单模光纤的基模计算.doc

课程设计任务书学生XX：徐帆 专业班级：电子0902指导教师：洪建勋 工作单位： 信息工程学院 题 目: 单模光纤的基模计算初始条件：计算机、beamprop软件要求完成的主要任务:1、课程设计工作量：2周2、技术要求：〔1〕学习beamprop软件〔2〕设计一个单模光纤，分析单模光纤的电磁场分布，并研究输入光波波长、纤芯折射率、纤芯半径对单模光纤传输模式的影响〔3〕对单模光纤的电磁场分布和传输模式进展beamprop软件仿真工作3、查阅至少5篇参考文献按《XX理工大学课程设计工作标准》要求撰写设计报告书全文用A4纸打印，图纸应符合绘图标准时间安排：内容的根本理论知识9-7.5对单模光纤进展设计仿真工作，完成课设报告的撰写 提交课程设计报告，进展辩论指导教师签名： 年 月 日系主任〔或责任教师〕签名： 年 月 日目 录摘要IAbstractII1 绪论12 光纤概述22.1 光纤根本介绍2光纤的结构2光纤的分类22.2 光纤的波动理论分析53 单模光纤73.1 单模传输的条件73.2 单模光纤的特性参数7衰减系数7色散系数7模场直径8截止波长84 Beamprop介绍105 软件仿真115.1 软件参数设置115.2 软件仿真与结果分析14单模光纤的电磁场分布14输入光波长对单模光纤模式的影响15折射率对单模光纤模式的影响16纤芯半径对单模光纤模式的影响186 心得体会20参考文献21 / 摘要光纤通信是利用光导纤维来传输光波信号。

光纤通信作为现代通信的主要传输手段，在现代通信网中起着重要作用自光纤通信问世以来，整个通信领域发生了革命的变化，它使高速率、大容量的通信成为可能单模光纤是在给定的波长上，只能传输单一基模的光纤单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，更大的宽带，这对于高码速传输是非常重要的关键词：光纤，通信，基膜，宽带AbstractOptical fiber communication is to transmits light wave signals with fiber material. As the main means of transmission of the modern communication, optical fiber communication plays an important role in modern communication networks. Since the advent of optical fiber communication, the entire field of communications has undergone revolutionary changes, and it enables high-speed, large-capacity communication possible.Single-mode fiber can only transfer a single fundamental mode fiber in a given wavelength. Compared to multimode fiber, single-mode fiber can support longer transmission distance and the greater broadband. This is very important for high code rate transmission.Keywords: Optical fiber, communication, fundamental mode, broadban1 绪论光纤通信技术从光通信中脱颖而出，已成为现代通信的主要支柱之一，在现代电信网中起着举足轻重的作用。

光纤通信作为一门新兴技术，其近年来开展速度之快、应用面之广是通信史上罕见的，也是世界新技术革命的重要标志和未来信息社会中各种信息的主要传送工具光纤通信是现代通信网的主要传输手段，它的开展历史只有一二十年，已经历三代：短波长多模光纤、长波长多模光纤和长波长单模光纤采用光纤通信是通信史上的重大变革，美、日、英、法等20多个国家已宣布不再建立电缆通信线路，而致力于开展光纤通信中国光纤通信已进入实用阶段光纤通信的诞生和开展是电信史上的一次重要革命与卫星通信、移动通信并列为20世纪90年代的技术进入21世纪后，由于因特网业务的迅速开展和音频、视频、数据、多媒体应用的增长，对大容量〔超高速和超长距离〕光波传输系统和网络有了更为迫切的需求总之，从一九七０年到现在虽然只有短短不到三十年的时间，但光纤通信技术却取得了极其惊人的进展用带宽极宽的光波作为传送信息的载体以实现通信，这一几百年来人们梦寐以求的梦想在今天已成为活生生的现实然而就目前的光纤通信而言，其实际应用仅是其潜在能力的2％左右，尚有巨大的潜力等待人们去开发利用因此，光纤通信技术并未停滞不前，而是向更高水平、更高阶段方向开展2 光纤概述2.1 光纤根本介绍 光纤的结构光纤有不同的结构形式。

目前，通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低折射率高的中心局部叫纤芯，其折射率为n1，直径为2a；折射率低的外围局部称为包层，其折射率为n2，直径为2b光纤的根本结构如图2-1所示图2-1 光纤根本结构 光纤的分类目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光纤与塑料光纤等按折射率分布分类──阶跃光纤与渐变光纤阶跃光纤：所谓阶跃光纤是指在纤芯与包层区域内，其折射率分布分别是均匀的，其n1与n2，但在纤芯与包层的分界处，其折射率的变化是阶跃的，如图2-2所示图2-2 阶跃光纤折射率分布阶跃光纤的折射率变化也可以用折射率沿半径的分布函数来表示为渐变光纤：所谓渐变光纤是指光纤轴心处的折射率最大〔n1〕，而沿剖面径向的增加而逐渐变小，其变化规律一般符合抛物线规律，到了纤芯与包层的分界处，正好降到与包层区域的折射率n2相等的数值；在包层区域中其折射率的分布是均匀的即为n2如图2-3所示图2-3 渐变光纤折射率分布渐变光纤的折射率变化也可以用折射率沿半径的分布函数来表示为式中：为光纤折射率分布指数，为光纤纤芯半径，为光纤的相对折射率差，为纤芯轴心处的折射率，为包层的折射率。

