光纖技術及應用教材：光纖技術及應用石順祥華中科技大學出版社第1頁第1章光傳輸基本理論1.1麥克斯韋方程組和波動方程1.1.1麥克斯韋方程組和邊界條件1麥克斯韋方程物構方程各項同性介質第2頁它們實質上是邊界上場方程，是Maxwell方程組在介質交界面上詳細化。2邊界條件第3頁1.1.1波動方程由麥克斯韋方程，推導出再依據矢量公式，推導出第4頁前面是矢量方程，每個分量都滿足以下標量方程能流密度說明：非均勻介質中，只要滿足下式，則可用上面波動方程第5頁1.2平面光涉及在介質面上反射、折射1.2.1均勻平面光波1亥娒霍玆方程以一定頻率作正弦振蕩波稱為時諧電磁波(單色波)

平面波電、磁場滿足以下關系K為常矢量第6頁對應波動方程-亥娒霍玆方程各分量足以下標量方程2均勻平面光波振幅為常量，與空間位置無關第7頁E和H關系由麥克斯韋方程有又由矢量公式得到對比前面，得同理EHK三者正交，組成右手關系第8頁波阻抗第9頁1.2.1平面光波在介質界面上反射折射1.反射與折射定律入射，反射、折射分別為邊界條件相位：振幅：第10頁依據振幅關系，得出即反射折射定律在各向同性介質中第11頁1.2.1平面光波在介質界面上反射折射1.平面光波全反射光密介質到光疏介質，超出臨界角后發(fā)生全反射沿x方向衰減----倏逝波第12頁介質內光場則為且或第13頁1.3程函方程與光線方程1.局部平面波細光束在局部范圍內可看作平面波是光程2.程函方程將前式帶入麥克斯韋方程，得第14頁化簡得到：對比前面平面波關系得到也就有注：有更嚴格求解程函方程方法，但上述方面也能夠直觀得到正確結果程函方程第15頁3.光線方程程函方程是光程與位矢關系，現在要找光纖軌跡坐標與位矢關系p點切向單位矢量注意：光程S大寫，軌跡坐標s小寫p0:曲線坐標原點

也是波矢方向，即波陣面或光程梯度由以上兩式得第16頁對程函方程求導將代入上式，得利用關系：得即光線方程第17頁2.1理想平板波導射線光學理論第二章平板介質波導2.1.1均勻平面波在平面波導中傳輸1.平板波導中導模和輻射模臨界角第18頁邊界連續(xù)性要求，處處相等因為，所以，上下包層光場向外衰減第19頁下界面是部分反射，有以下關系上、下界面都是部分反射，有以下關系在包層向外衰減，在襯底中向外輻射在包層和襯底中都向外輻射（2.1）（2.1）第20頁第21頁從波陣面ABCD，要求全部光線之間位相延遲差都是2整數倍干涉相長所以要求(BC=s1,AED=s2)第22頁依據關系上式改寫為圖中有幾何關系s2-s1=2acosi

橫向衰減系數得到位相關系第23頁m值取整數，對應入射角只能取離散值本征方程討論對給定波導和工作波長，不一樣m值對應不一樣橫向傳輸常數k1x

，深入可確定、p、q，完全確定波傳輸特征

m一定，第24頁第25頁第26頁第27頁代入方程可得第28頁得到所以與射線光學理論得到相同結果第29頁第30頁第31頁p值變?yōu)樨摂担瑒t場在襯底向外不衰減---襯底輻射模截止條件：p≤0值與射線光學理論得到相同結果第32頁p值變?yōu)樨摂担瑒t場在襯底向外不衰減---襯底輻射模截止條件：p≤0值與射線光學理論得到相同結果第33頁，模式正交可寫為歸一化TE、TM模式正交第34頁第35頁2.4.1耦合模理論介電常數改變可看作理想波導微擾假設理想波導簡正模已知任意光場可表示為存在微擾時，光場仍能夠展開將上式代入波動方程第36頁——耦合模理論基本方程第37頁第38頁耦合條件只能實現相同偏振模式間耦合對Ak有貢獻項是：在z>>距離內沒有顯著改變，使對z積分平均值不為零。要求條件第39頁第40頁第41頁假如有第42頁逆向耦合例子第43頁Δ：結構參數～0.3%~0.6%單模光纖；

