光纤与导光原理

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1、第二章光纤与导光原理温州大学物理与电子信息学院韦文生（一）本章内容摘要----本章首先在简要介绍光纤结构（几何尺寸：芯径等）和分类的基础上，介绍光学特性包括折射率分布、数值孔径等。其次，用射线光学理论分析光纤的传输原理；然后用波动理论讨论光纤中的模式特性，给出光纤中完善的场的描述；最后，介绍光学特性及传输特性，对光纤的损耗及色散特性进行讨论，传输特性主要是损耗及色散特性。（二）学习者分析本章为光纤通信传输特性的基础知识，是光通信系统的基础。学生对相关的物理光学的基础知识应该学会应用；用射线光学理论分析光纤

2、的传输原理；然后用波动理论讨论光纤中的模式特性；最后理解光纤的损耗及色散。（三）教学目标使学生掌握光纤通信系统传输特性测量的基本原理和方法，以及对光纤通信系统基本参数的认识。（四）本章重点难点和措施(1)掌握射线光学理论分析光纤的导光原理；(2)掌握光纤单模传输条件的计算公式；(3)理解光纤损耗和色散的概念及其对光纤通信系统的影响；(4)单模光纤、多模光纤、色散位移光纤的概念。(5)措施：通过原理知识讲授、动画演示、图形解释、例题分析使学生牢记传输特性测量和基本参数测量的基本原理。（五）基本要求(1)掌握

3、射线光学理论分析光纤的导光原理；(2)理解导波光学的推导过程，掌握光纤单模传输条件的基本计算公式；(3)理解光纤损耗和色散的概念及其对光纤通信系统的影响；(4)了解单模光纤、多模光纤、色散位移光纤的概念。（六）教学特点1这一章是本课程中内容的基础；为本课程其它学习内容作准备，为光通信系统的应用作铺垫。（七）教学安排---第一节1课时；第二节2课时；第三、四节2课时论。第一节光纤的结构和分类2．1．1光纤的结构----光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体，如图2-1所示，自内向外

4、为纤芯、包层和涂覆层。----核心部分是纤芯和包层，其中纤芯由高度透明的材料制成，是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯，使光的传输性能相对稳定。纤芯粗细、纤芯材料和包层材料的折射率，对光纤的特性起决定性影响。涂覆层包括一次涂覆、缓冲层和二次涂覆，起保护光纤不受水汽的侵蚀相机械的擦伤，同时又增加光纤的柔韧性，起着延长光纤寿命的作用。图2-1光纤的结构2．1．2光纤的分类----根据折射率在横截面上的分布形状划分时，有阶跃型光纤和渐变型(梯度型)光纤两种。阶跃型光纤在纤芯和包层交界处的折射率呈阶梯形突

5、变，纤芯的折射率n1和包层的折射率n2是均匀常数。渐变型光纤纤芯的折射率nl随着半径的增加而按一定规律(如平方律、双正割曲线等)逐渐减少，到纤芯与包层交界处为包层折射率n2，纤芯的折射率不是均匀常数。----根据光纤中传输模式的多少，可分为单模光纤和多模光纤两类。单模光纤只传输一种模式，纤芯直径较细，通常在4μm～10μm范围内。而多模光纤可传输多种模式，纤芯直径较粗，典型尺寸为50μm左右。2----按制造光纤所使用的材料分，有石英系列、塑料包层石英纤芯、多组分玻璃纤维、全塑光纤等四种。光通信中主要用石

6、英光纤，以后所说的光纤也主要是指石英光纤。----另外，若按工作波长来分，还可分为短波长光纤和长波长光纤。----多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布；单模光纤多采用阶跃折射率分布。因此，石英光纤大体可以分为多模阶跃折射率光纤、多模渐变折射率光纤和单模阶跃折射率光纤等几种。-第二节光纤中的射线光学理论----光波长很短，但相对光纤的几何尺寸要大得多，因此从射线光学理论的观点出发，研究光纤中的光射线，可以直观认识光在光纤中的传播机理和一些必要的概念。本节用射线光学理论对阶跃型及渐变型多模

7、光纤的传输特性进行分析。----射线光学的基本关系式是有关其反射和折射的菲涅耳（Fresnel）定律。首先，我们来看光在分层介质中的传播，如图2-2所示。图中介质1的折射率为n1,介质2的折射率为n2，设n1>n2。当光线以较小的θ1角入射到介质界面时，部分光进入介质2并产生折射，部分光被反射。它们之间的相对强度取决于两种介质的折射率。图2-2----由菲涅耳定律可知反射定律(2-1)折射定律(2-2)3在n1>n2时，逐渐增大θ1，进入介质2的折射光线进一步趋向界面，直到θ1趋于90°。此时，进入介质2

8、的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近于入射光强。当θ2=90°极限值时，相应的θ1角定义为临界角θC。由于sin90°=1,所以临界角当θ1>θC时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光线从折射率大的介质进入折射率小的介质，即n1>n2时，在界面上才能产生全反射。（2-3）第二节光纤中的射线光学理论2．2．1阶跃型光纤中的射线光学分析----全反射现象是光纤传输的基础。光纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全反射，