《光波导理论与技术 李玉权版》第一、二章.doc

——自学《光波导理论与技术 李玉权版》笔记 第1章 绪论 2 1.1 光通信技术 2 1.2 光通信的发展过程 2 1.3 光通信关键技术 3 1.3.1 光纤 3 1.3.2 光源和光发送机 5 第2章 电磁场理论基础 7 2.1 电磁场基本方程 7 2.1.1 麦克斯韦方程组 7 2.1.2 电磁场边界条件 8 2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程 10 2.1.4 柱型波导中的场方程 11 2.2 各向同性媒质中的平面电磁波 13 2.2.1 无界均匀媒质中的均匀电磁波 13 2.2.2 平面电磁波的偏振状态 13 2.2.3 平面波的反射和折射 15 2.2.4 非理想媒质中的平面电磁波 16 2.3 各向异性媒质中的平面电磁波 18 2.3.1 电各向异性媒质 18 2.3.2 电各向异性媒质中的平面波 18 2.4 电磁波理论的短波长极限——几何光学理论 22 2.4.1 几何光学的基本方程——eikonal方程 22 2.4.2 光线传播的路径方程 24 2.4.3 路径方程解的两个特例 25 2.4.4 折射定律与反射定律 28 第1章 绪论 1.1 光通信技术 光通信的主要优势表现在以下几个方面： 巨大的传输带宽 石英光纤的工作频率为 ，单根光纤的可用频带几乎达到了 。即便是在 附近的低损耗窗口，其带宽也超过了。 极低的传输损耗 目前工业制造的光纤载 附近，其损耗在 范围以内，在波段已降至 以下。 光纤通信可抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，这样就提高了这种通信手段的必威体育官网网址性，同时也不会产生电磁污染。 1.2 光通信的发展过程 图 1.1.1 光纤通信发展的三个阶段 一个最基本的光纤通信系统的构成： 图 1.1.2 光纤通信系统原理框架图 1.3 光通信关键技术 1.3.1 光纤 光纤是构成光网络的传输介质，目前通信光纤全部都是以石英为基础材料制作的，它有纤芯、包层及保护层构成，横截面如图1.1.3所示。纤芯折射率略大于包层折射率，光纤对光波的导引作用主要由纤芯和包层完成，保护层的作用是防止光纤收到机械损伤。目前，通信用光纤主要有多模光纤和单模光纤两类，多模光纤纤芯直径主要有和两种规格，单模光纤芯径一般小于。 图 1.3.1 光纤的横截面 光纤的主要传输特性有：损耗、色散、非线性及双折射等。 光纤的损耗特性 光纤的损耗导致光信号在传输过程中信号功率下降，用衰减系数表示 (1.3.1) 其中是注入功率，是长为L的光纤的输出功率，一般作为光纤损耗的使用单位。 光纤损耗主要有光纤的本征损耗、散射损耗、瑞丽损耗、杂质损耗等因素构成。 光纤的色散特性 色散指介质中不同频率的电磁波以不同速度传播的物理现象。在光纤中色散的因素有材料色散、波导色散和模式色散。 模式色散是在光纤中，不同频率成分的光有不同的传播速度，而且不同传播模式之间也有不同的传播速度。多模光纤中光信号激励众多传播模式，不同传播模式到达输出端的时延不同，导致信号严重畸变，这就制约多模光纤只能用于短距离、低速率传输。单模光纤的偏振模色散(PMD)也是一种模式色散，它是由于单模光纤中两个正交的偏振态以不同传播速度传播造成。 材料色散是由于任何材料都是色散材料，折射率都是频率的函数，群速度随频率变化决定了包络的畸变，这就是所谓的群速度色散(GVD)。GVD决定了折射率对频率的二阶导函数。 波导色散是因光波导中某一特定的传播模式的纵向相位常数与频率之间的非线性关系决定。单模光纤工作模式的波导色散总是正常色散，且单模光纤的总色散由材料色散和波导色散组成，在时，波导色散与材料色散符号相反，部分抵消，使得零色散波长向长波长方向移动。色散位移光纤(DSF)是改变单模光纤结构，可以使得零色散波长移至的光纤。 单模光纤的非线性 非线性是指光纤对大信号的响应特性，光纤纤芯中的电场强度达到量级，在如此强大的电场作用下，石英的非线性极化导致光纤的折射率有一个与外加光强成比例的非线性修正项，即 (1.3.2) 这就是所谓光克尔效应。 单模光纤的双折射 单模光纤中的传播模式并非严格意义上的单一模式，光纤的主模式是一对偏振态相互正交的简并模，而在非理想状态下，这一对模式将不再是理想的简并模，两者传输特性将会略有差别，两者等效折射率并不相同，这就是单模光纤的双折射。 双折射导致光信号在单模光纤的传输过程中偏振态的不稳定，这种不稳定对相干光通信系统产生严重的影响。另一方面，双折射会导致偏振模色散(PMD。为了克服双折射的影响，会人工的加大两个偏振态传输特性的差别，使得其中一个处于截止状态，这就是所谓的偏振保持光纤或保偏光纤。 1.3.2 光源和光发送机 光源 短距离低速率传输系统可以用半导体发光二极管(LED)作光源，长距