光纤技术基础(单模光纤)
81页1、光纤技术基础*1单模光纤 1. 阶跃折射率单模光纤 2. 无界抛物型折射率分布弱导光纤 3. 单模光纤的高斯拟合和模场直径 4. 单模光纤的主要类型 5. 近似方法 6. 单模光纤的偏振特性 光纤技术基础*2限制层波导层限制层n3n1n2xyzh三层均匀一维平面光波导知识回顾 光纤技术基础*3全反射条件相干加强条件特征方程几何光学:波动光学:场分布边界条件特征方程kkxkz知识回顾 光纤技术基础*4知识回顾 满足全反射条件时,只有某些以 特定角度入射的光线才能在波导 内传导,每一种可以传导的电磁 波称为波导的一种模式。光纤技术基础*5阶跃折射率光纤Step indexn1n2ab知识回顾 光纤技术基础*6W=0, U=Vc,归一化截止频率截止条件单模条件:矢量法TE0n模,TM0n模, EHmn模, HEmn模标量法LPmn模知识回顾 光纤技术基础*7光波导中模式的普遍性质完备性 正交性2的稳定性横向非均匀性光波导微扰法纵向非均匀性光波导模式耦合知识回顾 光纤技术基础*8一.阶跃折射率单模光纤 单模光纤与多模光纤 单模工作条件与单模截止波长 阶跃折射率单模光纤中的场分布与功率限制因子
2、阶跃折射率单模光纤的特征方程及其近似表述光纤技术基础*9结构 折射率剖面形状 阶跃型step n1n2 ab阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*10阶跃折射率单模光纤 阶跃折射率光纤中的传导模的数量由光纤归一化频率决定。归一化频率 基模: HE11光纤技术基础*11bV曲线 bV曲线只有LP01模传输基模 b:归一化传输常数阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*12单模传输条件 光纤模式理论阶跃折射率光纤最低阶高次模(LP11, TE01, TM01,(HE21 弱导)的归一化 截止频率单模条件只传输基模(HE11, LP01)基模的归一化截止频率:阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*13单模工作波长范围 只有当光纤的工作波长大于截止波长时,光纤才处于单模工 作状态。单模工作波长范围c光纤技术基础*14多模光纤和单模光纤 单模光纤: 多模光纤: 设计光纤结构,选择工作波长,控制光纤中导模数量同时支持多个导模传输的光纤只支持基模传输的光纤阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*15单模光纤与多模光纤区别 结构性能 单模光纤多模光纤510m较大,50m芯径较小剖面多样性设计折射率分布和包 层结构 SMF
3、,DSF,DFF,DCF, NZDF,PMF等,便于光源耦合,芯径不能太小模式色散模式色散较大,传输带宽受 限制用于短距离,低速率系 统,芯径大,便于耦合,在传 感系统中应用没有模式色散,传输带宽大 用于长距离大容量光纤通信系统阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*16弱导光纤的场分布 阶跃折射率单模光纤光纤技术基础*17单模光纤的场分布 单模光纤中沿y方向偏振的基模场 m = 0 纵向分量 /横向分量LP01阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*18功率限制因子 m = 0单模光纤中阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*19特征方程 LP模特征方程m = 0基模特征方程 近似表述 阶跃折射率单模光纤 光纤技术基础*20二、无界抛物型折射率分布弱导光纤 抛物型光纤与无界抛物型光纤 无界抛物型光纤的标量近似解(LPmn模) 无界抛物型光纤中的基模场分布与光强分布 模场直径的概念光纤技术基础*21结构 折射率剖面形状 渐变型grading n1n2 ab无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*22折射率分布 无界抛物型折射率分布实际的抛物线型折射率分布包层:对光纤中的导模施加了截止条件近似 解析解
4、无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*23无界抛物型光纤中的场模式 弱导近似 光纤中的场Ex或Ey满足柱坐标下的标量波动方程分离变量法 无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*24无界抛物型折射率分布本征函数解与m, n有关的常数N-1阶Laguerre多项式传输常数本征值本征解无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*25基模场分布 LP01模 m = 0,n = 1基模的功率分布无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*26说明1.抛物型折射率分布单模光纤中的场分布和光功率分布 均为高斯型无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*27说明模场直径:单模光纤内场强衰减到其最大值的1/e的宽度。模斑直径: 单模光纤内光功率衰减到其最大值的1/e的宽度。抛物型折射率分布单模光纤耦合、接续、弯曲损耗、色散无界抛物型折射率分布弱导光纤 光纤技术基础*28三、单模光纤的高斯拟合和 模场直径 单模光纤的模场直径 对基模场分布的高斯拟合近似 模场直径的近场二阶矩定义(PetermannI) 模场直径的远场二阶矩定义 (PetermannII) 模场直径的高斯拟合定义光纤技术基础*2
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