1%~2%多模光纖。第44頁Multimodestep-indexfiberSingle-modestep-indexfiberMulti-modegraded-indexfiberMaterial:SiO2,n1~{1.44,1.46}第45頁子午光線MeridionalRays斜光線SkewedRays第46頁波矢分量第47頁焦散面以內衰減，以外振蕩Kr=0第48頁穩(wěn)定傳輸—位相自洽

A沿著圓弧抵達B，

A經O反射抵達B,位相差=2m光在橫截面內傳輸第49頁（子午光線）（單位長度）第50頁數值孔徑NA=(sinc)max第51頁第52頁軌跡平方律光纖光線軌跡和延遲差光線為何延遲差小于階躍光纖？第53頁

第54頁第55頁K為實數K為虛數第56頁當v=0時，橫模。Ez,Er,H≠0，Hz=Hr=0，E=0，TM0。2.Hz,Hr,E≠0,Ez=Er=0，H=0，TE0

。當v≠0時，電磁場六個分量都存在，—混合模(波)。1.Ez<Hz，記為HEv;2.Hz<Ez，記為EHv

。下標v和都是整數。第57頁包層中：——截止第一個根為0第58頁——基模第59頁第60頁TIR-PCFPBG-PCF第61頁第62頁第63頁例：0.2dB/km，一公里傳輸下降為0.955第64頁第65頁振動基頻和玻璃分子振動基頻相互作用水分子通信窗口：0.85m、1.31m、1.55m第66頁瑞利散射d<<米氏散射非線性散射瑞利散射和本征吸收組成光纖損耗極限第67頁(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖第68頁普通定義第69頁群延時（單位長度傳輸時間）色散參量第70頁表示為波長群延時展寬第71頁由群延時展寬公式（4.2-13）選擇適當參數有可能使二者抵消第72頁第73頁將展開略去高階項第74頁仍為高斯脈沖脈沖展寬，功率降低高斯脈沖：傳輸后信號例：輸入信號輸出為第75頁普通光纖：色散小波優(yōu)點損耗大，損耗小波優(yōu)點色散大1.55m處材料色散和波導色散抵消不利于波分復用0.3~0.6dB0.2dB,20ps/(nm.km)第76頁原因第77頁第78頁第79頁其它：第80頁光從1入，3、4出，不希望2有輸出例：2×2耦合器第81頁缺點第82頁(分路合路器)第83頁熔拉雙錐式第84頁當X偏振光完全進入一根y偏振光完全進入另一根第85頁第86頁第87頁第88頁例子第89頁法拉第磁光效應——非互易旋光性功效:實現光單向傳輸。用途：置于激光器或光放大器后，防止反射光返回到該器件致使器件性能變壞。主要參數：

i)插入損耗對正向入射光，其值越小越好;1dB

ii)隔離度對反向反射光，其值越大越好，40~50dB第90頁第91頁第92頁空間分離偏振器SWP為雙折射晶體，將光分解為兩個偏振垂直分量；半波片作用是將光偏振態(tài)旋轉45°。集成LD光纖隔離器第93頁（，布拉格衍射）第94頁>>，假如兩模式相同單模光纖，反射式，是同種模式耦合

