1、光纤光学及技术第一章 光纤和光波导理论1ppt课件光纤的结构、类型光纤的结构、类型光导纤维（简称光纤）：工作在光波波段的一种光导纤维（简称光纤）：工作在光波波段的一种圆柱圆柱形状的形状的介质波导介质波导，由，由纤芯纤芯、包层包层和和涂覆层涂覆层构构成。成。为约束光线在纤芯中传播，需为约束光线在纤芯中传播，需全反射全反射，要求纤芯，要求纤芯的折射率大于包层的折射率。的折射率大于包层的折射率。涂覆层涂覆层保护保护光纤，与光的传播特性无关光纤，与光的传播特性无关纤芯纤芯包层包层涂覆层涂覆层2ppt课件类型按材料、折射率分布、模式数量分类按材料、折射率分布、模式数量分类按制作的材料分：按制作的材料分：
2、石英石英光纤光纤（SiOSiO2 2）塑料塑料光纤光纤石英光纤：石英光纤：纤芯和包层均为石英玻璃，只是纤芯和包层均为石英玻璃，只是掺杂成分和掺杂浓度略有不同。掺杂成分和掺杂浓度略有不同。塑料光纤：塑料光纤：纤芯和包层均为塑料材料。纤芯和包层均为塑料材料。现在的光纤通信系统中，以石英光纤为主现在的光纤通信系统中，以石英光纤为主3ppt课件按纤芯中折射率分布分类按纤芯中折射率分布分类根据纤芯中折射率的分布不同，分为：根据纤芯中折射率的分布不同，分为：阶跃光纤阶跃光纤梯度光纤梯度光纤阶跃光纤：阶跃光纤：Step IndexStep Index（SISI） 纤芯的折射率是纤芯的折射率是均匀均匀的，为常
3、数，又称的，为常数，又称均匀光均匀光纤纤。梯度光纤：梯度光纤：Graded IndexGraded Index（GIGI） 纤芯的折射率是纤芯的折射率是不均匀不均匀的，渐变的，又称的，渐变的，又称非均非均匀光纤匀光纤。4ppt课件光纤的结构及折射率分布光纤的结构及折射率分布 均匀均匀光纤光纤梯度梯度光纤光纤5ppt课件按模式数量分按模式数量分单模光纤单模光纤多模光纤多模光纤模式：模式： 电磁场分布形式电磁场分布形式6ppt课件按波长分短波长光纤：0.70.9mm长波长光纤：1.11.6mm超长波长光纤：2mm以上7ppt课件按用途分通信用光纤：光纤通信系统高速率DWDM系统、低速率局域网、有源
4、光纤、高非线性光纤、色散补偿光纤、大有效面积光纤、光子晶体光纤、多包层光纤非通信用光纤：光纤传感、信号处理、光纤测量、图像传输、能量传输等传感光纤、传光光纤、传像光纤、特殊用途光纤8ppt课件光光纤纤的的传传输输特特性性从通信的角度，研究信道时，最关注的是信道从通信的角度，研究信道时，最关注的是信道引起的信号引起的信号衰减衰减和信号和信号畸变畸变。信号衰减信号衰减能量能量限制信号的传输限制信号的传输信号畸变信号畸变检测精度检测精度限制信号的传输限制信号的传输 影响光纤传输特性的因素包括影响光纤传输特性的因素包括损耗损耗色散色散非线性效应非线性效应9ppt课件ITU-T建议（标准）G651G65
5、1光纤：多模梯度光纤光纤：多模梯度光纤G652G652光纤：单模光纤，标准光纤光纤：单模光纤，标准光纤G653G653光纤：色散位移单模光纤光纤：色散位移单模光纤G654G654光纤：截止波长位移单模光纤光纤：截止波长位移单模光纤G655G655光纤：非零色散位移单模光纤光纤：非零色散位移单模光纤G656G656光纤：宽带光传输用非零色散光纤光纤：宽带光传输用非零色散光纤G657G657光纤：弯曲不敏感光纤、室内软光缆光纤：弯曲不敏感光纤、室内软光缆10ppt课件光波导理论基础光波导理论起源于微波波导理论(20世纪50年代）光波导理论也是一门独立的理论（与微波波导理论有截然不同的特点）11pp
6、t课件1.21.2麦克斯韦方程麦克斯韦方程BE =t-DH = J +t0BD12ppt课件第一式表示变化的磁场是电场的旋度源，其感应的电场的电力线是闭合的。第二式表示传导电流和位移电流均为磁场的旋度源，磁力线是闭合的。前两式是基本的。第三式表示磁场没有散度源。 第四式表示电荷是电场的散度源。 13ppt课件为哈密顿算子xyzyyxxzzxyzxyziiiFFFFFFFiiixyzyzzxxyFFF,xyzxyz iii 14ppt课件(), ,xyzxyzAAAAA x y zxyzxyziiiiiixxyyxyEEyxEiiii() ()0 xyzxyyxxyzyxxyEiiiii() (
