第1講 引言 光纖波導(dǎo) I

導(dǎo)波場論教材：一、李宏福,喻勝.《導(dǎo)波場論》第一章電磁場的基本理論第二章規(guī)則波導(dǎo)理論第三章諧振腔理論第四章微擾理論與變分理論第五章不均勻波導(dǎo)第六章慢波系統(tǒng)的一般特性導(dǎo)波場論教材：二、梁昌洪,謝擁軍,官伯然.《簡明微波》513-586,326-333,174-189三、葛德彪,閆玉波.電磁波時域有限差分方法四、葛德彪.電磁波理論

第七章 計算電磁學(xué)方法1.差分法、時域有限差分法原理2.有限元法原理3.矩量法原理

4.廣義保角變換法

5.傳播矩陣方法

6.蒙特卡羅法導(dǎo)波場論教材：五、碩博士論文及新進(jìn)展第八章電磁理論新進(jìn)展1.包括光纖波導(dǎo)；2.SIW基片集成波導(dǎo)的研究進(jìn)展；3.微帶線理論，微帶電路；4.異向介質(zhì)、光子晶體等；5.LTCC技術(shù)；6.超寬帶、共面波導(dǎo)等。第一次作業(yè)

一、試根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)（圓柱形）電場方程，推導(dǎo)特征方程為：

二、試比較介質(zhì)波導(dǎo)中的模與金屬波導(dǎo)中的模有何不同？

最后一次課前交一個報告：內(nèi)容：從下面題目中任選一個1.編程序?qū)崿F(xiàn)解決任意一個電磁問題。(含程序和報告，報告內(nèi)容包括：方法、公式、程序內(nèi)容、程序結(jié)果、結(jié)果分析。)2.用任意軟件仿真任意一種器件。（含建模文件和報告，報告內(nèi)容包括器件的各種電磁參數(shù)、邊界條件等，給出詳細(xì)的結(jié)構(gòu)尺寸、材料，數(shù)值結(jié)果。）3.就你感興趣的新方向(包括報告和相應(yīng)的ppt)進(jìn)行詳細(xì)研究。第1講光纖波導(dǎo)一.光纖之父高錕簡介二.光纖通信基礎(chǔ)知識三.介質(zhì)波導(dǎo)四.光纖

光纖之父

華人科學(xué)家高錕高錕與太太一.光纖之父簡介

瑞典皇家科學(xué)院2009年10月6日宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國華裔科學(xué)家高錕以及兩位美國科學(xué)家。高錕獲獎，是因為他在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”做出了突破性成就。高錕1933年出生于上海，住在法租界。高教授的父親是律師。1944年，隨父移居香港，入讀圣約瑟書院，之后考入香港大學(xué)，但由于當(dāng)時港大還未有電機工程系，他只好遠(yuǎn)赴英國倫敦大學(xué)進(jìn)修。大學(xué)畢業(yè)后，他進(jìn)入英國國際電話電報公司(ITT)做工程師，后被聘為研究實驗室研究員，同時在英國倫敦大學(xué)攻讀博士學(xué)位，1965年畢業(yè)。從1963年開始，高錕就著手對玻璃纖維進(jìn)行理論和實用方面的研究工作，并設(shè)想利用一種玻璃纖維傳送激光脈沖以代替用金屬電纜輸出電脈沖的通訊方法。光纖之父簡介

光纖之父簡介

高錕被譽為“光纖之父”。早在1966年，高錕就在一篇論文中首次提出用玻璃纖維作為光波導(dǎo)用于通訊的理論。簡單地說，就是提出以玻璃制造比頭發(fā)絲更細(xì)的光纖，取代銅導(dǎo)線作為長距離的通訊線路。這個理論引起了世界通信技術(shù)的一次革命。隨著第一個光纖系統(tǒng)于1981年成功問世，高錕“光纖之父”美譽傳遍世界。高錕還開發(fā)了實現(xiàn)光纖通訊所需的輔助性子系統(tǒng)。他在單模纖維的構(gòu)造、纖維的強度和耐久性、纖維連接器和耦合器以及擴散均衡特性等多個領(lǐng)域都作了大量的研究，而這些研究成果都是使信號在無放大的條件下，以每秒億兆位元傳送至距離以萬米為單位的成功關(guān)鍵。由于他的杰出貢獻(xiàn)，1996年，中國科學(xué)院紫金山天文臺將一顆于1981年12月3日發(fā)現(xiàn)的國際編號為“3463”的小行星命名為“高錕星”。