透射式，同向傳輸，不一樣模式，只能是纖芯模與包層模耦合第95頁掩膜板：相位光柵，抑制零級，增強正負一級原理：正負一級干涉優(yōu)點：缺點：一個相位模板只對應一個布拉格波長，昂貴光柵制作第96頁無外加電場：偏振面旋轉90度，合成，從光纖4輸出；有外加電場：偏振面不發(fā)生改變，合成，從光纖3輸出；光開關第97頁第98頁1.晶體型2.非線性光學效應型3.摻雜型類型優(yōu)點第99頁基本概念第100頁光放大存放粒子泵浦抽運第101頁第102頁第103頁第104頁形成駐波基本條件：組成：原理：泵浦粒子數反轉受激輻射第105頁衡過程第106頁要求：M1透泵浦，高反激光；M2部分反激光，全反泵浦很多問題：間隙，離軸，傾斜，畸變….第107頁（略）980nm1550nm4I154I114I13第108頁1光纖通信系統基本組成2光纖通信原理基礎3光纖通信系統光源和調制特征4光纖通信系統中光放大和光放大器5光檢測原理和光檢測器6光纖通信系統復用技術7相干光纖通信系統第109頁發(fā)送機信道接收機第110頁將電信號轉化為適當傳輸形態(tài)，并加載到載波上模擬調制格式載波源信道耦合器放大第111頁模擬信號：放大、濾波數字信號：放大、濾波、門限判決，還（）器件：任何一個比特時間內判斷是0、1第112頁模擬光纖通信系統中不一樣參考點處信號受信者為人：聲音，可視圖像受信者為其它設備：電形態(tài)信號第113頁原始非電信號原始電信號(基帶信號)調制信道解調7.2.1連續(xù)信息——模擬信息離散信息——數字信息通信——信息與傳遞信號要建立一一對應關系特點：能夠經過編碼來實現差錯控制；能夠加密；通信要求兩端節(jié)拍一致，編碼一致優(yōu)點：1抗干擾力強，2誤碼可控，3計算機技術直接易于處理，

4保密性好，5適用性廣代價：比模擬信號占據更大帶寬第114頁為何要載波發(fā)射

1)天線要將低頻信號有效地輻射出去，它尺寸就必須很大。比如，頻率為1KHz電磁波，其波長為300km。假如采取1／4波長天線，則天線長度應為75Km。這是難于辦到。

2)為了使發(fā)射與接收效率高，在發(fā)射機與接收機方面都必須采取天線友好振回路。但語言、音樂、圖像信號等頻率改變范圍很大，所以天線友好振回路參數應該在很寬范圍內改變。這又是難于做到

3)假如直接發(fā)射音頻信號，則發(fā)射機將工作于同一頻率范圍。這么，接收機將同時收到許多不一樣電臺節(jié)目，無法加以選擇。

為了克服以上困難，必須利用高頻振蕩，將低頻信號“附加”在高頻振蕩上。這么，就使天線輻射效率提升，尺寸縮小；同時，每個電臺都工作于不一樣載波頻率，接收機能夠調諧選擇不一樣電臺。這就解除了上述種種困難。第115頁

或者說信息量是指從N個相等可能事件中選出一個事件所需要信息度量或含量，也就是在辯識N個事件中特定一個事件過程中所需要提問"是或否"最少次數.

在信息論中，認為信源輸出消息是隨機。即在未收到消息之前，是不能必定信源到底發(fā)送什么樣消息。而通信目標也就是要使接收者在接收到消息后，盡可能多解除接收者對信源所存在疑義（不定度），所以這個被解除不定度就是在通信中所要傳送信息量。

消息是信息載體，信息是消息中對通信者有意義那部分內容第116頁

香農（C.E.Shannon）信息論應用概率來描述不確定性。信息是用不確定性量度定義.一個消息可能性愈小，其信息愈多；而消息可能性愈大，則其信息愈少.事件出現概率小，不確定性越多，信息量就大，反之則少。信息量第117頁第118頁例題：p142第119頁這是理論上無差錯傳輸極限，實際通信總有一定差錯幾率第120頁作用：第121頁調制后基帶信號仍包含基帶信號頻譜，只是平移第122頁上邊帶下邊帶第123頁第124頁瞬時角頻率第125頁第126頁第127頁(a)本征半導體；(b)N型半導體；(c)P型半導體

