第3章 1-2波动光学基础.ppt
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1、1第第2章章 波动光学基础波动光学基础 在在在在光光光光纤纤纤纤光光光光学学学学中中中中,波波波波的的的的传传传传播播播播问问问问题题题题非非非非常常常常重重重重要要要要。在在在在本本本本章章章章中中中中,将将将将介介介介绍绍绍绍有有有有关关关关波波波波传传传传播播播播中中中中一一一一些些些些重重重重要要要要的的的的基基基基础础础础理理理理论论论论。对对对对一一一一些些些些特特特特殊殊殊殊的的的的概概概概念念念念进进进进行行行行了了了了重重重重点点点点介介介介绍绍绍绍,所所所所有有有有这这这这些些些些概概概概念念念念都与光纤光学直接相关。都与光纤光学直接相关。都与光纤光学直接相关。都与光纤光学
2、直接相关。23.1 3.1 电磁波电磁波3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率 3.3 3.3 偏振偏振3.4 3.4 谐振腔谐振腔3.5 3.5 平面边界上的反射平面边界上的反射3.6 3.6 全反射临界角全反射临界角3.7 3.7 总结和讨论总结和讨论33.1 3.1 电磁波电磁波光光光光波波波波由由由由高高高高速速速速振振振振荡荡荡荡的的的的电电电电场场场场和和和和磁磁磁磁场场场场组组组组成成成成,其其其其振振振振荡荡荡荡频频频频率率率率高高高高达达达达1010101014141414HzHzHzHz量级。量级。量级。量级。概概概概念念念念:波波波波长长长长、波
3、波波波数数数数1/1/1/1/、波波波波的的的的频频频频率率率率f f f f、角角角角频频频频率率率率=2=2=2=2f f f f、传播因子传播因子传播因子传播因子k k k k电磁波的电场可以写为电磁波的电场可以写为电磁波的电场可以写为电磁波的电场可以写为V V V V是是是是波波波波的的的的相相相相速速速速度度度度,t-kzt-kzt-kzt-kz是是是是波波波波的的的的相相相相位位位位,其其其其中中中中kzkzkzkz是是是是波波波波传传传传播播播播z z z z距距距距离后产生的离后产生的离后产生的离后产生的相移相移相移相移。如如如如果果果果在在在在确确确确定定定定的的的的平平平平
4、面面面面上上上上,波波波波的的的的相相相相位位位位是是是是相相相相同同同同的的的的,这这这这样样样样的的的的波波波波是是是是平平平平面波面波面波面波。43.1 3.1 电磁波电磁波图图图图3.1 3.1 3.1 3.1 沿沿沿沿z z z z方向传播的波的电场。图中给出了三个不同方向传播的波的电场。图中给出了三个不同方向传播的波的电场。图中给出了三个不同方向传播的波的电场。图中给出了三个不同时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况时刻的电场用以解释波在传播方向的运动情况引进介质折射率引进介质折射率引进介质折射率引进
5、介质折射率n n,则波的速度可表示为,则波的速度可表示为,则波的速度可表示为,则波的速度可表示为v=c/nv=c/n,所以有,所以有,所以有,所以有自自自自由由由由空空空空间间间间的的的的传传传传播播播播常常常常数数数数用用用用k k0 0表表表表示示示示,因因因因为为为为自自自自由由由由空空空空间间间间的的的的折折折折射射射射率率率率n=1n=1,所以有所以有所以有所以有则在任何介质中的传播常数可表示为则在任何介质中的传播常数可表示为则在任何介质中的传播常数可表示为则在任何介质中的传播常数可表示为根据根据根据根据=v/f=v/f,可以导出,可以导出,可以导出,可以导出这这这这个个个个方方方方
6、程程程程式式式式将将将将介介介介质质质质中中中中的的的的传传传传播播播播常常常常数数数数与与与与介介介介质质质质中中中中的的的的波波波波长长长长联联联联系系系系起起起起来来来来。由由由由于自由空间的波长于自由空间的波长于自由空间的波长于自由空间的波长 0=c/f0=c/f,而介质中的波长,而介质中的波长,而介质中的波长,而介质中的波长=v/f=v/f,所以有,所以有,所以有,所以有6光光光光束束束束的的的的功功功功率率率率与与与与光光光光强强强强(由由由由电电电电场场场场强强强强度度度度的的的的平平平平方方方方)成成成成比比比比例例例例。强强强强度度度度与与与与辐射强度(功率密度)成比例。辐射
