光纤的特性第二周.pptx
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1、1.光纤的结构和分类光纤的结构和分类光纤的光纤的分层分层结构结构:纤芯、包层、纤芯、包层、涂敷层、护套涂敷层、护套各层的材料构成纤芯:SiO2以及少量少量GeO2、P2O5掺杂掺杂包层:高纯度SiO2涂敷层:环氧树脂等高分子材料护套:尼龙或其他有机材料提高纤芯的提高纤芯的折射率折射率传光基本条件:传光基本条件:n1n2折射率剖面折射率剖面(Refraction index profile)阶跃型阶跃型(step)渐变型渐变型(grading)n1n2abn1n2abn=n(r)光纤折射率分布表达式光纤折射率分布表达式阶跃型阶跃型渐变型渐变型光射线n阶跃光纤n渐变光纤n1n2n0 i z光纤分类
2、n阶跃光纤与渐变光纤按照折射率剖面分n单模光纤与多模光纤按照模式分n 图 2.2三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤;(b)渐变型多模光纤;(c)单模光纤 2 光纤传光原理光纤传光原理分析光纤传输原理的常用方法:分析光纤传输原理的常用方法:(1)几何光学法几何光学法几何光学法几何光学法可可可可以以以以给给给给出出出出有有有有关关关关波波波波导导导导特特特特性性性性清清清清晰晰晰晰的的的的物物物物理理理理图图图图像像像像和和和和解解解解释释释释。不不不不足足足足之之之之处处处处是是是是所所所所给给给给出出出出的的的的结结结结论论论论较较较较为为为为粗粗粗粗糙糙糙糙,不不不不能能能能获获获获得得
3、得得有有有有关关关关电电电电磁磁磁磁场场场场模模模模式式式式在在在在波波波波导导导导内内内内的具体场分布和传输特性等方面的完整细节。的具体场分布和传输特性等方面的完整细节。的具体场分布和传输特性等方面的完整细节。的具体场分布和传输特性等方面的完整细节。(2)麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法麦克斯韦波动方程法针针针针对对对对具具具具体体体体的的的的波波波波导导导导结结结结构构构构,结结结结合合合合电电电电磁磁磁磁场场场场的的的的边边边边界界界界条条条条件件件件求求求求解解解解MaxwellMaxwell方方方方程组,得到波导内各模式的场分布和特征方程。程组,得到波导内各模式
4、的场分布和特征方程。程组,得到波导内各模式的场分布和特征方程。程组,得到波导内各模式的场分布和特征方程。2.1 光纤数值孔径的概念n研究对象:阶跃型光线中的光射线(子午光线)n研究目标:数值孔径n思路:光纤中的光射线应满足全反射条件阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)2.1 光纤数值孔径的概念n已知条件已知条件:设设纤芯纤芯纤芯纤芯和和包层包层包层包层折射率分别为折射率分别为n1和和n2,空气的折射率,空气的折射率n0=1,纤芯中心轴线与纤芯中心轴线与z轴一致。第一束光线在光纤轴一致。第一束光线在光纤端面以小角度端面以小角度从空气入射到纤芯,从空气入射到纤芯,折射角折射角折射角折射角为为1,
5、折射,折射后的光线在纤芯直线传播,并在后的光线在纤芯直线传播,并在纤芯纤芯纤芯纤芯与与包层包层包层包层交界面以交界面以角度角度1入射到入射到包层包层包层包层。阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)2.1 光纤数值孔径的概念阶跃型多模光纤的中的光射线(子午光线)分析 改变角度,不同相应的光线将在纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理全反射原理,存在一个临界角c。(1)当c时,相应的光线有一部分将在交界面折射进入包层包层包层包层并逐渐消失,如光线3。由此可见,只有在半锥角为由此可见,只有在半锥角为c的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。的圆锥内入射的光束才能在光纤中传
6、播。因此,定义临界角c的正弦为数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径(Numerical Aperture):NA=n0sinc=n1cosc ,n1sinc=n2sin90 n0=1,经简单计算得到【NANA的物理意义的物理意义的物理意义的物理意义】NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力,NA越越大大,光光纤纤接接收收光光的的能能力力越越强强,从光源到光纤的从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。越高。对于无损耗光纤,在对于无损耗光纤,在c内的入射光能在光纤中传输。内的入射光能在光纤中传输。NA越大,纤芯对光能量
7、的束缚越强,光纤抗弯曲性能越好越大,纤芯对光能量的束缚越强,光纤抗弯曲性能越好其中为纤芯纤芯纤芯纤芯与包层包层包层包层相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差。2.1 光纤数值孔径的概念2.2 光纤模式的理解【疑问】n是不是满足c的光射线都可以在光纤中稳定传输?答案是答案是否定否定的。的。能够在光纤中传导的电磁波能够在光纤中传导的电磁波模式模式不仅满足芯不仅满足芯/包界面上的包界面上的全反射全反射条件,条件,而且满足传输过程中的而且满足传输过程中的相干加强相干加强条件条件只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在!只有这一系列特定的电磁波才能在光纤中存在!从电磁波动理论来看,从电磁波动理
8、论来看,模式模式是光纤中电磁场是光纤中电磁场传播的一种传播的一种稳定稳定的分布形态。的分布形态。2.2 光纤模式的理解【分析】n近似地,认为光纤中传播的光波是均匀平面电磁波均匀平面电磁波,光射线方向就是波矢量波矢量k方向。n通常将光纤中所传输的波矢量k在其波导传输方向(z方向)上的分量称为光波的传播常数传播常数:=kz=k0*n1*sin;其中为光射线方向与光纤横截面的夹角。k0=2/为真空中的波真空中的波数数。n根据全内反射全内反射条件,sin=n2/n1。n只有传播常数满足k k0 0*n*n2 2 kk0 0*n*n1 1的光波才能在光纤中传播。n垂直于波传播方向的由相同相位的点构成的平
9、面称为波阵波阵面面。2.2 光纤模式的理解n考虑在光纤中传播的一列光波,上图给出了两条光线(红线和蓝线),I-I和II-II是两个波阵面。点A和点B属于波阵面I-I,点C和点D属于波阵面II-II。n属于同一波阵面的各点的振动情况应当完全同步,及其振动相位必须相同或相差2的整数倍,因此有2.2 光纤模式的理解【结论结论】n相干加强条件说明,在相干加强条件说明,在满足全反射条件情况下,满足全反射条件情况下,只有某些以特定角度入只有某些以特定角度入射的光线才能在光纤中射的光线才能在光纤中稳定传播。每一种可以稳定传播。每一种可以传到的电磁波称为光纤传到的电磁波称为光纤的一个的一个模式模式。即。即一个
10、模一个模式对应一种平面波的入式对应一种平面波的入射角度射角度。n在光纤中的光波应该同在光纤中的光波应该同时满足时满足全反射条件全反射条件(k0*n2 k0*n2 k0*n1 k0*n1)和相干加强条件和相干加强条件。相干加强条件,模式特征方程相干加强条件,模式特征方程2.2 光纤模式的理解【讨论】n引入概念:阶跃光纤归一阶跃光纤归一化频率化频率n模式数量:由光纤结构、折射率分布以及光波长共同决定。n模式数模式数 V2/2n什么情况下光纤中只有一种模式传输?n n阶跃型光纤阶跃型光纤阶跃型光纤阶跃型光纤单模条件:单模条件:0V25年年光纤的物理化学特性光纤的物理化学特性SiO2的软化温度在170
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