光纤的基本知识.doc

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1、光纤的基本知识光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。它是工作在光波波段的一种介质波导，通常是圆柱形。它把以光的形式出现的电磁波能量利用全反射原理约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。光纤的传输特性由其结构和材料决定。通常，光纤是由高纯度的石英玻璃为主掺少量杂质锗(Ge)、硼(B)、磷(P)等的材料制成的细长的圆柱形，细如发丝(通常直径为几微米到几百微米)。实用的结构有两个同轴区，内区称为纤芯，外区称为包层。通常，在包层外面还有一层起支撑保护作用的涂覆层。因为光是电磁波，所以光在光纤中的传播可用麦克斯韦波动方程来分析。断面尺寸比光波长大很多时，可用几何光学的概念来处理。

2、图A.1当光线从较高折射率介质向较低折射率介质传播时，在界面处的折射和反射图A.1为光在不同介质中的传播。图中介质1的折射率为n1，介质2的折射率为n2。当光束以较小的θ1角入射到介质界面上时，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。介质的折射率定义为光在空气中的速度与光在介质中的速度之比。由菲涅耳定律可知(A.1)(A.2)在n1>n2时，逐渐增大θ1，进入介质2的折射光束进一步趋向界面，直到θ1趋于90°。此时，进入介质2的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近入射光强。当θ1＝90°极限值时，相应的θ1角定义为临界角θc。由于sin

3、90°＝l，所以临界角(A.3)当θ1>θc时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光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。图A.2子午光线的全反射全反射现象是光纤传输的基础。对于一根具体的光纤，如图A.2所示。为分析方便，以下主要讨论光线为子午光线的情况。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则称为子午光线。显然，子午面有无数个。根据光的反射定律：入射光线、反射光线和分界面的法线均在同一平面，光线在光纤的芯-皮分界面反射时，其分界面法线就是纤芯的半径。因此，子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线三者均在子午面内所示。

4、这是子午光线传播的特点。由图A.2可求出子午光线在光纤内全反射所应满足的条件。图中其纤芯折射率n1大于包层折射率n2，n0为空气折射率。要使光能完全限制在光纤内传输，则应使光线在纤芯-包层分界面上的入射角ψ大于（至少等于）临界角ψ0，即(A.4)(A.5)或(A.6)式中。再利用，可得(A.7)由此可见，相应于临界角ψ0的入射角φ0，反映了光纤集光能力的大小，通称为孔径角。与此类似，n0sinφ0则定义为光纤的数值孔径，一般用NA表示，即(A.8)θ接收锥光纤图A.3光纤的数值孔径NA是表示光纤波导特性的重要参数、它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。应注意，光纤的数值

5、孔径仅决定于光纤的折射率、而与光纤的几何尺寸无关。在光纤中传输的光线除上面讨论的子午光线外，还有斜光线。斜光线是指从光纤端面任意方向入射是不为同一平面内传播的光线。斜光线也有其全反射条件，满足条件的斜光线才能在光纤户传输，两者的重要区别是，子午光线是平面曲线(呈锯齿形)，斜光线是空间曲线(有时呈螺旋形)。光纤的分类光纤是一种光波导，因而光波在其中传播也存在模式问题。模式是指传输线横截面和纵截面的电磁场结构图形，即电磁波的分布情况。一般说来，不同的模式有不同的场结构，且每一种传轴线都有一个与其对应的基模或主模。基模是截止波长最大的模式。除基模外，截止波长较短的其它模式称为高次模。根

6、据光纤能传输的模式数目，可将其分为单模光纤和多模光纤。单模光纤只能传输一种模式，但这种模式可以按两种相互正交的偏振状态出现。多模光纤能传输多种模式，甚至几百到几千个模式。归一化频率V是一个与光波频率和光纤结构参数有关的参量，通常用它表示光纤所传导的模式数。其定义式如下(A.9)式中，k是平面波在自由空间中的传播常数或波数，定义为k＝2π／λ，λ是传导光在自由空间的波长。a是光纤的半径；NA是光纤的数值孔径；n1是纤芯折射率的最大值；n2是包层折射率；Δ为最大相对折射率差，即(A.10)光纤能传导的模式数N可用下式计算(A.11)式中,是光纤断面折射率分布指数，它决定光纤折射率沿径

7、向分布的规律。单模光纤和多模光纤，由于它们能传输的模式数不同，故它们的传输特性有很大区别。主要区别是在衰减和色散(或带宽)上多模光纤更复杂一些。图A.4光纤的结构根据纤芯径向的折射率分布不同，光纤又可分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤。通常，单模光纤多半是阶跃折射率分布，多模光纤既有阶跃的也有渐变折射率分布。图A.4(a)是典型的阶跃折射率多模光纤，其特点是纤芯的折射率固定不变。由图可见，由于不同模式在纤芯中传播的群速度不同、因而各个模式到达光纤输出端面的群延时不同，结果使传输的