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

7 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

32964. Гидравлический расчет сложного трубопровода 195.45 KB
  Трубопроводы нашли широкое распространение во многих областях современной жизни, в том числе и в нефтегазовой отрасли. Поэтому диаметр, длина, шероховатость и другие параметры варьируются в широких пределах. Вследствие этого, существуют различные классификации трубопроводов. Учитывая специфику данной работы, рассмотрим деление на простые и сложные трубопроводы.
32966. INFO ОБЩ-ВО: ИСТОКИ, СУЩНОСТЬ, ПЕРСПЕКТИВЫ ЭВОЛЮЦИИ (М.КАСТЕЛЬС. INFO ЭПОХА: ЭКОНОМИКА, ОБЩ-ВО И КУЛЬТУРА) 17.68 KB
  INFO ОБЩВО: ИСТОКИ СУЩНОСТЬ ПЕРСПЕКТИВЫ ЭВОЛЮЦИИ М. INFO ЭПОХА: ЭКОНОМИКА ОБЩВО И КУЛЬТУРА М.Кастельс: концепция info общва: 1. в постиндустриальный info мир вступили США Япония ведущие европейские страны а также некоторые страны АТР.
32967. ИНДУСТРИАЛЬНОЕ И ПОСТИНДУСТРИАЛЬНОЕ ОБЩ-ВО. СУЩНОСТЬ СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ (Д.БЕЛЛ. ГРЯДУЩЕЕ ПОСТИНДУСТРИАЛЬНОЕ ОБЩ-ВО. ОПЫТ СОЦ. ПРОГНОЗИРОВАНИЯ) 17.66 KB
  ИНДУСТРИАЛЬНОЕ И ПОСТИНДУСТРИАЛЬНОЕ ОБЩВО. ГРЯДУЩЕЕ ПОСТИНДУСТРИАЛЬНОЕ ОБЩВО. формируется новое общво: постиндустриальное info посткапиталистическое технотронное технологическое супериндустриальное постмодерное общво знаний и т. Постиндустриальное общво это общво в экономике которого в result НТР и существенного роста доходов населения приоритет перешёл от преимущественного производства товаров к производству услуг.
32968. ИНТЕГРАТИВНЫЙ ХАР-Р СОЦ.-ГУМАНИТАРНОГО ЗНАНИЯ 16.07 KB
  ИНТЕГРАТИВНЫЙ ХАРР СОЦ.ГУМАНИТАРНОГО ЗНАНИЯ В сфере социальногуманитарного знания особое место принадлежит философии. экономисты считают экономическую теорию царицей соц. Философия хозва формирует реальное мысленное пространство которое обеспечивает эффективное научное познание нацеленное на комплексное социоэкономическое объяснение явлений и процессов системный подход учёт конкретной специфики той или иной страны.
32969. ИСТОКИ ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ НАУКИ (И.ПРИГОЖИН, И.СТИНГЕРС. ВЫЗОВ НАУКИ) 14.72 KB
  ИСТОКИ ПОСТНЕКЛАССИЧЕСКОГО ЭТАПА РАЗВИТИЯ НАУКИ И. ВЫЗОВ НАУКИ Зап. наука: высшая задача науки сформулировать общие схемы которые бы совпадали с идеалом рационального. Но это привело не к замедлению прогресса науки а способствовало появлению новых концептуальных структур наука выполняет некую универсальную миссию затрагивающую взаимодействие человека и природы и человека с человеком в наши дни основной акцент научных исследований переместился с субстанции на отношение связь время Больцман: м у вероятностью и необходимостью...
32970. ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ НАУКИ КАК МЕЖДИСЦИПЛИНАРНАЯ ДИСЦИПЛИНА 23.23 KB
  ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ НАУКИ КАК МЕЖДИСЦИПЛИНАРНАЯ ДИСЦИПЛИНА Философия входит в жизнь человека очень рано задолго до того как сложится о ней самое 1st элементарное представление навеянное случайными встречами и знакомствами. Философия науки раздел философии изучающий понятие границы и методологию науки. Периоды преднауки появление элементов научности: докть обоснование систематизация IVв. Дальше начинается триумфальный процесс развития науки производится большое колво открытий.
32971. МЕТОДОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАНИЕ И ЕГО УРОВНИ 14.53 KB
  Термин методология применяется не только к научнопознавательной деятти но и к любой др. деятти человека. Методология познание способа человеческой деятти научной художественной производственной. сферах деятти и их совершенствование.
32972. МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ. ЭМПИРИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ 22.52 KB
  МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ. ЭМПИРИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ Метод греч. Методы естественных наук подразделяют на: 1. методы изучения неживой природы и методы изучения живой природы.