光纤结构导波原理及制造资料课件.ppt

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1、第二章光纤：结构、导波原理及制造主讲：夏长权2021/7/30主要内容2.1光纤模式和结构2.2圆波导的模式理论2.3单模光纤2.4梯度折射率光纤2.5光纤材料2.6光纤制造2.7光缆2.8光缆铺设方法2021/7/302.1光纤模式和结构光纤：光频工作下的介质波导。通常为圆柱形。纤芯：高纯度SiO2+掺杂剂如GeO2等，2a：9~50μm包层：高纯度SiO2+掺杂剂如B2O3，2b：125μm涂覆层：环氧树脂、硅橡胶和尼龙纤芯和包层都用石英作为基本材料，折射率差通过在纤芯和包层进行不同的掺杂来实现。

2、纤芯掺入Ge和P折射率包层掺入B折射率2021/7/302.1.1光纤分类2021/7/30单模光纤：仅允许一种模式传播。通常需要用LD作为光源。不存在模间色散，带宽大。多模光纤：可以传播较多模式。易耦合，可以用LED光。缺点是存在模间色散（可以采用梯度折射率光纤解决）。2.1.1光纤分类2021/7/302.1.2光射线和模式光射线：是“几何光学”中的概念，通常用于光波导尺寸比波长大很多的情形，即所谓的“短波长极限”模式：描述电磁场的分布。稳定的电磁场可以分解为若干平面波的叠加。联系：每个平

3、面波对应一条射线，每个模式对应若干射线，而这些射线具有相同的特征：与光纤中心轴夹角相等2021/7/302.1.3阶跃折射率光纤n1n22021/7/302.1.4射线光学描述斜光线：不在同一平面内2021/7/302.1.4射线光学描述子午光线：在同一平面内2021/7/302.1.4射线光学描述光线理论光的反射与折射光的全反射现象2021/7/302.1.4射线光学描述光纤中光线传播路径光在阶跃光纤中的传播轨迹光学参数数值孔径折射率差2021/7/30数值孔径NA（书上例题2.4，P32）NA表示

4、光纤接收和传输光的能力。NA（或θa）越大，表示光纤接收光的能力越强，光源与光纤之间的耦合效率越高。NA越大，纤芯对入射光能量的束缚越强，光纤抗弯曲特性越好。NA太大时，则进入光纤中的光线越多，将会产生更大的模色散，因而限制了信息传输容量，所以必须适当选择NA。单模光纤的NA在0.12附近，多模光纤的NA约为0.21。2.1.4射线光学描述2021/7/30光在渐变光纤中传播的定性解释2.1.4射线光学描述2021/7/30光在渐变光纤以不同角度入射的光线族皆以正弦曲线轨迹在光纤中传播，且近似成聚焦状

5、2n1n2.1.4射线光学描述2021/7/302.1.5介质平面波导中的波动描述2021/7/302.1.5介质平面波导中的波动描述EiErEtqiq1q2EiErEtqiq1q2菲涅尔公式2021/7/302.1.5介质平面波导中的波动描述当为虚部r=exp(2jf)2021/7/30古斯-汉欣位移2.1.5介质平面波导中的波动描述d位移十分微小当l＝550nm，d=6nm-10nm这是难以观察到的。而穿透深度在10微米左右，当n2介质层比它小时，有部分光将透射出去，这现象称为光学隧道效应。侧面位

6、移反射面d穿透深度2021/7/30如图：波矢量分解yxz2.1.5介质平面波导中的波动描述2021/7/302.1.5介质平面波导中的波动描述渐消场n2n1>n2入射波驻波2021/7/302.1.5介质平面波导中的波动描述2021/7/302.1.5介质平面波导中的波动描述特征方程只有特殊的角度才满足特征方程，因此角度是分立的2021/7/302.1.5介质平面波导中的波动描述2021/7/302.1.5介质平面波导中的波动描述2021/7/30n2=n3n1E2.1.5介质平面波导中的波动描述2

7、021/7/30作业2.1，2.10,2.12，2.13，2.142021/7/302.2圆波导的模式理论1.阶跃光纤的标量分析(只考虑电场大小，设电场偏振为y方向）(a)场方程在柱坐标系中设解的形式为2021/7/30代入上式可得：在ra处式中，在包层中，有，场在r方向上为衰减场，用第二类贝塞尔函数表示为：采用同样的方法可以求得磁场的解为：纤芯包层(b)标量解的特征方程特征方程由边界条件给出r=a时Ey与在边界上连续，由E(r,f,z)可得由贝塞尔函数的递推公式得特征方程取W＝0表示光在

8、光纤中截止的临界条件。当W=0时有若m=0J-1(U)=0可以求出U=0,3.832,7.016,10.173…当U＝上述值时，波导将截止。m=1时J0(U)=0U=2.405,5.520,8.654m=2时J1（U)=0U=3.832,7.016,10.173Jm-1(U)=0当模式远离截止时，即w→∞，由特征方程可知此Jm(U)=0，而模式截止时Jm-1(U)=0表明光纤传输每一种模式对应的值必须在各自的Jm和Jm-1之间。J1(U)J0(U)J2(