光通信系統(tǒng)設(shè)計概述

光通信系統(tǒng)設(shè)計概述內(nèi)容要求1.2光波基礎(chǔ)1.3光與介質(zhì)的相互作用1.4平面介質(zhì)波導(dǎo)1.2.2均勻介質(zhì)中的光波1.平面電磁波光是一種電磁波，它的電場和磁場隨時間不斷的變化，分別用Ex和Hy表示

，在空間沿著z方向總是相互正交傳輸，如圖1.2.4所示。最簡單的行波是正弦波，沿z方向傳輸?shù)臄?shù)學(xué)表達(dá)式為 （1.2.5）電磁波是行波平面波的波前

是與傳播方向正交的平面

相速度和介質(zhì)折射率例1.2.2相速度、群折射率和群速度

1.3.1斯奈爾定律和全反射從幾何光學(xué)我們可以得到（見圖1.3.1左上角小圖） 或者 這就是斯奈爾（Snell）定律，它表示入射角和折射角與介質(zhì)折射率的關(guān)系。圖1.3.2光波從折射率較大的介質(zhì)以三種不同的入射角進(jìn)入折射率較小的介質(zhì),出現(xiàn)三種不同的情況圖1.3.3光波從折射率較大的介質(zhì)進(jìn)入較小的介質(zhì),電場與傳輸方向正交,

并可分解為與入射面垂直的電場分量和平行的磁場分量菲涅耳方程利用電磁波從介質(zhì)1傳播到介質(zhì)2的邊界條件，可以易獲得反射波和折射波幅度的表達(dá)式，這些關(guān)系式叫菲涅耳方程。電場的反射這些方程的重要意義在于，反射波和透射波的幅度和相位可用反射系數(shù)和透射系數(shù)來描述

圖1.3.4在內(nèi)反射（n1>n2)時由菲涅耳方程得出的反射系數(shù)幅度和相位變化與入射角的關(guān)系圖1.3.5在外反射（n1<n2)時由菲涅耳方程得出的反射系數(shù)幅度與入射角的關(guān)系2.光強(qiáng)、反射率和透射率光強(qiáng)I與光波傳輸?shù)乃俣群碗妶龇扔嘘P(guān)

反射率R用反射光的強(qiáng)度和相對應(yīng)入射光的強(qiáng)度之比來度量，法線入射的反射率只與介質(zhì)的折射率有關(guān)因為玻璃的折射率約為1.5，所以光從空氣-玻璃界面反射將有4%的光被反射回來。例1.3.1

1.3.3光多次干涉和諧振與電諧振一樣，光也有諧振，在諧振時也可以在一定的頻率（波長）范圍內(nèi)存儲能量和濾光?；镜闹C振腔由置于自由空間的兩塊平行的鏡面M1和M2組成，如圖1.3.8（a）所示。光波在M1和M2間反射，導(dǎo)致這些波在空腔內(nèi)相長和相消干涉。從M1反射的光向右傳輸時和從M2反射的向左傳輸?shù)墓飧缮妫浣Y(jié)果是在空腔內(nèi)產(chǎn)生了一列穩(wěn)定不變的電磁波，我們稱它為駐波(StationaryWaves)。因為在鏡面上（假如鍍金屬膜）的電場必須為零，所以諧振腔的長度是半波長的整數(shù)倍圖1.3.8法布里

珀羅(F-P)諧振腔及其特性不是任意一個波長都能在諧振腔內(nèi)形成駐波，對于給定的m，只有滿足式（1.3.19）的波長才能形成駐波，并記為

m，稱為腔模式，如圖1.3.8（b）所示。自由頻譜范圍（FSR）所以對應(yīng)這些模式的頻率是諧振腔的諧振頻率式中

f是對應(yīng)基模（m=1）的頻率，在所有模式中它的頻率最低。兩個相鄰模式的頻率間隔是稱為自由頻譜范圍（FSR）。法布里-珀羅（F-P）光學(xué)諧振器假如諧振腔沒有損耗，即兩個鏡面對光全反射，那么式（1.3.21）定義的頻率的峰值將很尖銳。如果鏡面對光不是全反射，一些光將從諧振腔輻射出去，峰值就不尖銳，而具有一定的寬度。很顯然，這種簡單的鍍有反射鏡面的光學(xué)諧振腔只有在特定的頻率內(nèi)能夠儲存能量，這種諧振腔就叫做法布里-珀羅（Fabry-Perot）光學(xué)諧振器。F-P諧振腔的精細(xì)度

鏡面反射系數(shù)R越小意味著諧振腔有越大的輻射損耗，從而影響到腔體內(nèi)電場強(qiáng)度的分布。由式（1.3.21）可知，R越小峰值展寬越大，而且電場強(qiáng)度最大值和最小值的差也越小，如圖1.3.8（c）所示。該圖也定義了法布里

珀羅諧振腔的頻譜寬度，它是單個腔模式曲線半最大值的全寬（FWHM），可用下面的簡單表達(dá)式計算式中

F

稱為諧振腔的精細(xì)度，它隨諧振腔損耗的減小而增加（因R增加）。精細(xì)度越大，模式峰值越尖銳。精細(xì)度是模間隔對頻譜寬度的比.

圖1.3.9入射光通過由部分反射鏡組成的法布里

珀羅諧振腔，其透射光可作為濾波器的輸出法布里-珀羅光學(xué)諧振腔已廣泛應(yīng)用到激光器、干涉濾波器和分光鏡中。

例1.3.21.4平面介質(zhì)波導(dǎo)圖1.4.1在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓獠ū仨毰c它自己相長干涉,否則相消干涉就不會建立起傳輸光場滿足波導(dǎo)相長干涉的波導(dǎo)條件式很顯然，對于給定的m，只有一定的

和

值才能滿足式（1.4.1），

與

有關(guān)，也與光波的偏振態(tài)有關(guān)。因此對于每個m值，將允許有一個

m和一個相對應(yīng)的

m。因，d=2a，所以滿足波導(dǎo)相長干涉的波導(dǎo)條件式（1.4.1）變成（1.4.2）：波矢量分解圖1.4.2m=0基模沿波導(dǎo)y方向的電場分布，通常入射角

=90o，沿z軸的相速度最大圖1.4.3三種模式的波沿波導(dǎo)y方向的電場分布，

m越大光場進(jìn)入包層越深，消逝波以指數(shù)衰減圖1.4.4光脈沖進(jìn)入波導(dǎo)后分裂成各種模式的波，以不同的群速度向前傳輸，在波導(dǎo)輸出端重新復(fù)合構(gòu)成展寬的輸出光脈沖傳輸常數(shù)，模數(shù)m

由式（1.4.2）顯然可見，只有一定反射角的光線才能在波導(dǎo)內(nèi)傳輸。而且大的m值產(chǎn)生小的

m角。每個不同的m值將產(chǎn)生不同的由式（1.4.3）決定的傳輸常數(shù)

。m值稱為模數(shù)。沿波導(dǎo)傳輸?shù)墓獠捎孟率絹砻枋? （1.4.5）對于給定的m

，電場在沿z傳輸?shù)倪^程中沿y的分布，如圖1.4.2所示。圖1.4.3表示三種模式的波沿波導(dǎo)y方向的電場分布，m越大光場進(jìn)入包層越深，在包層靠近界面的消逝波以指數(shù)形式沿y