7、)0 xyzxyzzyxyxxyzxyyxxyzzEiiiiiiiii【例1.1】 给定电场强度 ，求其散度和旋度。 15ppt课件若电磁场随时间作简谐变化，即时间因子为 ，则可得到复数形式的麦克斯韦方程组Dj EBjHJ +D0Bexp(j) t16ppt课件物质关系物质关系麦克斯韦方程组中， 和 、 和 之间的关系与电磁场存在空间的介质有关。在均匀、各向同性介质中，它们的关系为：DEHB0r DEE0rmm mBHH17ppt课件边界条件18ppt课件边界条件12n (D - D )= 0 1n2nD = D12n (E - E )= 0 1t2tE = E12n (B - B )= 0
8、1n2nB = B12n (H - H )= 0 1t2tH = H 19ppt课件分离变量电矢量与磁矢量分离: 可得到只与电场强度E E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁场强度H H(x,y,z,t)有关的方程式；时、空坐标分离: 亥姆霍兹方程，是关于E E(x,y,z)和H H(x,y,z)的方程式；空间坐标纵、横分离：波导场方程，是关于E E(x,y)和H H(x,y)的方程式；边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E E(x,y)和H H(x,y)切向分量要连续。20ppt课件1.1.3 3 亥亥姆姆霍霍兹兹波波动动方方程程 对于无源区域()jjj(j)j(j)mmm EBHJD
9、JE0J2 mEE2() EEE21ppt课件1.1.3 3 亥亥姆姆霍霍兹兹波波动动方方程程对于无源区域， 则矢量亥姆霍兹方程22() m EEE00E220 mEE220 mHH22ppt课件标标量量亥亥姆姆霍霍兹兹方方程程直角坐标系中xxyyzzEEEEiii2222()()0 xxyyzzxxyyzzEEEEEE m iiiiii022xxEEm220yyEE m220zzEE m23ppt课件标量亥姆霍兹方程220 xxHH m220yyHH m220zzHH m24ppt课件【例1.3】在各向同性均匀介质中，某电场在直角坐标系中只有x分量，且只是z的函数， 即 ，求电磁场 和 。(
10、 )xxEzEiEH022xxEEm2222222zyx( )xxEzEi0222xxEdzEdm25ppt课件通解第一项表示沿z方向传播的均匀平面波。第二项表示沿z方向传播的均匀平面波。假定B=0，则其相位随z周期性变化，k称为相位常数。相位变化一个最小周期对应的长度称为波长 exp(j)exp(j)xEAkzBkzmkexp(j)xEAkz222kkk或26ppt课件各向同性均匀介质中的均匀平面波，电场、磁场和传输方向三者符合右手定则 ( )exp(j)yyyHzAkzmHii27ppt课件 1.4 1.4 光波导电磁场求解的一般方法光波导电磁场求解的一般方法模式场的基本概念表示光场E和H
11、沿横截面的分布和x及y有关模式场指的是但模式场并不只存在于横截面之中，只是它由横向坐标所决定的, , ,EEx y z tHHE(x,y),H(x,y)28ppt课件模式的基本特征模式的基本特征-每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波;-每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件;-模式具有确定的相速群速和横场分布.-模式是波导结构的固有电磁共振属性的表模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。征。给定的波导中能够存在的模式及其性质是已确定了的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。29ppt课件模式场分量与纵横关系式模式场分量与纵横关系式 模式的场矢量E