7、强度(功率密度)成比例。辐射强度(功率密度)成比例。辐射强度(功率密度)成比例。uu辐射强度的单位是瓦特辐射强度的单位是瓦特辐射强度的单位是瓦特辐射强度的单位是瓦特/平方米。平方米。平方米。平方米。uu在在在在波波波波动动动动学学学学中中中中也也也也用用用用光光光光强强强强来来来来描描描描述述述述波波波波的的的的总总总总功功功功率率率率,虽虽虽虽不不不不精精精精确确确确但但但但很很很很普遍。普遍。普遍。普遍。如果在传播过程中波的能量有损耗,描述方程为如果在传播过程中波的能量有损耗,描述方程为如果在传播过程中波的能量有损耗,描述方程为如果在传播过程中波的能量有损耗,描述方程为 是衰减系数。是衰减
8、系数。是衰减系数。是衰减系数。3.1 3.1 电磁波电磁波在在在在损损损损耗耗耗耗介介介介质质质质中中中中,场场场场的的的的传传传传播播播播形形形形态态态态如如如如图图图图3.23.2所所所所示示示示。图图图图中中中中的的的的虚虚虚虚线线线线是是是是因因因因子子子子exp(-exp(-z)z)的曲线的曲线的曲线的曲线。uu光光光光束束束束的的的的强强强强度度度度与与与与其其其其电电电电场场场场强强强强度度度度的的的的平平平平方方方方成成成成正正正正比比比比,所所所所以以以以光光光光束束束束的的的的功功功功率率率率按按按按exp(-2exp(-2 z)z)衰减衰减衰减衰减。uu对于传播长度对于传
9、播长度对于传播长度对于传播长度L L,输出功率与入射功率的比例是输出功率与入射功率的比例是输出功率与入射功率的比例是输出功率与入射功率的比例是exp(-2exp(-2 L)L)。uu用用用用dBdB表示的功率衰减为表示的功率衰减为表示的功率衰减为表示的功率衰减为图图图图3.2 3.2 3.2 3.2 行波的衰减行波的衰减行波的衰减行波的衰减8由由由由上上上上式式式式可可可可以以以以得得得得到到到到衰衰衰衰减减减减系系系系数数数数 与与与与用用用用dB/kmdB/km表表表表示示示示的的的的功功功功率率率率衰衰衰衰减减减减之之之之间间间间的关系,即的关系,即的关系,即的关系,即 式式式式中中中中
10、的的的的单单单单位位位位是是是是kmkmkmkm-1-1-1-1,是是是是用用用用dB/kmdB/kmdB/kmdB/km表表表表示示示示的的的的功功功功率率率率衰衰衰衰减减减减,L L L L是是是是传传传传输输输输距离距离距离距离。一一一一个个个个非非非非常常常常有有有有用用用用的的的的关关关关于于于于输输输输入入入入功功功功率率率率、输输输输出出出出功功功功率率率率及及及及传传传传输输输输损损损损耗耗耗耗之之之之间间间间的的的的关关关关系式,即系式,即系式,即系式,即比尔定律比尔定律比尔定律比尔定律3.1 3.1 电磁波电磁波9实实实实际际际际的的的的光光光光源源源源在在在在一一一一个个
11、个个特特特特定定定定的的的的波波波波长长长长范范范范围围围围内内内内发发发发光光光光。这这这这个个个个范范范范围围围围称称称称为为为为光光光光源源源源的的的的线宽线宽线宽线宽,或者,或者,或者,或者谱宽谱宽谱宽谱宽。uu光源的线宽越窄,其相干性就越好光源的线宽越窄,其相干性就越好光源的线宽越窄,其相干性就越好光源的线宽越窄,其相干性就越好。uu理理理理想想想想的的的的相相相相干干干干光光光光源源源源发发发发射射射射单单单单波波波波长长长长的的的的光光光光,其其其其线线线线宽宽宽宽为为为为0 0,是是是是理理理理想想想想单单单单色色色色的。表的。表的。表的。表3.13.1给出了常用光源的典型线宽
12、值。给出了常用光源的典型线宽值。给出了常用光源的典型线宽值。给出了常用光源的典型线宽值。uu用用用用波波波波长长长长表表表表示示示示的的的的谱谱谱谱宽宽宽宽与与与与由由由由频频频频率率率率 f f表表表表示示示示的的的的带带带带宽宽宽宽之之之之间间间间满满满满足足足足以以以以下下下下关系关系关系关系 式式式式中中中中f f是是是是中中中中心心心心频频频频率率率率,是是是是中中中中心心心心波波波波长长长长,f f是是是是发发发发光光光光的的的的频频频频率率率率范范范范围围围围。无无无无论论论论是以波长还是频率为基础,对光源辐射谱宽的相对值都相同。是以波长还是频率为基础,对光源辐射谱宽的相对值都相
13、同。是以波长还是频率为基础,对光源辐射谱宽的相对值都相同。是以波长还是频率为基础,对光源辐射谱宽的相对值都相同。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率10图图图图3.33.33.33.3给给给给出出出出了了了了典典典典型型型型LEDLEDLEDLED的的的的波波波波长长长长分分分分布布布布与与与与发发发发射射射射功功功功率率率率的的的的关关关关系系系系。一一一一个个个个信信信信号号号号的的的的波波波波长长长长或或或或频频频频率构成,称为其频谱。率构成,称为其频谱。率构成,称为其频谱。率构成,称为其频谱。uu对对对对于于于于图图图图中中中中的的的的LEDLED,其其其其
