对于均匀光纤,在设纤芯(0≤r≤a)的折射率n(r)=n1,包层(r≥a)折射率n(r)=n2,并且n1>n2,这样使得纤芯和包层中的场不一致。对于导波:kn2<β<kn1,则在纤芯:[图片],在包层中:[图片]。
这样方程式(2.43)在纤芯中可化为标准的贝塞尔方程,在包层中可化为标准的虚宗量贝塞尔方程。为求解方程式(2.43),我们引入无量纲参数u、w和V。
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其中,u 为导波在纤芯的径向相位常数;w 为导波在包层的径向衰减常数;V
为光纤的归一化频率。
利用前面的条件和参数,我们来分析式(2.43)方程的解。在纤芯内,R(r)的解应是贝塞尔函数的组合。
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其中,Jm为贝塞尔函数,Ym为聂曼函数。R(r)在纤芯处应为驻波解,由于Ym(0)为无穷大,与场的实际情况不符,因此B为0。在包层内,R(r)的解应是修正贝塞尔函数的组合。
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其中,Im和Km分别为第一类和第二类修正的贝塞尔函数。R(r)在包层中随r的增加应减小,是衰减解,而Im在r趋近无穷时也趋于无穷,所以C应为0。于是R(r)可写为
J与K两种函数的曲线示于图2.15中。利用上式,光纤中yE 的表示式可写成
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在推导上式中利用了纤芯界面上的边界条件,Eθ1=Eθ2,简化掉了一个常数。横向磁场只包含Hx分量,根据Ey可写成
Jm(u)和Km(w)如图2.15所示,Jm(u)类似振幅衰减的正弦曲线,Km(w)类似衰减的指数曲线。式(2.48)和式(2.49)表明,光纤传输模式的电磁场分布和性质取决于特征参数u、w和β的值。u和w决定纤芯和包层横向(r)电磁场的分布,称为横向传输常数;β决定纵向(z)电磁场分布和传输性质,所以称为(纵向)传输常数。同样,我们可从麦克斯韦方程中求出Ez(r,θ,z)和Hz(r,θ,z)的表示式。
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式中,k=2π/λ,是自由空间波数,λ是波长,Z是自由空间的波阻抗,A为待定常数,由激励条件确定。