半導體中因為原子間相互作用，電子所處能級擴展成能級連續(xù)分布能帶。能量低稱為價帶，高稱為導帶，導帶底能量Ec和價帶頂能量Ev之間能量差Eg=Ec-Ev稱為禁帶寬度或帶隙。電子不可能占據禁帶。半導體能帶和電子分布第128頁在PN結界面上，載流子發(fā)生擴散運動，形成內部電場，妨礙漂移運動，最終到達平衡，使P區(qū)和N區(qū)Ef相同，結果能帶發(fā)生傾斜。PN結能帶和電子分布第129頁PN結能帶和電子分布（加壓）

在PN結上施加正向電壓，減弱內部電場，能帶傾斜減小，擴散增強。最終在PN結形成一個特殊增益區(qū)。增益區(qū)導帶主要是電子，價帶主要是空穴，結果取得粒子數反轉分布。在電子和空穴擴散過程中，導帶電子能夠躍遷到價帶和空穴復合，產生自發(fā)輻射光。第130頁同質結：由同種材料（摻雜不一樣）形成PN結異質結：由不一樣材料形成PN結第131頁雙異質結構折射率電子能量有源區(qū)注入電子電子勢壘電子-空穴復合注入空穴空穴勢壘波導區(qū)異質結：為提升輻射功率，需要對載流子和輻射光產生有效約束1.不連續(xù)帶隙結構2.折射率不連續(xù)分布－－－++經典GaAlAs雙異質結LED剖面圖第132頁

轉化效率d小于10%。I較小時，P-I線性很好；I過大時，因為PN結發(fā)燒產生飽和現象，使P-I曲線斜率減小。LED工作電流為50~100mA，輸出光功率為~mW第133頁數字調制模擬調制第134頁與LED相同，兩個區(qū)分：縱向兩端是晶體解理面，形成諧振腔；有源層光場在橫向和側向都受到限制。第135頁光功率特征I<Ith時是自發(fā)輻射,無激光輸出；I>Ith時是受激輻射光，光功率隨驅動電流增加而增加。第136頁第137頁第138頁工作在1550nm工作帶寬大于30nm，可放大多個波分復用信道大多采取雙向泵浦第139頁原理：受激拉曼散射分子吸收泵浦光激發(fā)態(tài)信號光誘導受激輻射實現光放大，同時發(fā)射聲子。不需要粒子數反轉被放大光頻率=泵浦頻率-介質共振頻率，即s=p-r所以可用不一樣泵浦源來放大任何波長光信號第140頁、PIN、APD金屬表面附近自由電子逸出半導體中光生自由電子-空穴對第141頁

當光照射到光電二極管光敏面上時，能量大于或等于帶隙能量Eg光子將激勵價帶上電子吸收光子能量而躍遷到導帶上，能夠產生自由電子-空穴對（即光生載流子）。電子-空穴對在反向偏置外電場作用下馬上分開并在結區(qū)中向兩端流動，從而在外電路中形成電流（光電流）。第142頁

施加反向偏壓，目標是增加耗盡層寬度，縮小耗盡層兩側中性區(qū)寬度，從而減小光生電流中擴散分量。因為載流子擴散運動比漂移運動慢得多，所以減小擴散分量百分比便可顯著提升響應速度。因為PN結耗盡層只有幾微米，大部分入射光被中性區(qū)吸收，因而光電轉換效率低，響應速度慢。光電效應反向偏壓第143頁I層是N型本征半導體，用P表示，兩側是高摻雜P型和N型半導體。I層電阻大，電壓主要降在I層上，其內部電場很強。I層很厚，入射光主要在此區(qū)被吸收而產生大量電子-空穴對，大幅提升了光電轉換效率。兩側P+層和N+層很薄，I層很厚，因而光生電流中漂移分量占支配地位，大大提升了響應速度。且可經過控制耗盡層寬度w，來改變響應速度。第144頁經典值影響原因：第145頁

用每路(模擬電視)基帶信號，分別對指定射頻(RF)電信號進行調幅(AM)或調頻(FM)，然后把這些預調RF信號組合成多路寬帶信號，再用這種寬帶信號對發(fā)射機光源進行光強調制。

因為傳統意義上載波是光載波，為區(qū)分起見，把受模擬基帶信號預調制RF電載波稱為副載波，這種復用方式也稱為副載波復用(SCM)。(1)