【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的方向與光的傳播方向垂直，而且是正交的兩個(gè)分量，即橫電磁波(TEM)。 當(dāng)光在由幾種媒介組成的非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，據(jù)傳播方向有無(wú)電磁場(chǎng)分量可分為：光纖通信橫電磁波 （ TEM） — 傳播方向上無(wú)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量橫電波 (TE)— 傳播方向上無(wú)電場(chǎng)，有磁場(chǎng)分量橫磁波 (TM)— 傳播方向上有電場(chǎng)，無(wú)磁場(chǎng)分量混合波 (EH、 HE)— 傳播方向上既有電場(chǎng)也有磁場(chǎng)分量在這些電磁波中，有一部分的場(chǎng)型和傳播速度是相同的，通常，我們把這些場(chǎng)型分布相同的模式稱(chēng)為 簡(jiǎn)并模計(jì)算表明，能 在光纖中存在的導(dǎo)模有 TEon、TMon、 HEmn、 EHmn四種 。 (m表示在圓周方向上有 m對(duì)最大； n表示在半徑方向上有 n個(gè)最大 )光纖通信下面是幾個(gè)低階模的場(chǎng)分布光纖通信幾個(gè)低次模的場(chǎng)型（實(shí)線為電力線，虛線為磁力線， λ g=2π /β ）光纖通信(a)HE11模的場(chǎng)結(jié)構(gòu) (b)HE11模的簡(jiǎn)化圖光纖通信(a)TE01模的場(chǎng)結(jié)構(gòu) (b)TE01模的簡(jiǎn)化圖光纖通信幾個(gè)低次模的場(chǎng)型（實(shí)線為電力線，虛線為磁力線， λ g=2π /β ）光纖通信(a)TM01模的場(chǎng)結(jié)構(gòu) (b)TM01模的簡(jiǎn)化圖光纖通信幾個(gè)低次模的場(chǎng)型（實(shí)線為電力線，虛線為磁力線， λ g=2π /β ）光纖通信光纖通信線偏振模 —— LPDoGloge提出把這些簡(jiǎn)并模集中在一起，稱(chēng)為線偏振模，用 LP表示。這就是說(shuō)，不管TE、 TM、 HE、 EH的區(qū)別 ,只考慮它們的相位常數(shù)，把相位常數(shù)相等的模式都給予一個(gè)相同的稱(chēng)呼，即 LPmn模。（ LinearlyPolarizedmode）m、 n表示不同 LP模的特征m— 沿圓周方向光場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)零點(diǎn) （或極點(diǎn)）的對(duì)數(shù)n— 沿徑向出現(xiàn)的零點(diǎn)個(gè)數(shù)光纖通信低次 LP模與 TE、 TM、 HE、EH模的對(duì)應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)并模 混合模 簡(jiǎn)并度LP01 HE112 2LP11 TE0 TM0 HE212 4LP21 EH11 HE312 4LP02 HE122 2LP31 EH21 HE412 4LP41 EH31 HE512 4LP22 EH12 HE322 4光纖通信 下圖表示了幾種 LP模的電場(chǎng)分布與 x方向的場(chǎng)強(qiáng)分布LP01－HE11LP11－HE21LP21－EH11LP21－HE31LP11－TM01LP11－TE01光纖通信光纖通信光纖通信光纖通信光纖通信 歸一化頻率 V和導(dǎo)模數(shù)計(jì)算在分析光纖中光的傳播模式時(shí)，要經(jīng)常用到一個(gè)主要參數(shù)教材上給出了其定義為：光纖通信歸一化頻率不僅包含了光纖的主要參數(shù) a、 n、 Δ， 而且還考慮了所傳輸光的波長(zhǎng)所以，它是一種具體光纖中光的具體傳輸狀態(tài)度綜合反映。