文档介绍：光纤技术基础光纤技术基础
第四部分第四部分单模光纤单模光纤
SingleSingle ModeMode OpticalOptical FibersFibers
陈根祥
北京交通大学全光网与现代通信网教育部重点实验室
2007-5-8
主主要要内内容容
一一.. 阶跃折射率单模光纤阶跃折射率单模光纤
单模光纤与多模光纤
单模工作条件与单模截止波长
阶跃折射率单模光纤中的场分布与功率限制因子
阶跃折射率单模光纤的特征方程及其近似表述
单模光纤与多模光纤区别单模光纤与多模光纤区别
结构单模光纤多模光纤
芯径 5—10μm 较大,
21
⎡ 2 ⎤
剖面 SMF, DSF, DFF, DCF, NZDF, ⎛ r ⎞
()nrn 1 ⎢1 Δ−= ⎜⎟⎥
PMF等, 种类繁多, 是光纤研⎣⎢⎝ a ⎠⎦⎥
究的核心内容
设计¾ 为便于光耦合,采用小的折射率¾ 为减小模式色散,通信用多模光纤
差以获得较大的芯径一般具有上述抛物型折射率分布
¾ 为减小弯曲损耗,λc通常仅略小¾ 少模光纤在非通信领域有重要用途
于工作波长λ
性能
¾ 模式色散较大,传输带宽受限制
¾ 没有模式色散,传输带宽大¾ 用于短距离,低速率系统,
¾ 用于长距离大容量光纤通信系统¾ 芯径大,便于耦合,器件成本低
2 − nn 2
=Δ 1 2 2 2
2 10 2 =−= anknnakV 10 2Δ
2n1
阶跃折射率单模光纤
阶跃折射率剖面单模光纤阶跃折射率剖面单模光纤
结构折射率剖面形状
阶跃型step
⎧ 1, ≤ arn
n1 n = ⎨()> nn 21
⎩ 2 , << bran
n2
a b
2π
单模工作条件: 2 2 =−= annnakV <Δ
10 2 λ 1
阶跃折射率单模光纤
归一化工作频率与矢量模特性曲线归一化工作频率与矢量模特性曲线
阶跃折射率光纤中的传导模的数量由光纤归一化频率决定。
2 2
10 2 anknnakV 10 2Δ=−=
基模: HE11
单模工作范围
阶跃折射率单模光纤
标量模的标量模的 bb ~~ VV 曲线曲线
b:归一化传输常数 b~V曲线
基模: LP01
单模工作范围
阶跃折射率单模光纤
阶跃折射率光纤的单模截止波长阶跃折射率光纤的单模截止波长λλc
LP 11
次高模(LP11, TE01, TM01)的归一化截止频率: Vc =
基模的归一化截止频率: Vc = 0
单模条件: V <
光纤中只传输基模(HE11/LP01),其它模式全部截止
2π
LP 11 λ 2 2
c π10 2 =−= annnakV 1 =Δ
λc
an 22 Δπ an 22 Δ
= 1 = 1
c LP 11
V c
对于给定的光纤,仅当工作波长λ> λc 时,光纤才处于单模工作状态
单模截止波长λc 是单模光纤的一个重要设计参数,通信用普通单模光纤
的截止波长约为λc ~ μm,在 μm 和 μm 的长波长窗口为单
模工作
阶跃折射率单模光纤
阶跃折射率单模光纤的场分布与功率限制因子阶跃折射率单模光纤的场分布与功率限制因子
⎧( aUrJ )
场分布: m , < ar
⎪()UJ
E ψ== (rAG )ϕ= HE = 0 ()rG = m
y 0 yx m ⎨()aWrK
⎪ m , > ar
⎪()WK
x −= nH 00 ψμεε⎩ m
2Δ 2Δμ
z = jE 1 rAG ,0~sin)( z = jH 1 rAG ϕ 0~cos)(
V V 0
功率限制因子: −1 ( )= − 1 (xJxJ )
P W 2 ⎡ 2 (UJ )⎤
=Γ core 1+= 0
2 ⎢ 2()⎥
core + PP clad V ⎣ 1 UJ ⎦
芯包界面
阶跃折射率单模光纤
阶跃单模光纤的特征方程阶跃单模光纤的特征方程
LPmn模的特征方程 LP01模特征方程
m ()UJ m (WK )
()= ()
m+1 UUJ m+1 WWK m = 0 0 (UJ