文档介绍：电磁场课件第三章光波导
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一 光纤的结构型式及导光机理
二 单模光纤的标量近似分析
光纤的结构
多芯光缆
一 光纤的结构型式及导光机理
光在光纤中传播时, 被光纤材料吸收变成热能的一种损耗, 它主要包括: 本征吸收、杂质吸收和原子缺陷吸收。
散射损耗是指由于光纤结构的不均匀, 光波在传播过程中变更传播方向, 使本来沿内部传播的一部分光由于散射而跑到光纤外面去了。散射的结果是使光波能量减少。散射损耗有瑞利散射损耗、非线性效应散射损耗和波导效应散射损耗等。
其它损耗包括由于光纤的弯曲或连接等引起的信号损耗等。
高锟——“光纤之父”
光纤电缆是本世纪最重要的发明之一。发明光纤电缆的，就是被誉为“光纤之父”的华人科学家高锟。 1968年英籍华人高锟首先提出了光纤通信的概念，按照他的理论，美国康宁公司制造了第一根用于光纤通信的光导纤维。现在用光纤做成的光缆已遍布全球，不仅铺设在陆地，也铺进了海洋。光纤通信彻底改变了人类通讯模式。
高锟，华裔物理学家，生于中国上海，祖籍江苏金山（今上海市金山区），拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”（Father of Fiber Optic Communications），曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德·博伊尔和乔治·埃尔伍德·史密斯共享诺贝尔物理学奖。
不管是哪种损耗，都可归纳为光在光纤传播过程中引起的功率衰减。一般用衰减常数α来表示；式中, P0、P1分别是入端和出端功率, L是光纤长度。当功率采用dBm表示时, 衰减常数α可用下列公式来表示:
由单模光纤波长与损耗的关系曲线图可见， μm和 波长附近损耗较低, 且带宽较宽。
光纤的色散特性
所谓光纤的色散是指光纤传播的信号波形发生畸变的一种物理现象, 表现为使光脉冲宽度展宽。光脉冲变宽后有可能使到达接收端的前后两个脉冲无法分辨, 因此脉冲加宽就会限制传送数据的速率, 从而限制了通信容量。
光纤色散主要有材料色散、 波导色散和模间色散三种色散效应。
所谓材料色散就是由于制作光纤的材料随着工作频率ω的改变而变化, 也即光纤材料的折射率不是常数, 而是频率的函数(n=n(ω)), 从而引起色散。
波导色散是由于波导的结构引起的色散, 主要体现在相移常数β是频率的函数, 在传输过程中, 含有一定频谱的调制信号, 其各个分量经受不同延迟, 必然使信号发生畸变。
模间色散是由于光纤中不同模式有不同的群速度, 从而在光纤中传输时间不一样, 同一波长的输入光脉冲, 不同的模式将先后到达输出端, 在输出端叠加形成展宽了的脉冲波形。
显然, 只有多模光纤才会存在模间色散。
通常用时延差来表示色散引起的光脉冲展宽程度。
其中, c为真空中光速, L为光纤长度, Δλ/λ为光源的相对谱线宽度，Dn称为材料色散系数。
材料色散与波导色散随波长的变化呈相反的变化趋势, 所以总会存在着两种色散大小相等符号相反的波长区, 也就是总色散为零或很小的区域。。
二 单模光纤的标量近似分析
单模光纤芯线与包层折射率反差小，芯线中光线平行于光线的轴线。
当光波极化方向取定后，单模光纤以准TEM波传播。
准TEM波纵向场量幅值远小于横向场的幅值，可以用标量近似的方法分析单模光纤线偏振模式。
1 标量波动方程及其解
设电场沿y方向
分离变量法
Bessel函数和三角函数比较
函数类型
三角函数
Bessel函数
驻波型
行波型
衰减型
第一二类修正Bessel函数
光纤正常导行光
芯线内沿r方向的驻波
包层内沿r方向逐渐衰减
2 归一化参量
归一化频率
芯线的特征值
包层的特征值
正常导行光条件
R的求解
W=0 R的求解
3 边界条件和特征方程
设电场沿y方向
特征方程
4 线偏振模及其存在条件
弱导光纤正常导行光的截止条件W=0,代入特征方程，可以计算方程的根，不同根表述不同的传输模式；
用LPmn表示模式，n是特征方程根的序号;
LP的意义是：线偏振模式，
linear polarization mode
m＝0,LP0n
LP的主模
LP01