光纤原理第二章：光纤结构、波导原理和制造.ppt

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1、第二章：光纤结构、波导原理和制造回顾光的特性、基本的光学定律和定义介绍光纤结构、分类和特性圆波导模式及其理论简介*单模光纤的特性、材料以及制造工艺光纤的几种成缆方式主要内容2.1光的基本特性-17世纪意大利格里马蒂和英国胡克观测到光的衍射现象-1690年海牙物理学家惠更斯提出光的波动性学说-1801年托马斯·杨双缝干涉实验-1817年菲涅尔解释并重新演示了光的衍射-1865年麦克斯韦发表电磁场理论并预言光是一种电磁波-1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的预言光的波动性光两种典型的传播方式定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相

2、面或者波前性质：光的传播方向垂直于波前点光源球面波前平面波前光线假设光在各向同性的均匀介质中传播电场(E)和磁场(H)相互正交平面波作为一种电磁波，光波是一个横波，其传播方向垂直于电场(E)和磁场(H)的振动方向(1821年，菲涅尔)给定一个空间直角坐标系O-xyz，假设一列平面波始终沿z方向传播，那么这列波可测量的电场可以表示为：其中w为光的角频率，k=2p/l为光的传播常数，它表征光向前传播时相位变化的快慢。E(z,t)=eEcos(t-kz)偏振态根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：线偏振光椭圆偏振

3、光圆偏振光电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：E(z,t)=Ex(z,t)+Ey(z,t)Ex(z,t)=exE0xcos(t-kz)Ey(z,t)=eyE0ycos(t-kz+)这两个垂直分量之间的相位差满足d=2mp,其中m=0,±1,±2,…线偏振光q椭圆偏振光(d≠2mp,m=0,±1,±2,…)椭圆偏振光圆偏振光特别地，当两个相互正交的分量幅度相等，且二者之间的相位差d=±p/2+2mp时，椭圆偏振光变成圆偏振光：迎着光传播的方向观察，根据d取p/2和

4、-p/2，圆偏振光分为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光光的粒子性：光电效应(1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦成功解释)1.光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的2.光子的能量仅与光子的频率有关一个频率为n的光子能量为E=hn其中h=6.6310-34J·s为普朗克常数光的量子特性在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光照频率。光速c=3108m/s波长：=c/v当光在媒介中传播时，速度cm=c/n常见物质的折射率：空气1.00027；水1.33；玻

5、璃(SiO2)1.47；钻石2.42；硅3.5折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介光在不同的介质中传输速度不同2.2基本的光学定律和定义光的反射定律[两种不同媒介的界面]反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin=qr折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足：n1sin1=n2sin2光的折射定律(Snell定律)空气玻璃光从光密媒质折射到光疏媒质折射角大于入射角n1sinfc=n2sin90°[fc=sin-1

6、(n2/n1),n1>n2]光的全反射玻璃的折射率为1.50，空气的折射率为1.00，如果一束光从玻璃入射到玻璃-空气界面，那么，当入射角大于42度时，入射光将发生全反射。fc光密媒质光疏媒质q1

7、作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号纤芯包层包层位置：位于纤芯的周围尺寸：直径d2=125mm材料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号能约束在纤芯中传输涂覆层1)位置：位于光纤的最外层2)尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5mm3)结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层a)一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料b)缓冲层一般为性能良好的填充油膏(防水)c)二次涂覆层一般多用聚丙

8、烯或尼龙等高聚物4)作用：保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用按传输的模式数目分单模光纤多模光纤按折射率的变化分阶跃光纤梯度光纤ITU-T官方定义G.651光纤(渐变型多模光纤)G.652光纤(常规单模光纤)G.653光纤(色散位移光