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单模传输的理论分析

2015-3-24 08:33| 编辑:电工学习网| 查看: 4682| 评论: 0

摘要: 由于渐变型单模光纤要通过等效近似的方法,将它等效为阶跃单模光纤去分析,因此,讨论单模传输的特性时,主要针对阶跃单模光纤而言。单模光纤不同于多模光纤的特殊问题,主要是单模光纤的单模工作条件及单模光纤的极 ...
   由于渐变型单模光纤要通过等效近似的方法,将它等效为阶跃单模光纤去分析,因此,讨论单模传输的特性时,主要针对阶跃单模光纤而言。
    单模光纤不同于多模光纤的特殊问题,主要是单模光纤的单模工作条件及单模光纤的极化问题,这就是本节主要讨论的内容。
    1.单模传输的条件
    单模光纤是在给定的工作波长上,只传输单一基膜的光纤,在阶跃单模光纤中,只传输LP01模。
    从2.2节的讨论中得知,LP01模的归一化截止频率为Vc=0,无截止现象,因此,光纤的单模工作范围就决定于第一高次模LP11的截止特性。
    从表2-1中可查出,LP11模的归一化截止频率为
    而模式的传输条件:V>VC时可传;V≤VC时截止。因此,要保证光纤中只传输LP01一个模式,则必须要求
    即
    这就是阶跃单模光纤的单模传输条件。
    2. 单模光纤的场方程和特征方程(自学)
    3.单模光纤的特征参数
    单模光纤的主要特性参数有:衰减、色散、截止波长、模场直径、折射率分布等,其中色散将在本章2.5节介绍,这里主要介绍两个参数:衰减系数α和截止波长λc。
    (1)衰减系数α
    在设计光纤通信系统时,一个重要的考虑是沿光纤传输的光信号的衰减,它是线路上决定中继距离长短的主要因素。
    衰减量的大小通常用衰减系数α来表示,单位是dB/km。衰减系数α的定义为
    其中,L——光纤长度;
    Pi——光纤输入的光功率;
    P0——光纤输出的光功率。
    (2)截止波长λc
    从前面分析可知,光纤的单模传输条件是由第一高次模LP11的截止频率给出的。归一化截止频率为
    对应着归一化截止频率的波长为截止波长,用λc表示,它是保证单模传输的必要条件。当λ<λc(LP01)时,LP01模可在光纤中传输。
    由式(2-70),得出截止波长表示式为
    由于LP11模的归一化截止频率,因此
    当λ>λc(LP11)时,LP11模截止,则此时光纤中只传输LP01模。
    (3)模场直径d
    从理论上讲,单模光纤只有基膜(LP01)传输,基模场强在光纤横截面上的分布与光纤的结构有关,而模场直径就是衡量光纤横截面上一定场强范围的物理量。
    对于均匀单模光纤,基模场强在光纤横截面上的场强分布近似为高斯型分布,通常,在实验中可以观察到,光纤截面上轴芯处的场强最强,因此把沿纤芯直径方向上,相对该场强最大点功率下降了1/e的两点之间的距离,称为单模光纤的模场直径,用d表示。如图所示。

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