頻帶寬,通信容量大理論上講一根單模光纖可利用的帶寬達(dá)20THz(1THz=1012Hz)以上,現(xiàn)在最先進(jìn)的光纖通信系統(tǒng)達(dá)400GHz,而一路電話帶寬約占4KHz頻帶,一路彩色電視約占6MHz頻帶損耗低,中繼距離長銅纜的損耗特性與纜的結(jié)構(gòu)尺寸及所傳輸信號的頻率有關(guān),光纜的損耗特性僅與玻璃的純度(或者說透明度)有關(guān),高質(zhì)量望遠(yuǎn)鏡的鏡頭其損耗超過500dB/km,目前通信用光纖的最低損耗達(dá)0.2dB/km優(yōu)點二.光纖通信基礎(chǔ)知識具有抗電磁干擾能力光導(dǎo)纖維是絕緣體材料,不受輸電線,電氣化鐵路及高壓設(shè)備等電器干擾,可以與高壓電線平行架設(shè),還可制成復(fù)合光纜無串話,保密性好通信質(zhì)量高線徑細(xì),重量輕,柔軟可制成大芯數(shù)高密度光纜單芯光纜可安裝在飛機,火箭,潛艇及航天飛機上節(jié)約有色金屬,原材料資源豐富可節(jié)約大量銅金屬缺點質(zhì)地脆,機械強度低光纖切斷和接續(xù)需要一定的工具,設(shè)備和技術(shù)分路,耦合不靈活光纖,光纜彎曲半徑不能過小(>20CM)在偏僻地區(qū)存在有供電困難問題光通信發(fā)展簡史2000多年前烽火臺——燈光、旗語1880年光電話——無線光通信1970年光纖通信傳輸網(wǎng)有線傳輸網(wǎng)

_光纖通信:波長：0.8μm-1.6μm,頻率:1014-1015Hz

_電纜通信：大同軸、中同軸、小同軸無線傳輸網(wǎng)數(shù)字微波衛(wèi)星通信傳輸網(wǎng)交換網(wǎng)DDN分組交換ISDN7號信令傳輸網(wǎng)傳輸網(wǎng)交換網(wǎng)DDN分組交換ISDN7號信令綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（IntegratedServicesDigitalNetwork，ISDN）DDN的英文全稱是：DigitalDataNetwork.

DDN的全稱是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)集團電話7號信令（七號信令）系統(tǒng)是一種國際性的標(biāo)準(zhǔn)化的通用公共信令系統(tǒng)光纖通信發(fā)展史1880年A.G.貝爾利用可見光做光電話機，證實光波可以攜帶信息1960年發(fā)明了新光源激光器后，極大的促進(jìn)了光波通信的研究激光器特性：單色性、強方向性、高亮度發(fā)展過程：60年固體紅寶石激光器61年氦-氖氣體激光器70年半導(dǎo)體激光器（體積小、耗電少、調(diào)制速度高、使用方便）1966年華裔科學(xué)家高錕博士等人提出從玻璃材料中去除雜質(zhì)可以制成衰減為20dB/km的光導(dǎo)纖維。1970年美國康寧玻璃公司根據(jù)高氏理論首先制造出衰減為20dB/km的光導(dǎo)纖維，使光導(dǎo)纖維的發(fā)展得到突破。1973年美國貝爾研究所生產(chǎn)出衰減為1dB/km的低損耗光纖1976年日本電報電話公司（NTT）制造出0.5dB/km的低損耗光纖1976年在美國亞特蘭大成功進(jìn)行了碼速率為44.7Mb/s的光通信系統(tǒng)性能試驗,從此光通信技術(shù)進(jìn)入實用化階段頻率（Hz）1021041061081012101410161018102010221061041021101010-210-410-610-810-1010-1210-14波長名稱長波中波短波超短波微波毫米波紅外線可見光紫外線X射線10mm1mm100μm10μm1μm100nm10nm1nm紅外線可見光紫外線光電磁波譜光的基本知識光是一種電磁波可見光350nm—750nm光纖通信所用的波長

800——1600nm光的反射、折射全反射光的基本知識n1n2n1<n2θ1θ2θ3入射折射反射視覺位置實際位置空氣水光的基本知識n1n2n1>n2n1n2臨界角900臨界角n1n2全反射入射角=反射角θ1θ2光纖中光波的傳輸原理-全反射“之”字線傳輸n2n1n2空氣ABθMAX當(dāng)n1>n2

