單模光纖的基模計(jì)算(編輯修改稿)
2025-07-23 05:40 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 磁波，用TEM表示，TEM波的電場(chǎng)方向與磁場(chǎng)方向與波的傳播方向垂直，即在波導(dǎo)的傳播方向上既沒(méi)有磁場(chǎng)分量也沒(méi)有電場(chǎng)分量，即三者兩兩垂直。當(dāng)波在幾種介質(zhì)組成的空間中傳播時(shí)，根據(jù)傳播方向上電磁場(chǎng)分量又可以分為T(mén)E波、TM波、EH波和HE波。TE波又稱(chēng)為橫電波，TM波又稱(chēng)為橫磁波，EH波和HE波稱(chēng)為混合波，在光纖中存在TE波、TM波、EH波和HE波四種波型。 對(duì)于同一類(lèi)型的波，其場(chǎng)強(qiáng)在圓周方向或徑向方向的分布情況又會(huì)有所區(qū)別，及電磁場(chǎng)的分布會(huì)不盡相同。通常把一種電磁場(chǎng)的分布就叫做一個(gè)模式。這樣的電磁場(chǎng)就有很多模式，一般用TEmn、TMmn、EHmn和HEmn表示。m表示電場(chǎng)或磁場(chǎng)沿圓周角方向分量的波節(jié)數(shù)；n表示電場(chǎng)或磁場(chǎng)沿半徑方向分量的波節(jié)數(shù)，及沿半徑方向的暗區(qū)個(gè)數(shù)。HE11模是光纖中的基膜，它的截止波長(zhǎng)為無(wú)窮大。單模光纖中傳播的就是這種模式。 目前，通信用光纖的相對(duì)折射率差Δ1,稱(chēng)為弱導(dǎo)光纖。這種光纖可以近似的用平面波束分析光的傳播。在研究波動(dòng)理論時(shí)，發(fā)現(xiàn)其中一些精確模的傳播速度接近相同，或者說(shuō)他們的傳播常數(shù)接近相同，通常把這種現(xiàn)象稱(chēng)為兼并，這種模式稱(chēng)為兼并模。這些簡(jiǎn)并模疊加的結(jié)果是一極化方向幾乎保持不變的模，即線偏振模（LPM），因此，如果暫不考慮TE、TM、EH和HE的區(qū)別，而只注意各精確摸的傳播常數(shù)，就可以把傳播常數(shù)相同的模式給一個(gè)相同的名稱(chēng)，即LPmL模。m和L表示不同LP模的特征。值得注意的是，只有弱到光纖才有LP模的概念，且是一種近似的表示方法。表21說(shuō)是的是一些低階LP模玉TE波、TM波、EH波和HE波的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 表21 LP模與精確模的對(duì)應(yīng)關(guān)系LP模名稱(chēng)精確模名稱(chēng)與數(shù)量簡(jiǎn)并度LP01HE1122LP11TE01，TM01，HE2124LP21EH112，HE3124LP02HE1222LP12TE02，TM02，HE2224LP03HE1222LP13TE03，TM03，HE23243 單模光纖 單模光纖是在給定的波長(zhǎng)上，只能傳輸單一基模的光纖。ITU規(guī)定的G652光纖和G654光纖都屬于常規(guī)型單模光纖，若果從折射率分布情況來(lái)分析。常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有兩種，即階躍型單模光纖和下凹型單模光纖。 單模傳輸?shù)臈l件單模光纖是在給定的波長(zhǎng)上只傳輸單一基模的光纖，在階躍單模光纖中，只傳輸LP01（或稱(chēng)HE11）模。LP01模的歸一化截止頻率為Vc=0，無(wú)截止現(xiàn)象，因此光纖的單模工作范圍就決定于第一高次模LP11的截止特性。查表得LP11模的歸一化截止頻率為Vc（LP11）=，而模式傳輸?shù)臈l件是VVc可傳，V≤Vc截止，因此，要保證光纖中只傳輸LP01一個(gè)模式，則必須要求Vc（LP01）《VVc（LP11）即0V,這就是階躍單模光纖的單模傳輸條件。 單模光纖的特性參數(shù) 衰減系數(shù)再設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)重要的考慮是沿光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)的衰減，它是線路上決定中繼距離的主要因素。衰減量的大小通常用衰減系數(shù)來(lái)表示，單位是dB/km，衰減系數(shù)的定義為其中：為光纖長(zhǎng)度，為光纖輸入的光功率，為光纖輸出的光功率。 色散系數(shù)我們已經(jīng)知道，光纖的色散可以分為三大部分即模式色散、材料色散與波導(dǎo)色散。而對(duì)于單模光纖而言，由于實(shí)現(xiàn)了單模傳輸所以不存在模式色散的問(wèn)題，故其色散主要表現(xiàn)為材料色散與波導(dǎo)色散（統(tǒng)稱(chēng)模內(nèi)色散）。綜合考慮單模光纖的材料色散與波導(dǎo)色散，統(tǒng)稱(chēng)色散系數(shù)。色散系數(shù)可以這樣理解：每公里的光纖由于單位譜寬所引起的脈沖展寬值。因此，L 公里光纖由色散引起的脈沖展寬值為其中：為光源譜寬，為根均方展寬值。色散系數(shù)越小越好。光纖的色散系數(shù)越小，就意味著其帶寬系數(shù)越大即傳輸容量越大。例如CCITT 微米處單模光纖的色散系數(shù)應(yīng)小于。經(jīng)過(guò)計(jì)算，其帶寬系數(shù)在25000MHz km 以上，是多模光纖的60多倍（多模光纖的帶寬系數(shù)一般在1000MHzkm 以下）。 模場(chǎng)直徑模場(chǎng)直徑表征單模光纖集中光能量的程度。由于單模光纖中只有基模在進(jìn)行傳輸，因此粗略地講，模場(chǎng)直徑就是在單模光纖的接收端面上基模光斑的直徑（實(shí)際上基模光斑并沒(méi)有明顯的邊界）。為了直觀和便于理解，模場(chǎng)直徑可近似地表達(dá)為其中：為光波波長(zhǎng)(um)，為單模光纖的最大理論數(shù)值孔徑。例如：某一單模光纖參數(shù)為=，=則其最大理論數(shù)值孔徑可求當(dāng)它工作在 = 微米時(shí)，其模場(chǎng)直徑為 um可以極其粗略地認(rèn)為（很不嚴(yán)格的說(shuō)法），模場(chǎng)直徑d 和單模光纖的纖芯直徑相近。 截止波長(zhǎng)我們知道，當(dāng)光纖的歸一化頻率V 小于其歸一化截止頻率Vc時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)單模傳輸，即在光纖中僅有基模在傳輸，其余的高次模全部截止。由歸一化頻率的表達(dá)式可得 由上式可以得出也就是說(shuō)，除了光纖的參量如纖芯半徑，數(shù)值孔徑必須滿(mǎn)足一定條件外，要實(shí)現(xiàn)單模傳輸還必須使光波波長(zhǎng)大于某個(gè)數(shù)值
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