14、发发发发散散散散中中中中心心心心波波波波长长长长是是是是820nm820nm(0.820.82 mm),线线线线宽宽宽宽通通通通常常常常定定定定义义义义为为为为 半半半半 功功功功 率率率率 点点点点 的的的的 宽宽宽宽 度度度度。图图图图 中中中中 线线线线 宽宽宽宽=30nm=30nm(805nm835nm805nm835nm),带带带带宽宽宽宽比比比比为为为为30/820=0.03730/820=0.037,即,即,即,即3.7%3.7%。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率图图图图3.3 LED3.3 LED3.3 LED3.3 LED的光谱的光谱的光谱的光
15、谱11根根根根据据据据表表表表3.13.13.13.1,半半半半导导导导体体体体激激激激光光光光器器器器(LDLDLDLD)比比比比LEDLEDLEDLED具具具具有有有有更更更更好好好好的的的的相相相相干干干干性性性性。固固固固态的态的态的态的NdNdNdNd:YAGYAGYAGYAG激光器和氦氖气体激光器(激光器和氦氖气体激光器(激光器和氦氖气体激光器(激光器和氦氖气体激光器(HeNeHeNeHeNeHeNe)要更好一些。)要更好一些。)要更好一些。)要更好一些。由由由由于于于于具具具具有有有有尺尺尺尺寸寸寸寸小小小小和和和和功功功功率率率率要要要要求求求求低低低低的的的的优优优优点点点点
16、,使使使使得得得得LEDLEDLEDLED和和和和LDLDLDLD成成成成为为为为光光光光纤纤纤纤通信系统中使用最多的光源,虽然其线宽远远大于其他激光器。通信系统中使用最多的光源,虽然其线宽远远大于其他激光器。通信系统中使用最多的光源,虽然其线宽远远大于其他激光器。通信系统中使用最多的光源,虽然其线宽远远大于其他激光器。考考考考察察察察一一一一个个个个光光光光源源源源的的的的时时时时候候候候是是是是不不不不是是是是不不不不用用用用考考考考虑虑虑虑其其其其带带带带宽宽宽宽呢呢呢呢?即即即即,是是是是否否否否可可可可以以以以将将将将其其其其当当当当作作作作理理理理想想想想的的的的相相相相干干干干光
17、光光光源源源源?或或或或者者者者,是是是是否否否否真真真真的的的的需需需需要要要要考考考考虑虑虑虑其其其其相相相相干干干干性性性性不好所带来的问题。不好所带来的问题。不好所带来的问题。不好所带来的问题。我我我我们们们们将将将将探探探探究究究究光光光光源源源源的的的的谱谱谱谱宽宽宽宽对对对对光光光光纤纤纤纤通通通通信信信信系系系系统统统统的的的的信信信信息息息息容容容容量量量量有有有有什什什什么么么么限限限限制制制制,如如如如果果果果因因因因此此此此而而而而受受受受限限限限制制制制的的的的信信信信息息息息容容容容量量量量大大大大于于于于系系系系统统统统要要要要求求求求,则则则则可可可可以以以以不
18、不不不考考考考虑虑虑虑光光光光源的非相干性。源的非相干性。源的非相干性。源的非相干性。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率12色色色色散散散散:介介介介质质质质的的的的折折折折射射射射率率率率是是是是随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化的的的的,于于于于是是是是波波波波的的的的速速速速度度度度也也也也随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化,我我我我们们们们将将将将速速速速度度度度随随随随波波波波长长长长变变变变化化化化的的的的这这这这种特性称为色散。种特性称为色散。种特性称为色散。种特性称为色散。uu材材材材料料料料色色色色散散散散:如如如如果果果果速速速速度
19、度度度的的的的变变变变化化化化是是是是由由由由材材材材料料料料的的的的某某某某些些些些性性性性质引起的,则称之为材料色散。质引起的,则称之为材料色散。质引起的,则称之为材料色散。质引起的,则称之为材料色散。uu波波波波导导导导色色色色散散散散:对对对对于于于于光光光光纤纤纤纤和和和和其其其其他他他他波波波波导导导导,色色色色散散散散也也也也可可可可能能能能由自身的结构引起,这种情形称为波导色散。由自身的结构引起,这种情形称为波导色散。由自身的结构引起,这种情形称为波导色散。由自身的结构引起,这种情形称为波导色散。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2
