《光纤的特性第二周》PPT课件

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1、第一章续光纤与光缆1.光纤的结构与分类2.光纤传光原理3.光纤传输特性4.光纤材料的物理化学特性5.光纤制造技术与光缆1.光纤的结构和分类光纤的分层结构:纤芯、包层、涂敷层、护套各层的材料构成纤芯:SiO2以及少量GeO2、P2O5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折射率传光基本条件：n1>n2折射率剖面(Refractionindexprofile)阶跃型(step)渐变型(grading)n1n2abn1n2abn=n(r)光纤折射率分布表达式阶跃型渐变型光射线阶跃光纤渐变光纤n1

2、n2n0iz光纤分类阶跃光纤与渐变光纤按照折射率剖面分单模光纤与多模光纤按照模式分…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光纤传光原理分析光纤传输原理的常用方法：（1）几何光学法可以给出有关波导特性清晰的物理图像和解释。不足之处是所给出的结论较为粗糙，不能获得有关电磁场模式在波导内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针对具体的波导结构，结合电磁场的边界条件求解Maxwell方程组，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研究对象：

3、阶跃型光线中的光射线（子午光线）研究目标：数值孔径思路：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已知条件：设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致。第一束光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯，折射角为θ1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层。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θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射

4、。根据全反射原理，存在一个临界角θc。(1)当θ<=θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1(2)当θ>θc时，相应的光线有一部分将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。因此，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture)：NA=n0sinθc=n1cosψc，n1sinψc=n2sin90°n0=1，经简单计算得到【N

5、A的物理意义】NA表示光纤接收和传输光的能力，NA越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对于无损耗光纤，在θc内的入射光能在光纤中传输。NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好其中Δ为纤芯与包层相对折射率差。2.1光纤数值孔径的概念2.2光纤模式的理解【疑问】是不是满足θ≤θc的光射线都可以在光纤中稳定传输？答案是否定的。能够在光纤中传导的电磁波模式不仅满足芯/包界面上的全反射条件，而且满足传输过程中的相干加强条件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，模式是光纤中电磁场传播的一种稳定

6、的分布形态。2.2光纤模式的理解【分析】近似地，认为光纤中传播的光波是均匀平面电磁波，光射线方向就是波矢量k方向。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：β=kz=k0*n1*sinθ;其中θ为光射线方向与光纤横截面的夹角。k0=2π/λ为真空中的波数。根据全内反射条件，sinθ>=n2/n1。只有传播常数满足k0*n2<β

7、-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。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2π的整数倍,因此有2.2光纤模式的理解【结论】相干加强条件说明，在满足全反射条件情况下，只有某些以特定角度入射的光线才能在光纤中稳定传播。每一种可以传到的电磁波称为光纤的一个模式。即一个模式对应一种平面波的入射角度。在光纤中的光波应该同时满足全反射条件（k0*n2<β

8、模式数量：由光纤结构、折射率分布以及光波长共同决定。模式数V2/2什么情况下光纤中只有一种模式传输？阶跃型光纤单模条件：0