12、E(x,y)和H H(x,y)具有六个场分量：Ex、Ey、Ez和Hx、Hy、Hz(或Er、E、Ez和Hr,H,Hz)。 只有当这六个场分量全部求出方可认为模式的场分布唯一确定。 但实际上这并不必要。因为场的横向分量可由纵向分量Ez和Hz来表示.30ppt课件模式命名模式命名根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命名为: (1)横电磁模(TEM)：EzHz0; (2)横电模(TE)： Ez0, Hz0; (3)横磁模(TM)： Ez0,Hz0; (4)混杂模(HE或EH):Ez0, Hz0。 光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时也出现TE(TM)模。31ppt课件在无源区域，重写麦
13、克斯韦方程组0Djjm EB =HjjHJ +D =E0B32ppt课件模模式式场场的的横横纵纵向向分分量量假定电磁场沿z轴方向（纵向）传输，把场和算子写成纵向矢量和横向矢量相加形式下标T代表横向 ，z代表纵向TzzEEEiTzzHHHizzT=+ i33ppt课件jTTzzHm Eij-TTzzzTEzm Ei+ i=HjTTzzE HijTTzzzTHz Hi+ i=E34ppt课件利用关系 作用于上两式()TzzzTzEE ii()TzzzTzHH iijTzTzTzEzmEi+H = ijTzTzTzHzHiE = izij-TzTTzEzmE+iH =j-TzTTzHzHiE =35
14、ppt课件 作用于 ，与 联立， 消去j-TzTTzEzmE+iH =222()jTTzzTzkEHzzmEim22k222()jTTzzTzkHEzzHizj-TzTTzHzHiE =THz36ppt课件若电磁波沿z轴方向传播，不计损耗，则所有场量随z有相位变化因子 ， 为传输方向的相位常数，因此有222222222j ,czzkkkz 22jjTTzzTzccEHkkmEi22jjTTzzTzccHEkkHijez37ppt课件【例1.4】某波导中电磁场的纵向场分量试求其横向场分量 j0sin()sin()530zzzxyEEeHTxyxy ii2222j()j()j()j()Txyzzx
15、yzccTxyzzxyzccEHkxykxyHEkxykxymEiiiiiHiiiii38ppt课件代入可得 0202cos()sin()sin()cos()553353cos()sin()sin()cos()553353TTEiiHiixycyxcExyxykExyxyk -j z-j zjeje-j02jcos()sin()e553txcExyEkj02jsin()cos()e353tycExyEkj02jsin()cos()e353txcExyHkj02jcos()sin()e553tycExyHk39ppt课件射线光学基础d，射线光学是电磁场理论的短波长近似忽略衍射效应，光传播作为直线或曲线处理传播方向即能流方向，切线方向与光波等相位面相交程函方差是射线光学的基本方程，是描述光线相位的基本方程，适用于单色光的麦克斯韦方程。40ppt课件41ppt课件42ppt课件43ppt课件44ppt课件射线方程 rr+drdr45ppt课件46ppt课件射线方程47ppt课件由光线方程可以直接求出光线轨迹表达式; dr/dS是光线切向斜率, 对于均匀波导，n为常数,光线以直线形式传播;对于渐变波导,n是r的函数,则dr/dS为一变量,这表明光线将发生弯曲。而且可以证明,光线总是向折射率高的区域弯曲。48ppt课件