20、.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变133.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.4 3.4 3.4 3.4 在色散材料中传播时产在色散材料中传播时产在色散材料中传播时产在色散材料中传播时产生的脉冲展宽。全脉冲由波长生的脉冲展宽。全脉冲由波长生的脉冲展宽。全脉冲由波长生的脉冲展宽。全脉冲由波长1 1 1 1、2 2 2 2、3 3 3 3的三个子脉冲构的三个子脉冲构的三个子脉冲构的三个子脉冲构成,波长不同的脉冲以不同的成,波长不同的脉冲以不同的成,波长不同的脉冲以不同的成,波长不同的脉冲以不同的
21、速度传播速度传播速度传播速度传播脉脉脉脉冲冲冲冲传传传传输输输输得得得得越越越越远远远远,其其其其展宽就越严重。展宽就越严重。展宽就越严重。展宽就越严重。14色色色色散散散散同同同同样样样样会会会会使使使使模模模模拟拟拟拟信信信信号号号号产产产产生生生生失失失失真真真真。如如如如图图图图3.53.53.53.5,在在在在输输输输入入入入端端端端,三三三三个个个个波波波波长长长长在在在在相相相相位位位位上上上上变变变变化化化化相相相相同同同同,叠叠叠叠加加加加在在在在一一一一起起起起产产产产生生生生一一一一个个个个更更更更大大大大的的的的信号变化。信号变化。信号变化。信号变化。在在在在色色色色散
22、散散散介介介介质质质质中中中中传传传传播播播播一一一一段段段段距距距距离离离离后后后后,这这这这些些些些不不不不同同同同波波波波长长长长的的的的信信信信号号号号相相相相位位位位不不不不再再再再相相相相同同同同。当当当当叠叠叠叠加加加加在在在在一一一一起起起起时时时时,所所所所形形形形成成成成信信信信号号号号的的的的幅幅幅幅度度度度变变变变得得得得低于输入信号的幅度低于输入信号的幅度低于输入信号的幅度低于输入信号的幅度。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.5 3.5 3.5 3.5 色散导致模拟信
23、号色散导致模拟信号色散导致模拟信号色散导致模拟信号的幅度衰减的幅度衰减的幅度衰减的幅度衰减15色色色色散散散散没没没没有有有有改改改改变变变变平平平平均均均均功功功功率率率率或或或或调调调调制制制制频频频频率率率率,但但但但减减减减小小小小了了了了信信信信号号号号的的的的幅幅幅幅度度度度变变变变化化化化。传传传传输输输输的的的的信信信信息息息息就就就就包包包包含含含含在在在在信信信信号号号号的的的的变变变变化化化化之之之之中中中中,这这这这种种种种幅幅幅幅度衰减很烦忧。度衰减很烦忧。度衰减很烦忧。度衰减很烦忧。可可可可以以以以将将将将这这这这种种种种结结结结果果果果看看看看做做做做是是是是信信
24、信信号号号号峰峰峰峰值值值值的的的的扩扩扩扩展展展展(降降降降低低低低其其其其幅幅幅幅度度度度)和和和和波波波波谷谷谷谷的的的的填填填填充充充充(抬抬抬抬高高高高其其其其幅幅幅幅度度度度)。过过过过度度度度的的的的展展展展宽宽宽宽将将将将造造造造成成成成信信信信号号号号变变变变化化化化的损耗的损耗的损耗的损耗。3.2 3.2 色散、脉冲畸变和信息速率色散、脉冲畸变和信息速率3.2.1 3.2.1 材料色散和脉冲畸变材料色散和脉冲畸变图图图图3.5 3.5 3.5 3.5 色散导致模拟信号色散导致模拟信号色散导致模拟信号色散导致模拟信号的幅度衰减的幅度衰减的幅度衰减的幅度衰减16由由由由材材材材
25、料料料料色色色色散散散散(或或或或波波波波导导导导色色色色散散散散)引引引引起起起起的的的的信信信信号号号号畸畸畸畸变变变变可可可可通通通通过过过过使使使使用用用用窄线宽光源来降低,即使用窄线宽光源来降低,即使用窄线宽光源来降低,即使用窄线宽光源来降低,即使用相干性相干性相干性相干性更好的发光器件。更好的发光器件。更好的发光器件。更好的发光器件。原原原原则则则则上上上上,可可可可以以以以通通通通过过过过在在在在发发发发射射射射机机机机或或或或接接接接收收收收机机机机端端端端对对对对光光光光束束束束进进进进行行行行滤滤滤滤波波波波来减小色散畸变。但这种技术有两个缺点:来减小色散畸变。但这种技术有
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