利用matlab模拟光纤传光.doc
利用MATLAB光纤传输原理光纤是一种传输介质，是根据光的全反射原理制造的。光纤是将信息从一端传输到另一端的媒介，是以玻璃或塑料纤维作为信息传输的媒介。光纤实际上是指由透明材料制成的纤维芯和由折射率略低于纤维芯的材料制成的包层，并通过包层界面反射将光信号传播到纤维芯中的媒体。多层介质结构的对称圆柱体一般由纤芯、包层和涂层组成。光纤有损失和色散两个主要特征。光纤各单位长度的损失或衰减(DB/KM)，与光纤通信系统传输距离长度与中继站间距的选择有关。对于数字信号传输，光纤的色散反应时延畸变或脉冲扩宽尤为重要。各单位长度脉冲宽度(NS/KM)，影响一定的传输距离和信息传输容量。二、光纤分类光纤正处于新产品不断涌现的发展时期，种类不断增多，千变万化。近年来，用于传感器的特殊光纤发展迅速。目前一般分类方法如下1。单模光纤按传输模分(1)。单模光纤芯的直径只有几厘米，只有几十微米到125微米。纤芯直径接近波长。单模光纤采用窄芯线，激光作为发光源，散射极小；此外，激光向一个方向射入光纤，只有一束，信号强，可应用于高速、长距离应用领域，成本相对较高。(2)多模光纤。多模光纤芯直径50微米，包层和涂层50微米。纤芯直径远大于波长。多模光纤广泛应用于短距离或相对速度较低的领域。LED作为光源，使用宽芯线，分散较大；此外，整个光纤中有多个角度的光，因此其信号不如单模光纤好，但相对较低的价格是其优势。2.分布式光纤可分为阶跃式光纤和渐变式光纤。阶跃式光纤芯的折射率和保护层的折射率是常数。折射率在纤芯与保护层的交界面呈阶梯式变化。随着半径的增加，渐变光纤芯的折射率在一定程度上降低，在纤芯与保护层的交界处降低为保护层的折射率。折射率的变化类似于抛物。光纤传光理论分析光是一种高频电磁波，光纤本身是一种介质波导，因此光纤传输理论非常复杂。本章仅从几何光学的角度讨论光纤中光的传光路径，使我们能够更直观、更生动地理解光纤传光理论。对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长，所以可以把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点。光波在均匀介质中的反射和折射特性沿着直线在空间中传播。当光波遇到两种不同介质的交界面时，发生反射和折射，并遵循斯奈尔定律。(1种介质的界面反射时，反射光位于入射光和法线NN在决定的平面上，反射光和入射光分离法线的两侧，反射角Θ3等于入射角Θ1,即Θ1Θ3。(2)当两种介质的界面折射时，折射光位于入射光和法线NN在决定的平面上，折射光和入射光分离法线的两侧，入射角Θ1和折射角Φ有这样的关系N1SINΘ1N2SINΘ2。单模光纤中心玻璃芯的细芯径一般为9或10ΜM，只能传递一种模式的光。所以叫单模光纤。由于单模光纤的特点，其模间色散很小，适用于远程通信，但单模光纤有材料色散和波导色散。在131ΜM单模光纤的总色为零。从光纤损耗特性来看，其低损耗窗口为131ΜM处。单模光纤中光的传播轨迹，简单来说就是以平行于光纤轴线的形式直线传播。单模光纤之所以有这样的传光轨迹，是因为只有一种模式的光波可以在单模光纤中传播，而其他模式的光波都平行于截止图中光纤轴传播的光，即基模光波的传播。五、多模梯度折射率光纤中光传输阶跃多模光纤模间色散大，脉冲宽度严重，传输带宽窄。人们设计了梯度折射率分布的光纤，以尽量减少模式的色散。为了分析梯度型多模光纤中光的传播，采用级限逼近法，根据阶跃型多模光纤的分析思路进行近似处理Γ方向连续变化的折射率分为不连续XU假设每个薄层的折射率近似均匀。MATLAB模拟传光本文采用了阶跃型单模光纤、阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤作为研究对象，应用几何光学理论分析光纤的传光路径并利用MATLAB该软件模拟了单模光纤中模拟光的传播和启动MATLAB，将程序输入到其命令窗口，得到如图所示的图形，这是单模光纤中光的传播路径。单模光纤中二模拟光的传播首先开始运行MATLAB，将程序输入到其命令窗口，将得到如图所示的图形，即单模光纤中光的传播路径。单模光纤中二模拟光的传播首先开始运行MATLAB，将程序输入其命令窗口，以获得图中所示的图形，即单模光纤中光的传输路径。从图中可以发现，光纤中的光只在纤芯轴上传播。这是因为只有基模光波才能在单模光纤中传播，其他模式的光波被截止。32模拟光在多模阶跃折射率光纤中传播阶跃折射率光纤中光的实际传播轨迹是在纤芯中心与纤芯/包层界面之间来回反射并向前传播。三种情况如下(A)光纤中光波入射角为ΘIΘMAX，ΘMAX当纤芯/包层界面全反射时，第三章第一节中光12线的临界角。从图中可以看出，此时光线进入光纤后，会在纤芯中传播。当光线到达纤芯/包层界面时，光线将不再向包层传播，而只在纤芯/包层界面向前传播。(B)光纤中光波入射角为ΘIΘMAX，从图中可以看出，光进入光纤后，当光从纤芯传播到纤芯/包层界面时，光折射到包层，并继续在包层中传播。这些折射光在包层中损失很大，每次折射都会损失一些能量。不言而喻，在这种情况下，光不能传播很远，能量很快就会被消耗掉。显然，这并不是光纤中光传输的理想情况。(C)光纤中光波入射角为ΘIΘMAXC光波进入多模阶跃光纤的入射角是光纤中光波的传播路径ΘIN2N0 TEXT28,125, 包层 TEXT28,5, 纤芯 PLOT32,0, BO ELSEIFI2PLOT05156,0412, R TEXT23,175, N0 TEXT23,125, N2 TEXT23,5, N1 TEXT28,175, N1N2N0 TEXT28,125, 包层 TEXT28,5, 纤芯 PLOT32,0, BO ELSEIFI3PLOT04048121620242832,05010101010, R TEXT23,175, N0 TEXT23,125, N2 TEXT23,5, N1 TEXT28,175, N1N2N0 TEXT28,125, 包层 TEXT28,5, 纤芯 PLOT32,0, BO ELSEIFI4X040132YSIN5/16PIXPLOTX,Y, R TEXT23,175, N0 TEXT23,125, N2 TEXT23,5, N1 TEXT28,175, N1N2N0 TEXT28,125, 包层 TEXT28,5, 纤芯 PLOT32,0, BO ENDEND单模光纤中心玻璃芯的细芯径一般为9或10ΜM，只能传递一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通信。因此，其模间色散很小，适用于远程通信。在使用计算机模拟光纤传光路径的过程中，可以发现只有一种模式（基模）的光波在单模光纤中传输，而高级模具则完全关闭。只有一条直线沿着光纤芯的中心向前传播。可见单模光纤中的光线不进入包层和涂层