光纖傳輸基本理論ppt課件(已修改)
2025-05-18 04:20 本頁(yè)面
【正文】 我們知道光有波粒二重性，就是說(shuō)即可以將其看成光波，也可以將其看成是由光子組成的粒子流。 因此，在描述光的傳輸特性時(shí)相應(yīng)的也有兩種理論，即 波動(dòng)理論 和 射線(xiàn)理論（幾何光學(xué)方法） 。前者描述起來(lái)比較復(fù)雜，需要麥克斯韋方程求解，但它可以精確的描述光的傳播特性；后者描述起來(lái)比較簡(jiǎn)單直觀(guān)，易于理解。 二、光纖傳輸基本理論 （ 1） 幾何光學(xué)射線(xiàn)法 當(dāng)光線(xiàn)芯徑遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng) 時(shí) ， 可近似認(rèn)為 ,從而將光波近似看成由一根光線(xiàn)所構(gòu)成 。 因此 ， 可以用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析 光線(xiàn)的入射 、 傳播 (軌跡 )， 以及時(shí)延 (色散 )和光強(qiáng)分布 等特性 。 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單直觀(guān) ， 在分析芯徑較粗的多模光纖時(shí)可以得到較精確的結(jié)果； 缺點(diǎn)：不能解釋諸如模式分布 、 包層模 、 模式耦合 ， 以及光場(chǎng)分布等現(xiàn)象 。 而且當(dāng)工作波長(zhǎng)于芯徑可比較 (單模光纖 )， 誤差較大 。 0? 00 ??（ 2） 波動(dòng)理論法 這是一種嚴(yán)格的分析方法 ， 嚴(yán)格性在于： a.) 從光波的本質(zhì)特性－電磁波出發(fā) ， 通過(guò)求解電磁波所遵從的麥克斯韋方程 ， 導(dǎo)出電磁場(chǎng)的場(chǎng)分布 ， 具有理論上的嚴(yán)謹(jǐn)性 。 b.) 未作任何前提近似 ， 因此適用于各種折射率分布的單模光纖和多模光纖 。 幾何光學(xué)方法 波動(dòng)理論法 適用條件 ? d ? ~ d 研究對(duì)象 光線(xiàn) 模式 基本方程 射線(xiàn)方程 波導(dǎo)場(chǎng)方程 研究方法 折射 /反射定理 邊值問(wèn)題 主要特點(diǎn) 約束光線(xiàn) 模式 分析思路 ? 光纖傳輸基本理論的分析，主要是為光纖技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。分析手段上，首先，利用光線(xiàn)理論來(lái)分析光在光纖中的傳播特性，并對(duì)光纖中的模式及其基本性質(zhì)進(jìn)行初步討論；然后，用波動(dòng)理論來(lái)進(jìn)一步深入分析光纖中的導(dǎo)波場(chǎng)的特性，依據(jù)光纖波導(dǎo)的邊界條件求解波導(dǎo)場(chǎng)方程，導(dǎo)出本征值方程，并根據(jù)導(dǎo)模的截止和遠(yuǎn)離截止條件對(duì)光纖中的模式特性進(jìn)行詳細(xì)討論。 基本理論涉及內(nèi)容 ? 光纖模式的激勵(lì) (或光的入射 ) ? 光纖中的模式分布 (或光纖傳播軌跡 ) ? 模式的傳播速度 (或光線(xiàn)的時(shí)延 ) ? 模式沿光纖橫截面場(chǎng)分布； ? 光信號(hào)的傳輸損耗； ? 光信號(hào)的畸變； ? 模式的偏振特性； ? 模式的耦合； 麥克斯韋方程與亥姆霍茲方程 ? 光纖是一種介質(zhì)光波導(dǎo)，這種波導(dǎo)有如下特點(diǎn)： a). 無(wú)傳導(dǎo)電流； b). 無(wú)自由電荷； c). 線(xiàn)性各向同性； 則其中傳播的電磁波遵從下列麥克斯韋方程： 00//?????????????BDtBEtDH??????????同時(shí)各量滿(mǎn)足物質(zhì)方程： HBED ????????? 光纖中電磁場(chǎng)傳播的另一個(gè)重要特性是：兩種介質(zhì)交界處 (光纖纖壁 )處電磁場(chǎng)滿(mǎn)足邊界條件，即 與 的切向分量以及 與 的法向分量均連續(xù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 E? H?D? B????????????ttttttttDDBBHHEE21212121 電磁場(chǎng)的規(guī)律是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的交替變化，可以發(fā)現(xiàn)麥克斯韋方程中，一方面，既有電場(chǎng)的量，也有磁場(chǎng)的量；另一方面，既有空間坐標(biāo)，又有時(shí)間坐標(biāo)，兩者相互影響。求解的基本思路，利用 分離變量法 進(jìn)行電、磁矢量分離和時(shí)、空
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