按传播模式分类──多模光纤与单模光纤在一定的工作波长上，当有多个模式在光纤中传输时，那么这种光纤称为多模光纤多模光纤截面折射率的分布有均匀和非均匀两种多模光纤的线芯直径一般为50um，包层外径为125um由于纤芯直径较大，传输模式较多，这种光纤的传输特性较差，带宽较窄，传输容量也较小单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模〔最低阶模〕，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的宽带，这对于高码速传输是非常重要的单模光纤的折射率一般呈阶跃型分布，线芯直径一般为8~10um，包层直径为125um按工作波长分类──短波长光纤与长波长光纤短波长光纤：在光纤通信开展的初期，人们使用的光波之波长在 0.6～0.9微米X围〔典型值为0.85 微米〕，习惯上把在此波长X围内呈现低衰耗的光纤称作短波长光纤短波长光纤属早期产品，目前很少采用长波长光纤：后来随着研究工作的不断深入，人们发现在波长1.31 微米和1.55 微米附近，石英光纤的衰耗急剧下降如图2.4所示不仅如此，而且在此波长X围内石英光纤的材料色散也大大减小因此人们的研究工作又迅速转移，并研制出在此波长X围衰耗更低，带宽更宽的光纤，习惯上把工作在1.0～2.0微米波长X围的光纤称之为长波长光纤。

长波长光纤因具有衰耗低、带宽宽等优点，特别适用于长距离、大容量的光纤通信按套塑类型分类──紧套光纤与松套光纤紧套光纤：所谓紧套光纤是指二次、三次涂敷层与予涂敷层与光纤的纤芯，包层等严密地结合在一起的光纤目前此类光纤居多未经套塑的光纤，其衰耗──温度特性本是十分优良的，但经过套塑之后其温度特性下降这是因为套塑材料的膨胀系数比石英高得多，在低温时收缩较厉害，压迫光纤发生微弯曲，增加了光纤的衰耗松套光纤：所谓松套光纤是指，经过予涂敷后的光纤松散地放置在一塑料管之内，不再进展二次、三次涂敷松套光纤的制造工艺简单，其衰耗──温度特性与机械性能也比紧套光纤好，因此越来越受到人们的重视2.2 光纤的波动理论分析一般有两种方法用于讨论光在光纤中的传播，建立并解光线路径方程或电磁场方程实际上前者是后者的短波长极限，由于单模光纤的工作波长已经和其尺寸相比较，几何光学的处理方式已不适宜，而将光在光纤中的传播看作一个电磁场边值问题那么能得到一个，几个或一系列严格解，并且此方法对单模和多模光纤都适用 光波是一种特定波长X围内的电磁波，当光在光纤中传播时，实质上就是电磁波在介质波导中的传播过程，因此，他必须满足麦克斯韦方程组。

用波动理论分析光纤波导中的波，就是求满足边界条件的麦克斯韦方程组的解 在均匀光纤中，介质材料一般是线性和各向同性的，并且不存在电流和自由电荷，因此在无源区域，均匀、无损、简谐形式的麦克斯韦方程组为从麦克斯韦方程组出发，可以导出光波所满足的亥姆霍兹方程电场矢量和磁场矢量的亥姆霍兹方程可以简写为在单一均匀介质中传播的波为平面波，称为横电磁波，用TEM表示，TEM波的电场方向与磁场方向与波的传播方向垂直，即在波导的传播方向上既没有磁场分量也没有电场分量，即三者两两垂直当波在几种介质组成的空间中传播时，根据传播方向上电磁场分量又可以分为TE波、TM波、EH波和HE波TE波又称为横电波，TM波又称为横磁波，EH波和HE波称为混合波，在光纤中存在TE波、TM波、EH波和HE波四种波型对于同一类型的波，其场强在圆周方向或径向方向的分布情况又会有所区别，与电磁场的分布会不尽一样通常把一种电磁场的分布就叫做一个模式这样的电磁场就有很多模式，一般用TEmn、TMmn、EHmn和HEmn表示m表示电场或磁场沿圆周角方向分量的波节数；n表示电场或磁场沿半径方向分量的波节数，与沿半径方向的暗区个数HE11模是光纤中的基膜，它的截止波长为无穷大。

单模光纤中传播的就是这种模式目前，通信用光纤的相对折射率差Δ<<1,称为弱导光纤这种光纤可以近似的用平面波束分析光的传播在研究波动理论时，发现其中一些准确模的传播速度接近一样，或者说他们的传播常数接近一样，通常把这种现象称为兼并，这种模式称为兼并模这些简并模叠加的结果是一极化方向几乎保持不变的模，即线偏振模〔LPM〕，因此，如果暂不考虑TE、TM、EH和HE的区别，而只注意各准确摸的传播常数，就可以把传播常数一样的模式给一个一样的名称，即LPmL模m和L表示不同LP模的特征值得注意的是，只有弱到光纤才有LP模的概念，且是一种近似的表示方法表2-1说是的是。