由于漸變型單模光纖要通過等效近似的方法,將它等效為階躍單模光纖去分析,因此,討論單模傳輸?shù)奶匦詴r(shí),主要針對(duì)階躍單模光纖而言。
單模光纖不同于多模光纖的特殊問題,主要是單模光纖的單模工作條件及單模光纖的極化問題,這就是本節(jié)主要討論的內(nèi)容。
1.單模傳輸?shù)臈l件
單模光纖是在給定的工作波長(zhǎng)上,只傳輸單一基膜的光纖,在階躍單模光纖中,只傳輸lp01模。
從2.2節(jié)的討論中得知,lp01模的歸一化截止頻率為vc=0,無截止現(xiàn)象,因此,光纖的單模工作范圍就決定于第一高次模lp11的截止特性。
從表2-1中可查出,lp11模的歸一化截止頻率為
而模式的傳輸條件:v>vc時(shí)可傳;v≤vc時(shí)截止。因此,要保證光纖中只傳輸lp01一個(gè)模式,則必須要求
即
這就是階躍單模光纖的單模傳輸條件。
2. 單模光纖的場(chǎng)方程和特征方程(自學(xué))
3.單模光纖的特征參數(shù)
單模光纖的主要特性參數(shù)有:衰減、色散、截止波長(zhǎng)、模場(chǎng)直徑、折射率分布等,其中色散將在本章2.5節(jié)介紹,這里主要介紹兩個(gè)參數(shù):衰減系數(shù)α和截止波長(zhǎng)λc。
(1)衰減系數(shù)α
在設(shè)計(jì)光纖通信系統(tǒng)時(shí),一個(gè)重要的考慮是沿光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)的衰減,它是線路上決定中繼距離長(zhǎng)短的主要因素。
衰減量的大小通常用衰減系數(shù)α來表示,單位是db/km。衰減系數(shù)α的定義為
其中,l——光纖長(zhǎng)度;
pi——光纖輸入的光功率;
p0——光纖輸出的光功率。
(2)截止波長(zhǎng)λc
從前面分析可知,光纖的單模傳輸條件是由第一高次模lp11的截止頻率給出的。歸一化截止頻率為
對(duì)應(yīng)著歸一化截止頻率的波長(zhǎng)為截止波長(zhǎng),用λc表示,它是保證單模傳輸?shù)谋匾獥l件。當(dāng)λ<λc(lp01)時(shí),lp01??稍诠饫w中傳輸。
由式(2-70),得出截止波長(zhǎng)表示式為
由于lp11模的歸一化截止頻率,因此
當(dāng)λ>λc(lp11)時(shí),lp11模截止,則此時(shí)光纖中只傳輸lp01模。
(3)模場(chǎng)直徑d
從理論上講,單模光纖只有基膜(lp01)傳輸,基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面上的分布與光纖的結(jié)構(gòu)有關(guān),而模場(chǎng)直徑就是衡量光纖橫截面上一定場(chǎng)強(qiáng)范圍的物理量。
對(duì)于均勻單模光纖,基模場(chǎng)強(qiáng)在光纖橫截面上的場(chǎng)強(qiáng)分布近似為高斯型分布,通常,在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到,光纖截面上軸芯處的場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng),因此把沿纖芯直徑方向上,相對(duì)該場(chǎng)強(qiáng)最大點(diǎn)功率下降了1/e的兩點(diǎn)之間的距離,稱為單模光纖的模場(chǎng)直徑,用d表示。如圖所示。