θ1>θc時發(fā)生全反射θc：臨界角只要滿足全內(nèi)反射條件連續(xù)改變?nèi)肷浣堑娜魏喂馍渚€都能在光纖纖芯內(nèi)傳輸入射光反射光折射光折射率n1折射率n1>n2θ1光纜干線纜(架空光纜,直埋光纜,海底光纜,復(fù)合光纜……)96芯以下局內(nèi)光纜芯數(shù)少，比光線纜柔軟用戶纜根據(jù)需要幾百芯或幾千芯,纖芯為帶狀光纖光纖的結(jié)構(gòu)纖芯包層保護套光纖的結(jié)構(gòu)纖芯core：折射率較高，用來傳送光；包層coating：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；保護套jacket：強度大，能承受較大沖擊，保護光纖。纖芯包層保護套常見光纖名詞數(shù)值孔徑（NumericAperture）

NA=SINθ

θ接收錐常見光纖名詞輸入輸入輸出輸出低數(shù)值孔徑NA高數(shù)值孔徑NANANA

外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)內(nèi)徑：單模9um

多模50/62.5um12595012562.5125光纖的尺寸光纖的分類按材料分類：玻璃光纖：纖芯與包層都是玻璃，損耗小，傳輸距離長，成本高；膠套硅光纖：纖芯是玻璃，包層為塑料，特性同玻璃光纖差不多，成本較低；塑料光纖：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價格很低。多用于家電、音響，以及短距離的圖像傳輸。按照光纖的模式分類單模（Single-Mode）多模（Multi-Mode）按折射率分類階越光纖漸變折射率光纖

光纖的分類常見光纖名詞衰減：光在光纖中傳輸時的能量損耗

單模光纖1310nm:0.35~0.5dB/Km1550nm:0.2~0.3dB/Km850nm:2.3~3.4dB/Km光纖熔接點損耗：0.2dB/點光纖熔接點1點/2km

塑料多模光纖

300dB/km損耗特性與光的工作波長有關(guān),在三個工作窗口有相對小的損耗:第一窗口光工作波長0.85μm,損耗稍大第二窗口光工作波長1.31μm,損耗中等第三窗口光工作波長1.55μm,損耗最小色散(Dispersion)：光脈沖沿著光纖行進(jìn)一段距離后造成的頻寬變粗。它是限制傳輸速率的主要因素。模間色散：只發(fā)生在多模光纖，因為不同模式的光沿著不同的路徑傳輸。材料色散：不同波長的光行進(jìn)速度不同。波導(dǎo)色散：發(fā)生原因是光能量在纖芯及包層中傳輸時，會以稍有不同的速度行進(jìn)。在單模光纖中，通過改變光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)來改變光纖的色散非常重要。常見光纖名詞光纖類型G.652光纖即常規(guī)單模光纖，在1310nm波長工作時，理論色散值為零；在1550nm波長工作時，傳輸損耗最低，但色散系數(shù)較大。單通路速率達(dá)到STM-64時，需要采取色散調(diào)節(jié)手段。G.653光纖在1550nm波長工作時性能最佳，又稱為色散移位光纖。零色散點從1310nm移至1550nm波長區(qū)。G.654光纖截止波長移位的單模光纖，它的設(shè)計重點是降低1550nm波長處的衷減。主要應(yīng)用于需要很長再生段距離的海底光纖通信。G.655光纖又稱之為非零色散移位單模光纖，零色散點移至1570nm或1510…1520nm附近，使1550nm處具有一定的色散值。色散受限距離達(dá)數(shù)百公里。可以有效的減少波分復(fù)用系統(tǒng)的四波混頻的影響。常見光纖名詞散射

由于光線的基本結(jié)構(gòu)不完美，引起的光能量損失，此時光的傳輸不再具有很好的方向性。光線缺陷光纖系統(tǒng)基礎(chǔ)知識一、基本光纖系統(tǒng)的構(gòu)架及其功能介紹：1.發(fā)送單元：把電信號轉(zhuǎn)換成光信號；2.傳輸單元：載送光信號的介質(zhì)；3.接收單元：接收光信號并轉(zhuǎn)換成電信號；4.連接器件：連接光纖到光源、光檢測以及其它光纖。光纖系統(tǒng)基礎(chǔ)知識二、基本光纖系統(tǒng)方框圖：

