单模光纤和梯度折射率光纤的结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,光纤通信,目录,2.5 单模光纤,2.6 梯度折射率光纤的结构,1,2,2.5.1 结构,2.5.2 模场直径,2.5.3 单模光纤中的传播模,单模光纤是指光纤纤芯直径很细(芯径一般为8-12m)，并且纤芯包层折射率差很小，只能传一种模式的光纤。（如右图所示）,单模光纤的优点：,仅允许一个模式传输，很好的限制了高阶模,模间色散小,适用于远程通信,单模光纤的缺点：,与光器件的耦合相对困难,存在着材料色散和波导色散（要求光源谱宽要窄稳定性要好）。,在,1.31m,波长处，单模光纤的总色散为零。从光纤的损耗特性来看，,1.31m,处正好是光纤的一个低损耗窗口。这样，,1.31m,波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段。,对于单模光纤，最重要的是使其仅传导一个模，即基模。,光纤模的截止条件：如果一个模不再被限制于纤芯内，则它称为截止，模场在纤芯外面不再衰减。,与截止条件有关的一个重要参数是归一化频率,V,，其定义式为,归一化频率,V,是一个无量纲的数，它决定了光纤能够传导递的模数。一个波导中可以存在的模数是V的函数。,V,也可以用归一化传播常数b来表示，b定义为,几个低阶模的归一化传播常数随V变化的曲线，如下图,光纤归一化频率V还可以表示为,式中2.405是最低阶Bessel函数J,0,=0时的值。在V=2.405时，只有基模传导，所有的其他模均被截止，从而实现单模传输。,单模光纤材料选择与设计实例如课本例2.12、例2.13。,（在特定波长下，纤芯、包层的折射率以及直径的选择）,单模光纤的模场直径,对于多模光纤，描述信号传输特性的参数为纤芯直径和数值孔径。,单模光纤描述信号传输特性的一个主要参数就是模场直径（MFD）。模场直径有基模的模场分布决定。它是光源波长、纤芯直径d、及折射率剖面的函数。,因为单模光纤中并不是所有的光都局限在纤芯内传输，所以其模场直径一般不等于纤芯直径。如下图所示,模场直径定义：光强降低到轴心线处最大光强的1/(e2)的各点中，其中两点最大距离。,模场直径的作用：,预测光纤特性，如接头损耗、弯曲损耗、截止波长、及波导色散。,模场直径越小，通过光纤横截面的能量密度就越大。当通过光纤的能量密度过大时，会引起光纤的非线性效应，造成光纤通信系统的光信噪比降低，影响系统性能。,测量方法：,远场扫描、近场扫描、横向位移、远场可变孔径、刃缘法、以及掩模法。在这些方法中主要考虑如何近似描述光功率的分布。,寻找MFD标准的方法：测量远场强度分布E,2,(r)。,场分布曲线可近似为高斯函数：,单模光纤中的传播模,任何单模光中都存在两个链各个独立的简并传播模，它们的偏振面相互正交。可以任意取水平方向偏振或垂直方向偏振。,这两个正交的偏振模中的任意一个都构成主模，即HE,11,模。,理想状况下，两个简并的模局有相同的传播常数，即k,x,=k,y,。,实际光纤中总会存在不完善的地方，因此两个模式会以不同相速度传播，有效折射率也会不同，这种现象被称为光纤的双折射率，定义为,式中k,0,是自由空间传播常数。,2.6,梯度折射率光纤的结构,阶跃光纤中的折射率分布为,:,梯度型光纤折射率分布为,:,式中,a,为纤芯半径,取值范围为,1,到。当,a10,时，折射率分布为阶跃型，,=1,时为三角型，梯度光纤中通常取,2,，即按平方律分布。一般其包层折射率为一常数。,定义相对折射率差,在石英光纤中，n,1,1.5,，,0.01,即包层折射率仅比纤芯略低一点。,局部数值孔径定义式：,上式中NA（0）是中心轴的数值孔径。,梯度折射率光纤中传导模的总数为：,其中k=2/。,不同值折射率剖面的梯度光纤数值孔径的比较如下,距纤芯的距离越大，折射率差越小，包层和纤芯的折射率越接近。,