由于 V具有頻率的量綱，故稱(chēng)之為歸一化頻率歸一化傳播常數(shù) b為：光纖通信光纖通信導(dǎo)模數(shù)計(jì)算公式一般，導(dǎo)模數(shù) M為：g— 折射率分布指數(shù)V— 歸一化頻率當(dāng) g→∞ 時(shí)，為階躍光纖，導(dǎo)模數(shù) M=V2/2；當(dāng) g＝ 2時(shí)，為拋物光纖，導(dǎo)模數(shù) M=V2/4；當(dāng) g＝ 1時(shí)，為三角光纖，導(dǎo)模數(shù) M=V2/6；光纖通信 模截止頻率與導(dǎo)模的傳輸條件光纖中可能存在各種模，若考慮它們能否穩(wěn)定存在，先要確定某個(gè)模式能否存在的 “門(mén)限 ”參數(shù)，這個(gè)參數(shù)的量綱和 V相同，用 Vcmn表示，代表 mn序號(hào)的某模式 (如 LPmn)的截止頻率。當(dāng)客觀條件小于此值時(shí)，這種模式便不存在 ,稱(chēng)截止。實(shí)際上是這種場(chǎng)型的電磁波不能在芯區(qū)形成駐波振蕩，而向包層輻射出去了。各種模式截止的門(mén)限值與光纖的折射率有關(guān)，而與 a、 n0、 Δ等具體參數(shù)沒(méi)有直接關(guān)系。光纖通信光纖通信幾種低階模式的截止頻率值模式 LP01 LP11 LP21 LP02 LP12 LP22 LP13 LP23Vc 0 對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)HE11HE21TM01TE01EH11HE12HE31EH21HE41TE02TM02HE22EH51HE51HE13EH12HE32EH41HE61TE03TM03EH22EH23HE33理論計(jì)算對(duì)于階躍光纖得出的部分模式的模截止頻率如下表：光纖通信光纖通信關(guān)于其它折射率分布形式的光纖，各模式 Vc值可用下列公式進(jìn)行估算g— 折射率分布指數(shù)如 g＝ 2， 梯度光纖， Vcg=導(dǎo)行條件 ： VVc， V大于某一模式的歸一化頻率 Vc， 則該模式便在光纖中導(dǎo)行；截止條件 ： VVc， V小于某一模式的歸一化頻率 Vc， 則該模式不在光纖中導(dǎo)行；臨界條件 ： V＝ Vc光纖通信 LPmn模截止值和遠(yuǎn)離截止值方位角模數(shù)ω →0 本征方程ω →∞ 本征方程 截止值 uc 遠(yuǎn)離截止值 u∞V=0 J1(uc)=0 J0(u∞)=0 uc0 …u∞ …LP0nLP01 LP02LP03LP04V=1 J0(uc)=0 J1(u∞)=0u∞≠0uc …u∞…LP1nLP11 LP12LP13LP14光纖通信 低階 (v=0和 v=1)模式和相應(yīng)的 V值范圍V值范圍 LP模 電磁場(chǎng)0～ LP01 HE11～ LP01 HE21TM01TE01～ LP01 HE12～ LP01 HE22TM02TE02～ LP01 HE13～ LP01 HE23TM03TE03光纖通信光纖通信 單模傳輸?shù)臈l件在各模式的截止頻率中， LP01模的 Vc=0，最低，稱(chēng)該模為 “基模 ”，或 “最低次模 ”；LP11模的 Vc=， 為第二低的截止頻率，稱(chēng)該模為 “次低階模 ”，或 “二階模 ”；其它 Vc更高，稱(chēng)高階模。若在光纖中選取合適的 a、 n0、 Δ、 λ， 可使V， 從而抑制 LP11模及所有高階模的傳輸。由于 Vc01=0， 即基模永不截止。所以， 單模傳輸?shù)臈l件為 :VVc11=光纖通信 一般，對(duì)階躍型光纖， g→∞ ， Vc=。對(duì)拋物型光纖， g＝ 2， Vc=。對(duì)三角型光纖， g＝ 1， Vc=。光纖通信例 :若想在目前的多模光纖中實(shí)現(xiàn)單模傳輸，應(yīng)選用怎樣的光波長(zhǎng)？也就是說(shuō)，如果有波長(zhǎng)為 14μm或更長(zhǎng)的實(shí)用光源，且光纖在此波長(zhǎng)下?lián)p耗低，則目前通用的多模光纖就可以作為單模光纖使用。