7148

Основное уравнение передачи по световоду

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основное уравнение передачи по световоду. Рассмотрим волоконный световод без потерь двухслойной конструкции, приведенный на рис...

Русский

2013-01-17

81 KB

8 чел.

Основное уравнение передачи по световоду.

Рассмотрим волоконный световод без потерь двухслойной конструкции, приведенный на рис. 1

  

                                             b

                       n2  n1          a

                           Рис. 1

Для описания поведения электромагнитного поля в сердечнике (0<r<a) и в оболочке (a<r<b) необходимо использовать различные функции. Исходя из физической сущности процессов, функции внутри сердечника при r=0 должны быть конечными, а в оболочке описывать спадающее поле.

Для определения основных параметров световодов (критической частоты, волнового числа , скорости передачи и др.) воспользуемся основными уравнениями электродинамики - уравнениями Максвелла, которые для диэлектрических волноводов имеют вид:

                                        (1)

Уравнения Максвелла справедливы для любой системы координат. Для направляющих систем эти уравнения наиболее часто применяются в цилиндрической системе координат, ось Z которой совместим с оптической осью световода:

                  (2)

Для решения инженерных задач электродинамики необходимо знать продольные составляющие полей Еz и Hz.  Их можно получить следующим образом. Преобразуем первое из уравнений Максвелла (1) к виду

.

Тогда, используя соотношение  , а также учитывая, что divH=0, получим

,

где - волновое число световода.

Поступая аналогично со вторым уравнением Максвелла (2), получим   .

Отсюда следует, что продольные электромагнитные составляющие векторов Ez и Hz удовлетворяют уравнениям

Где  -  оператор Лапласа.

,

Тогда для продольных составляющих Ez и Hz в цилиндричееской системе координат получим дифференциальные уравнения второго порядка:

            (3)

Допустим, что напряженность электромагнитного поля в направлении оси Z меняется по экспоненциальному закону, т.е. , где А - любая составляющая векторов Е или Н; j- коэффициент распространения. Тогда первая и вторая производные определятся

.

Для составляющей Еz

.  

Подставляя полученное значениe в уравнения (3), получим

Введем обозначение  - поперечное волновое число световода.  Тогда для сердечника световода имеем

          (4)

где  (без учета затухания) - поперечное волновое число сердечника; k1 - волновое число сердечника с коэффициентом преломления n1,  .

Решение уравнений (4) для сердечника следует выразить через цилиндрические функции первого рода - функции Бесселя, имеющие конечные значения при r=0. Поэтому можно написать

                 (5)

где Аn и Вn - постоянные интегрирования.

Воспользовавшись уравнениями (2), рассмотрим связь между поперечными и продольными компонентами поля. В частности, для составляющей Еr имеем

 

Возьмем производную от второго выражения по

Учитывая, что , а  , то

Тогда

   или  

Подставим данное выражение в уравнение для Еr

 или

.

Окончательно получим       .

Аналогично можно установить связь между продольными и другими поперечными компонентами поля

Воспользовавшись уравнениями (5) возьмем соответствующие производные

Тогда выражения для поперечных составляющих электрического и магнитного полей в сердечнике световода, полагая, что , имеют вид (множитель не пишем):

      (6)

Для оболочки имеем аналогичную систему уравнений:

где  (без учета затухания) - поперечное волновое число оболочки световода; k2 - волновое число оболочки с коэффициентом преломления n2, .

Для решения данных уравнений, исходя из условия, что при  поле должно стремиться к нулю, следует использовать цилиндрические функции третьего рода - функции Ганкеля:

где Сn , Dn - постоянные интегрирования.

Тогда для поперечных составляющих поля в оболочке можно написать следующие выражения:

     (7)

Постоянные интегрирования Аn, Вn, Сn, Dn могут быть определены на основании граничных условий. Используем условия равенства тангенциальных составляющих напряженностей электрических и магнитных полей на поверхности раздела сердечник-оболочка (при r=а):

               

               

Найдя постоянные интегрирования и подставив их в уравнения, после соответствующих преобразований получим следующее трансцендентное уравнение:

 (8)

Полученные уравнения дают возможность определить неизвестные постоянные и найти структуру поля в сердечнике и оболочке волоконного световода. В общем случае уравнения имеют ряд решений, каждому из которых соответствует определенная структура поля, называемая типом волны или модой.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

71652. Статистика научно-технического прогресса 40 KB
  Этапы и направления научно-технического прогресса Основные этапы научно-технического прогресса характеризуют такие направления как: Разработка новой техники выпуск первой промышленной серии. Освоение производства и выпуска новой техники характеризующееся показателем обновления...
71653. Статистика продукции промышленности 45 KB
  Это означает что продукция непромышленного производства например продукция подсобного сельского хозяйства капитального строительства столовых а также работы по капитальному и текущему ремонту зданий и сооружений включаются в объем продукции других отраслей материального производства.
71654. Статистика основного капитала 241.5 KB
  Для целей настоящего Положения при принятии к бухгалтерскому учету активов в качестве основных средств необходимо единовременное выполнение следующих условий: а использование в производстве продукции при выполнении работ или оказании услуг либо для управленческих нужд организации...
71655. Статистика оборотных фондов 168 KB
  Понятие и состав оборотных фондов как части национального богатства Оборотные фонды важная часть национального богатства страны ею наиболее мобильный постоянно возобновляемый элемент. Они являются материальной частью оборотных средств производителен в состав которых входят...
71656. Статистика труда. Трудовые ресурсы 140 KB
  Оценка величины трудовых ресурсов по данным о списочном числе работающих не отражает фактического их использования, т.к. базируется на определении среднесписочного состава относительно календарного времени, который не учитывает фактическое использование рабочего времени.
71657. Статистика производительности труда 83.5 KB
  Производительность труда как экономическая категория. Увеличить объем продукции можно как путем увеличения затрат труда так и путем повышения интенсивности труда. Но увеличение затрат труда имеет жесткие границы: численность населения оборудования ограничение времени повышение...
71658. Статистика заработной платы 90 KB
  Каждый работающий по найму работник предприятия фирмы компании получает за проделанную работу от работодателя заработную плату т. Для работодателя заработная плата представляет собой издержки производства и он старается их минимизировать а для работника заработная плата является доходом...
71659. Статистика предприятий 127.5 KB
  Предприятия и микроэкономическая статистика. Показатели численности состава и движения предприятий. Система показателей сельскохозяйственных предприятий. Статистическое наблюдение предприятий.
71660. Основы математической статистики. Основные понятия математической статистики 10.83 MB
  Какие же статистические характеристики можно определить на основании построения вариационного ряда и графического представления результатов Рассмотрим эти характеристики поочередно. Характеристики положения. Характеристики рассеяния.