型光纤纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤，又称为非均匀光纤。 2.按照纤芯中传输模式的多少来分单模光纤

①定义：光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。②尺寸：纤芯直径约为4～10μm。多模光纤

①定义：在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。②

尺寸：纤芯直径约为50μm。用射线理论分析光纤的导光原理分析光纤导光原理有两种基本的研究方法：◆射线理论法◆波动理论法光学基础知识 1.折射率：n?cv 2.反射定律：?1= ?3 3.折射定律：n1sin?1= n2sin?2 4.全反射：sin?c?n2n1 阶跃型光纤的导光原理 1.相对折射指数差△定义：n1和n2的相差程度公式：??n1?n22n1222 ??n1?n2n1弱导波光纤n1≈n2 2.阶跃型光纤中的光射线种类子午射线①轴心线：OO’②子午面：过轴心线的平面③子午线：过轴心线，在同一个子午面内。斜射线：不过轴心线，不在同一个子午面内。3.子午线的分析折射定律：n0sin??n1sin?2?n1sin(? sin??n1n0cos?1?n1n0?2??1)?n1cos?1 21?sin?1①全反射定律：sin?1≥n2n1②将公式②代人公式①得，sin?≤4.数值孔径定义：光纤捕捉光射线能力公式：

NA?n1n01?(n2n1)?sin?≤n1?n2 222n1?n2?n12? 22

渐变型光纤的导光原理 1.渐变型光纤中的子午线渐变型光纤中的射线，也分为子午线和斜射线两种。渐变型光纤于芯子中的折射指数n1是随半径r变化的，因此子午线不是直线，而是曲线。不同入射条件的子午线，在芯子中，将有不同轨迹的折射曲线。渐变型光纤靠折射原理将子午线限制在芯子中，沿轴线传输。图渐变型光纤中的子午线于渐变型光纤芯子中的折射指数n1随半径r 变化，因此可将纤芯分成若干层折射指数不同的介质。射线轨迹与芯子中折射率分布n(r)有关，也和射线的入射条件有关。 2.子午线的轨迹方程图子午线的行进轨迹渐变型光纤子午线的轨迹方程Z??n0N0n(r)?nN22020dr?c 3.渐变型光纤的最佳折射指数分布在渐

变型光纤中，于芯子中的折射指数分布不均匀，因此光射线的轨迹将不再是直线而是曲线。当射线的起始条件不同时，将有不同的轨迹存在。如果选用合适的n(r)分布，就有可能使芯子中的不同射线以同样的轴向速度前进，从而可减小光纤中的模式色散。光纤的自聚焦渐变型光纤中，不同射线具有相同轴向速度的现象称为自聚焦现象，这种光纤称为自聚焦光纤。具有不同起始条件的子午线，如果它们的空间周期长度相同，则这些子午线将同时到达终端，就可以在光纤中产生自聚焦。这种可使光纤中产生自聚焦时的折射率分布，称为最佳折射指数分布。图射线轨迹最佳折射指数分布的形式??表达式：n(r)?n(0)1?2?()g?ar12 4. 渐变型光纤相对折射指数差??n2?r??n2222n?r??r??n22 5. 渐变型光纤数值孔径NA(r)?n2?n(r)2? 当

折射指数越大时，本地数值孔径也越大，表示光纤捕捉射线的能力就越强。用波动理论分析光纤的导光原理波动理论有两种分析方法：◆矢量解法：有大小，有方向。◆标量解法：有大小，无方向。 1.标量近似解法◆在弱导波光纤中，光射线几乎与光纤轴平行。◆弱导波光纤中的E和H几乎与光纤轴线垂直。◆把E和H 处在与传播方向垂直的横截面上的这种场分布称为是横电磁波，即TEM波。于E近似在横截面上，而且空间指向基本不变，这样就可把一个大小和方向都沿传输方向变化的空间矢量E变为沿传输方向其方向不变的标量E。因此，它将满足标量的亥姆霍兹方程，通过解该方程，求出弱导波光纤的近似解。这种方法称为标量近似解法。 2.标量解的场方程的推导思路首先求出横向场Ey的亥姆霍兹方程将式在圆柱坐标中展开得出用分离变量法求解横向场Ey 根据麦氏方程中E和H

的关系可得出横向磁场Hx的解答式根据电场和磁场的横向分量可用麦氏方程求出轴向场分量EZ、HZ的解答式 3.标量解的场方程坐标选取◆直角坐标系◆圆柱坐标系解场方程场方程中的参数①导波径向归一化相位常数U=n1k②导波径向归一化衰减常数W?2220??a 2202??n2ka ③归一化频率V?n1k0a2??Jm?1(U)Jm(U)2?n1a2??0Km? 1(W)Km(W) 4.标量解的特征方程U?w UJm?1(U)Jm(U)??WKm?1(W)Km(W) 5.阶跃型光纤标量模特性的分析标量模的定义①极化：就是指随着时间的变化，电场或磁场的空间方位是如何变化的。一般人们把电场的空间方位作为波的极化方向。②线极化：如果波的电场矢量空间取向不变，即其端点的轨迹为一直线时，就把这种极化称为直线极化。③弱导波