光纖通信 單模光纖的模場(chǎng)直徑 (MFD)由于多模光纖傳輸?shù)墓饽懿⒉皇峭耆杏诶w芯之中，而是有相當(dāng)部分在包層中傳輸，所以很難用纖芯的幾何參數(shù)進(jìn)行描述。為了便于研究，在單模光纖中引入了模場(chǎng)直徑這一參數(shù)來(lái)表征導(dǎo)光區(qū)域的大小。它是取代光纖芯徑的參數(shù)。光纖通信 模場(chǎng)直徑 (MFD)定義定義 :若單模光纖中的光強(qiáng)呈高斯分布，則將光波場(chǎng)強(qiáng)幅度下降到 1/e時(shí)的各點(diǎn)所連成的圓周直徑定義為 MFD（ 常用 2ω0表示）若光強(qiáng)不呈高斯分布，則按下式定義：式中 F2(q)為主模的遠(yuǎn)場(chǎng)強(qiáng)度分布， q=Sinθ/λ， θ為遠(yuǎn)場(chǎng)角， λ為波長(zhǎng)，具體應(yīng)用可參看 ITUT的相關(guān)建議。 (遠(yuǎn)場(chǎng)：距離光纖端面 20mm以上的區(qū)域 )光纖通信ITU—T 規(guī)定，在 μm波段上，模場(chǎng)直徑的標(biāo)稱(chēng)值應(yīng)當(dāng)在 9～ 10μm范圍內(nèi)，容差為 177。1μm。模場(chǎng)直徑表征著光場(chǎng)在纖芯的分布情況，并且與纖芯半徑和歸一化頻率 V值有關(guān)，見(jiàn)右圖。模場(chǎng)半徑與纖芯半徑的關(guān)系為 (見(jiàn)后圖 )ω /a2 3 4 5 V 1 光纖通信光纖通信當(dāng)兩根光纖連接時(shí)，由模場(chǎng)直徑計(jì)算接續(xù)附加損耗公式為：當(dāng)兩纖芯軸對(duì)得很準(zhǔn)，但兩光纖模場(chǎng)直徑分別為 ω1和 ω2， 則當(dāng)兩根光纖模場(chǎng)直徑相當(dāng)，但兩纖芯未對(duì)準(zhǔn)，有橫向偏移 d， 則：光纖通信 雙折射和偏振保持光纖偏振是單模光纖所特有且很重要的問(wèn)題。多模光纖傳輸幾百甚至上千個(gè)模式。各模的偏振盡管沿途變化和旋轉(zhuǎn)，但除了在終端可能產(chǎn)生模式噪聲外，對(duì)其他性能沒(méi)有影響，故不必專(zhuān)門(mén)考慮偏振問(wèn)題。但對(duì)單模光纖，偏振卻極為重要。這不僅因?yàn)楫?dāng)單模光纖的模內(nèi)色散為零時(shí)，偏振色散將成為色散的極限，而且還因?yàn)槠駥?duì)相干光通信的實(shí)現(xiàn)，對(duì)集成光路和單模傳感器的制作等都有重要影響和應(yīng)用。偏振現(xiàn)象（光纖的雙折射特性）前面討論都假設(shè)了光纖具有完美的圓形橫截面和理想的圓對(duì)稱(chēng)折射率分布，而且沿光纖軸向不發(fā)生變化。因此 HE11(LP01)模的 x偏振模 HEx11(Ey=0)和 y偏振模HEy11(Ex=0)具有相同的傳輸常數(shù) (βx=βy)，兩個(gè)偏振模完全簡(jiǎn)并。光纖通信但實(shí)際光纖難以避免的形狀不完善或應(yīng)力不均勻，必定造成折射率分布各向異性，使兩個(gè)偏振模具有不同的傳輸常數(shù) (βx≠βy)，形成相位差 ⊿ β，簡(jiǎn)并被破壞。這種現(xiàn)象稱(chēng)為單模光纖中的雙折射現(xiàn)象。單模光纖中雙折射的種類(lèi)極化：隨著時(shí)間的變化，電場(chǎng)或磁場(chǎng)的空間方位如何變化？一般把電場(chǎng)的空間方位作為波的極化方向，在研究光波傳輸時(shí)，常用偏振來(lái)表示。光矢量的空間方位稱(chēng)為光的偏振。