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l光纤通信第二章

第 2 章 光 纤 和 光 缆 2.2 光纤传输原理 例1 均匀光纤芯与包层的折射率分别为:n1=1.50,n2=1.45,试计算: (1)光纤芯与包层的相对折射率△为多少? (2)光纤的数值孔径NA为多少? (3)在1米长的光纤上,由子午线的光程差所引起的最大时延差Δτmax为多少? 光纤传输的波动理论 由于波动理论的推导和计算求解十分复杂,为此,我们略去其推导过程,直接给出结论进行分析。 公式1: 其中V表示光的归一化频率,λ表示光的波长,a表示纤芯半径,n1表示内芯折射率,n2表示外芯折射率。 该结论意义:可以通过V求出光纤中的传输模数M。 光纤“模”的概念 1.模的概念 ??? 光导纤维传输中的一个重要性能就是模式分布。我们将沿纤芯传输的光分解为沿轴向和沿截面两种平面波成分,沿截面传输的平面波在纤芯与包层的界面处发生全反射,每一往复传输的相位变化是2*Pi的整数倍时,就可以在截面内形成驻波,这样的驻波光线组称为模 。 2.多模光纤与单模光纤 ??? 多模光纤的纤芯大,入射光进入纤芯的角度多,向前传播的路径也多,所以其电磁场分布模式多种多样,可同时传播多种模式,单模光纤的纤芯小,光的入射角度小,电磁场分布模式单纯,只允许一种最基本的模式即基模的传播,其它高次模均被淘汰 。 3.光在单模光纤中的传播 ??? 光在单模光纤中的传播轨迹,简单地讲是以平行于光纤轴线的形式以直线方式传播。这是因为在单模光纤中仅以一种模式(基模)进行传播,而高次模全部截止,不存在模式色散。平行于光轴直线传播的光线代表传播中的基模。 1,多模光纤的模数计算: (1)对于突变型光纤,传输模数M=V2/2 (2)对于渐变性光纤,传输模数M=V2/4 2,模式截止 模式的数目决定于归一化频率的大小。 (1)当V2.405的时候,仅有一个单模可以在光纤波导中传播,这个模就是HE11 模或者是弱导近似下的线偏振模LP01模,其它模式均被截至。 (2)当V2.405的时候,其他模可能出现。但它们的出现与否和该模式的截止频率有关,如LP11模截止频率是2.045; (3)当光纤的归一化频率V满足2.405V3.832时,即能出现LP11模和LP01模;又如LP02和LP21两模的截止频率均为3.832, (4)V3.832时即可出现至少四个模式LP01模、LP11模、LP11模和LP21模。 单模光纤的模式特性 单模条件和截止波长从图2.8和表2.2可以看到,传输模式数目随V值的增加而增多。当V值减小时,不断发生模式截止, 模式数目逐渐减少。特别值得注意的是当V2.405时,只有HE11(LP01)一个模式存在,其余模式全部截止。HE11称为基模,由两个偏振态简并而成。 由此得到单模传输条件为  V= (2.36) 由式(2.36)可以看到,对于给定的光纤(n1、n2和a确定),存在一个临界波长λc,当λλc时,是多模传输,当λλc时,是单模传输,这个临界波长λc称为截止波长。 例2 已知光纤的纤芯直径2a=50um, △=0.01,n1=1.45, λ=0.85um,若光纤的折射率分布为阶跃型和渐变型,求它们的导模数量。若波长改为1.31um,导模数量如何变化? 例3 已知均匀光纤芯的折射率n1=1.50,相对折射率差△=0.01,芯半径a=25um。 试求: (1)LP02模的截止波长是多少?(已经LP02的截止频率为3.832) (2)若λ0=1um,计算光纤的归一化频率V以及其中传输的模数量N各等于多少? 例4 均匀光纤,若n1=1.50,λ0=1.30um,试计算: (1)若△=0.25,为了保证单模传输,其芯半径应取多大? (2)若取a=5um,为了保证单模传输, △应取多大? 2.3光纤传输特性 注意: 式(2.47)脉冲宽度σ和Δτ是信号通过光纤产生的脉冲展宽,单位为ns。 3dB带宽:就是指光纤带宽 3DB带宽就是指功率下降一半的带宽.对于光或者电信号,表现在他们的幅值下降到0.707的位置. 由于光纤的传输特性以及光纤色散使输出光/电带宽降低,光带宽定义为当光频率达到 f 时,输入/输出光功率降到3DB,这个带宽称为3dB光带宽,可以粗略地认为它对应光纤能够传输的最大比特率B。 光纤的带宽指的是:在光纤的传递函数中,光功率的幅值比零频率的幅值降低50%或3dB时的调制频率。 例5 考虑1km长,NA=0.2,n1=1.5,计算光纤带宽 例6 有一段由多模阶跃折射率光纤构成的10km长,NA=0.30,如果纤芯的折射率n1=1.450。 (1)求接收端模式之间的最大时延差 (2)求

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