2.5 光波在光纤波导中的传播

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1、《光电子技术》PhotoelectronicPhotoelectronicTechniqueTechnique光束在光纤中的传播主讲：周自刚助教：范宗学学习背景学习背景一、光纤波导的结构及弱导性光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导。纤芯、包层和护套(涂敷层）组成。当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。2015/10/15Thursday41、光纤的分类折射率分布：阶跃折射率和梯度折射率光纤。传输模式数量：单模和多模光纤。传输偏振态：单模光纤又可进一步分保偏和非保偏光纤。2015/10/15Thursday5光纤材料：①高纯度熔石英光纤光

2、传输损耗低，0.2dB／km，一般均小于ldB／km；②多组分玻璃纤维纤芯-包层折射率可在较大范围内变化，有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段为：1dB／m2015/10/15Thursday6③塑料光纤成本低，材料损耗大，温度性能较差；④红外光纤可透近红外（1～5μm）或中红外（～10μm）的光波；⑤液芯光纤纤芯为液体，可满足特殊需要；⑥晶体光纤纤芯为晶体，有源、无源器件。2015/10/15Thursday72、光纤的特性波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义Δ为纤芯和包层间的相对折射率差n22[1−()]n1Δ=2

3、当时Δ<0.01，上式简化为n−n12Δ≈光纤波导的弱导条件。n12015/10/15Thursday8光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。介质波导截面上的折射率分布的指数型分布1/2⎡rα⎤⎫n(r)=n1⎢1−2Δ()⎥(0

4、剖面n(r)纤芯n21/2⎡r⎤⎫a∞n(r)=n1−2Δ()(0

5、光线到原点的路径长v度；n(r)：折射率的空间分布。v结合初始条件，原则上就可确定任意已知折射率n(r)分布介质光线的轨迹。2015/10/15Thursday111、阶阶跃光纤中束传中光束的传播均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。光纤可视为圆柱波导，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内（a图），也可以不在通过光纤轴线的主截面内（b图）。要完整的确定一条光线，必须用光线在界面的入射角θ和光线与光纤轴线的夹角ϕ。PPn2rn1n1Qn2Q(a)PrPrn1tθϕQθnϕ(b)2Q2015/10/15Thursday12（1）子午光

6、线−1θ=nn当入射光线通过光纤轴线，且入射角θ大于界面临界角0sin(2/1)1时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。PPn2rn1n1Qn2Q2015/10/15Thursday13设光线从折射率为n的介质通过波导端面中心点入射，进入波0导后按子午光线传播。根据折射定律：2nsinϕ=nsinϕ=ncosθ=n1−sinθ00111111当产生全反射时，要求θ1>θ0，因此有1221/2sinϕ≤(n−n)012n02015/10/15Thu

7、rsday14一般情况下，n=1（空气），则子午光线对应的最大入射角称为光纤0的数值孔径(m)221/2sinϕ=(n−n)=NA0m12它代表光纤的集光本领。在弱到条件下，光纤的数值孔径为：2015/10/15Thursday15（2）、斜射光线当入射光线不通过光纤轴线时，传导光线将不在一个平面内，这种光线称为斜射光线。将其投影到端截面上，传导光线将完全限制在两个共轴圆柱面之间，一个是纤芯-包层边界，另一个在纤芯中，由角度θ和ϕ决定，称为散焦面。11ϕ0ϕA0ϕ1aBθP1OO′OrQtCO′(a)(b)阶跃光纤中的斜射光线2015/10/15Th

8、ursday16ϕ0ϕA0ϕ1BaθP1OO′OQrtO′C(a)(b)ϕ为端面入射角，ϕ为折射角，a为折射