一般分為三種類(lèi)型的偏振光：線偏振光：光矢量的端點(diǎn)描繪出的圖形是一條直線；圓偏振光：如果電場(chǎng)的水平分量與垂直分量振幅相等，相位相差 π /2，則 光矢量的大小不變，而方向繞傳輸方向旋轉(zhuǎn)，矢量端點(diǎn)的軌跡是一個(gè)圓；光纖通信 橢圓偏振光：如果電場(chǎng)強(qiáng)度的兩個(gè)分量，空間方位互相垂直，振幅和相位都不等時(shí)，隨著時(shí)間 t的變化合成矢量的軌跡是一個(gè)橢圓；對(duì)應(yīng)以上三種偏振光，單模光纖中的雙折射也有三種：線雙折射：線偏振光在兩個(gè)正交的方向上，如果有不同的折射率，因而有不同的相位常數(shù)的雙折射；圓雙折射：在傳輸媒質(zhì)中，當(dāng)左旋偏振波與右旋偏振波有不同的折射率時(shí)，從而使其有不同的相位常數(shù)橢圓雙折射：當(dāng)線雙折射與圓雙折射同時(shí)存在時(shí)光纖通信線偏振光 (a)和它的振動(dòng)波形 (b)光纖通信圓偏振光 (a)和它的振動(dòng)波形 (b)光纖通信橢圓偏振光 光的雙折射光纖通信單模光纖中的兩個(gè)正交本征模 (a)和它們各自的振動(dòng)波形 (b)光纖通信理想單模光纖中光的傳輸狀態(tài)光纖通信單模光纖偏振態(tài)的幾個(gè)物理量(3)拍長(zhǎng)： 在縱向均勻的單模光纖中，當(dāng)兩個(gè)正交偏振模的相位差達(dá)到 2π時(shí) ，光在光 纖 中所 傳輸 的距離 L就稱(chēng) 為 一個(gè)拍 長(zhǎng) Lb。(1)模式雙折射或偏振雙折射 ⊿ β我們把兩個(gè)偏振模傳輸常數(shù)的差 (βx－ βy)定義為雙折射 ⊿ β，通常用 歸 一化雙折射 B來(lái)表示其中 λ —— 光在自由空間中的波長(zhǎng)；nx、 ny_－兩正交偏振模 HE11x、 HE11y的有效折射率(2)歸一化雙折射 B光纖通信單模光纖中一個(gè)拍長(zhǎng)上光的偏振態(tài)變化 (a)和它形成的明、暗帶區(qū) (b)光纖通信單模光纖中的拍長(zhǎng) L光纖通信各種由內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生線雙折射的結(jié)構(gòu)光纖通信 穩(wěn)定偏振態(tài)的途徑和方法存在雙折射，要產(chǎn)生偏振色散，因而限制系統(tǒng)的傳輸容量。許多單模光纖傳輸系統(tǒng)都要求盡可能減小或消除雙折射。一般單模光纖 B值雖然不大，但是通過(guò)光纖制造技術(shù)來(lái)消除它卻十分困難。方法： 合理的解決方法是通過(guò)光纖設(shè)計(jì)，人為引入強(qiáng)雙折射，把 B值增加到足以使偏振態(tài)保持不變，或只保存一個(gè)偏振模式，實(shí)現(xiàn)單模單偏振傳輸。強(qiáng)雙折射光纖和單模單偏振光纖為 偏振保持光纖 。獲得偏振保持光纖的方法很多，例如引入形狀各向異性的橢圓芯光纖。制作低雙折射率的光纖；制作高雙折射率的光纖；制作單偏振光纖；188。波片法，保持或恢復(fù)光纖輸入、輸出端偏振方向一致光纖通信 167。光纖的特性（性能）光學(xué)性能：幾何尺寸、 NA、LNA、 2ω0、 剖面折射率分布傳輸性能損耗（衰減）色散串?dāng)_機(jī)械性能穩(wěn)定性能光纖通信 傳輸性能一、損耗（衰減）性能光纖是一種傳輸媒質(zhì)，光波在其中傳播單位距離就有相當(dāng)一部份能量被吸收或散射。傳播波的振幅衰減主要是由于過(guò)渡金屬離子和以氫氧根形式出現(xiàn)的水吸收引起的。光纖衰減以衰減系數(shù) α來(lái)衡量，它是度量光能在光纖中傳輸損失的參數(shù)。光纖通信光在光纖中傳播時(shí)，平均光功率沿光纖長(zhǎng)度按照指數(shù)規(guī)律減少。即 P(L)=P(0)e(αL/10)P(0)—L=0 處注入光纖的光功率 P(L)—傳輸?shù)捷S向距離 L處的光功率α定義：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度光纖引起的光功率衰減。當(dāng)長(zhǎng)度為 L時(shí)，Pin—— 輸入光纖的光功率，輸入光纖的光功率，Pout—— 輸出光纖的光功率，輸出光纖的光功率，L— 被測(cè)光纖的長(zhǎng)度，被測(cè)光纖的長(zhǎng)度，光纖通信 光通信工程中，長(zhǎng)度為 Li， 衰減系數(shù)為αi的 N段光纖相連接，則全長(zhǎng) L為