信號光發(fā)射機光源中繼器檢測器光接收機信號電E/光O轉(zhuǎn)換光纖光O/電E轉(zhuǎn)換發(fā)送單元傳輸單元接收單元連接器件常用連接器類型SCLCMT-RJDSCVF-45Opti-Jack常用連接器類型FCTypeSCTypeSC2TypeFDDType常用連接器類型BICONICTypeD4TypeSMA905TypeSMA906TypeMINIBNCType連接頭端面類型Ferrule+FlangeInsertionLoss(插入損耗)<0.3dBReturnLoss(回波損耗)PC>40dBSPC>45dBUPC>50dBAPC>60dB無源器件耦合器（coupler）主要功能再分配光信號重要應(yīng)用在光纖網(wǎng)絡(luò)尤其是應(yīng)用在局域網(wǎng)在波分復(fù)用器件上應(yīng)用無源器件耦合器

以圖形表示1423無源器件波分復(fù)用器

WDM—WavelengthDivisionMultiplexer

在一條光纖中傳輸多個光信號，這些光信號頻率不同，顏色不同。波分復(fù)用器就是要把多個光信號耦合進(jìn)同一根光纖中；解波分復(fù)用器就是從一根光纖中把多個光信號區(qū)分出來。無源器件波分復(fù)用器（圖例）

λ1傳送器

λ2傳送器

λ1+

λ2

λ1+

λ2

λ1接收器

λ2接收器發(fā)送單元驅(qū)動器光源接收單元檢測器放大器

輸出電路光放大器

λ0

λ1輸入（信號弱）

λ1輸出（信號強）光放大器波分復(fù)用器耦合器

λ1光源監(jiān)測1.振幅：脈沖的高度在光纖系統(tǒng)中表示光功率能量。2.上升時間：脈沖從最大振幅的10%上升到90%所需要的時間。3.下降時間：脈沖從振幅的90%下降到10%所需要的時間。4.脈沖寬度：脈沖在50%振幅位置的寬度，用時間表示。5.周期：脈沖特定的時間，就是完成一個循環(huán)所需要的工作時間。6.消光比：1信號光功率與0信號光功率的比值。光纖數(shù)字通信光纖通信中常用單位的定義：

1.dB=10log10(Pout/Pin)Pout:輸出功率;Pin:輸入功率

2.dBm=10log10(P/1mw)

是通信工程中廣泛使用的單位；

通常表示以1毫瓦為參考的光功率；example:–10dBm表示光功率等于100uw。P=0.1mw3.dBu=10log10(P/1uw)

光纖數(shù)字通信射頻知識功率/電平（dBm）：放大器的輸出能力，一般單位為W、mW、dBm。dBm是取1mw作基準(zhǔn)值，以分貝表示的絕對功率電平。換算公式：

電平（dBm）=10lgmW

5W

→10lg5000

=37dBm

10W→10lg10000=40dBm

20W→10lg20000=43dBm1W→10lg?=?dBm2W→10lg?=?dBm功率單位mw和dbm的換算表功率單位mw和dbm的換算表1、dB

dB是一個表征相對值的值，純粹的比值，只表示兩個量的相對大小關(guān)系，沒有單位，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時，按下面計算公式：10log（甲功率/乙功率），如果采用兩者的電壓比計算，要用20log（甲電壓/乙電壓）。

[例]甲功率比乙功率大一倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。也就是說，甲的功率比乙的功率大3dB。反之，如果甲的功率是乙的功率的一半，則甲的功率比乙的功率小3dB。2、dBi和dBd

dBi和dBd是表示天線功率增益的量，兩者都是一個相對值，但參考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線，dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子，所以兩者略有不同。一般認(rèn)為，表示同一個增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2.15。

[例]對于一面增益為16dBd的天線，其增益折算成單位為dBi時，則為18.15dBi（一般忽略小數(shù)位，為18dBi）。

[例]0dBd=2.15dBi。

3、dBc

dBc也是一個表示功率相對值的單位，與dB的計算方法完全一樣。一般來說，dBc是相對于載波

（Carrier）功率而言，在許多情況下，用來度量與載波功率的相對值，如用來度量干擾（同頻干擾、互調(diào)干擾、交調(diào)干擾、帶外干擾等）以及耦合、雜散等的相對量值。在采用dBc的地方，原則上也可以使用dB替代。

4、dBm

dBm是一個表示功率絕對值的值（也可以認(rèn)為是以1mW功率為基準(zhǔn)的一個比值），計算公式為：10log（功率值/1mw）。

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