信息功能材料与器件-国风云.ppt

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1、信息功能材料与器件原理（光纤材料与光纤传感）材料学院信息材料系国凤云一、光纤结构与传光特性概述1966年高锟论证了石英玻璃光纤的传输损耗可降到20dB/km（当时水平为1000dB/km），甚至更小的可能性。1970年美国康宁公司拉制第一根损耗低于20dB/km的单模石英光纤。这使人们确认光导纤维完全能胜任光通信的传输媒质，实现光纤通信。80年代初，光纤传输损耗在1.55µm时已降至0.2dB/km。目前，10Gb/s的系统已经商品化，而最高速率超过Tb/s的光纤通信实验系统也已问世。世界铺设的光纤总长度已超过两亿公里。单根光纤通信容量已达上亿条话

2、路。光纤除体积小、重量轻、损耗低、频带宽、信息容量大优点外，还具有如下独特优点：光纤传输过程没有电磁泄露，这不仅有利于保密，而且避免了线路的串扰；光纤传输过程不受外界电磁辐射的影响，可以在马达附近、核试验现场等恶劣环境使用；经特殊设计的光纤，其传输光束的振幅、相位、偏振状态、波长等物理量可受外界环境调制而变化，通过相干光检测可得到极高的检测灵敏度。因而，光纤已作为传感介质广泛用于工业自动控制、军用侦察等领域。1、光纤基本结构一、光纤结构与传光特性光纤是一种介质光波导。光波导是指将光波约束在其中并能定向传播的器件。通常其结构有多种形状，有圆柱形、平面形

3、、矩形等。它们的共同特点是中央介质的折射率比周围介质高，利用光在两种介质界面上的全反射来约束光波，从而实现光在中央介质中的定向传输。光纤可视为圆柱形光波导，分两个同轴区，内层为折射率高的纤芯，外层为包层，两者之间有良好的光学接触界面。图（a）是光纤的横截面图，纤芯直径为2a,包层直径2b。一、光纤结构与传光特性分类按纤芯折射率不同可分为阶跃折射率型光纤（SIF—StepIndexFiber，简称阶跃光纤），和梯度折射率型光纤（GIF—GradedIndexFiber,简称渐变光纤或梯度光纤）两种。图2-1表示这两种光纤的横截面折射率分布。图（b）表示

4、阶跃光纤的横截面折射率分布,其中n1是纤芯折射率，分布均匀，其值略高一些。n2是包层的折射率，分布也是均匀的，其值略低一些。图（c）表示渐变光纤的横截面折射率分布,包层中折射率为n2，是均匀的，但在纤芯中折射率是半径r的函数n(r)，其分布由包层起逐渐增大，并在纤芯中心处达到最大值n1。按光纤传输特性不同又可分为单模光纤和多模光纤两大类。当光纤中只传输一种模式时，称单模光纤。单模光纤的纤芯直径极小，约在2a=2～12µm范围，纤芯—包层的折射率差也小，Δ=(n1-n2)/n1=0.0005～0.01。当光纤中传输的模式是多个时，则称多模光纤。多模光纤

5、的纤芯直径较大，芯径约在2a=50µm～500µm范围，纤芯—包层的折射率差大，Δ=0.01～0.02。一、光纤结构与传光特性子午光线的传播条件通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，位于子午面内的光线被称为子午线。条件：入射到纤芯和包层分界面上的入射角应满足全反射条件（全反射传输），即θ≥θc，θc为临界角。或≤c，相应的入射端面上的入射角ψ≤ψc，即：一、光纤结构与传光特性2、光纤的传光特性2.1阶跃光纤中光线传输图中n1，n2分别为纤芯和包层的折射率，n0为光纤周围媒质的折射率。子午光线的传播如图可将光纤分为若干阶梯状薄层，认为各薄层的折射率

6、一定，可采用类似前述的均匀折射率（阶跃光纤）全反射方法分析。例如入射到纤芯中央折射率最高处的三束光线在各层界面上按折射定律产生折射，并依次进入折射率较低的薄层中，期间入射角逐渐减小。光线①入射角最大，大于临界角ψc，经各界面折射后，进入包层中，形成辐射模，不能在光纤中传播。光线②入射角较①小，经数次折射后，可在某一界面满足全反射条件而被折回，趋向中心高折射率层，以至光线与轴向之间夹角变大，到达某一界面后再次被折回，重复上述过程，因此光束以传输模形式被限制在纤芯内传播。光线③的入射角比②更小，因此将在比②更靠近光纤中心轴的界面间重复地进行反射，并沿轴向

7、传播。一、光纤结构与传光特性2.2梯度光纤中光线传输注意：一、光纤结构与传光特性1、梯度折射率光纤中子午线的传播轨迹形状取决于纤芯折射率的径向分布。可以证明纤芯折射率取下式分布时光线传播轨迹呈正弦曲线。式中：n(0)为光纤轴上的折射率，n(r)为离轴距离r处的折射率,光线与轴的夹角。,为2、不同入射角的光线沿轴向传播轨迹的周期不同，因而不能完全会聚于一点，如果要求其完全会聚于一点，则纤芯沿径向的折射率分布应为双曲正割分布：传输模式是指光纤中光波场（电磁场）的分布状态。横电模：图（b）所示,在横截面上有电场(EΦ,Er)分量,而在传输方向上没有电场分量

8、(Ez=0)只有磁场分量(Hz≠0).简称TEmn波.横磁模：图（c）所示,在横截面上有磁场(HΦ,Hr)分