阶跃光纤和渐变光纤导光原理课件.ppt

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1、阶跃光纤和渐变光纤的导光原理姓名：学号：专业：主要内容光纤的结构与分类光纤的分类光纤的光学参数光纤中的射线光学理论阶跃型光纤中的射线光学分析渐变型光纤中的射线光学分析光纤的结构与分类光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体，如下图所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层，如图1所示。图1光纤的结构光纤的分类根据折射率在横截面上的分布形状划分时，有阶跃型光纤和渐变型光纤两种，如图2所示。图2阶跃型光纤和渐变型光纤的结构光纤的光学参数相对折射率差Δ数值孔径NA相对折射率差Δ对于阶跃型光纤，假设是包层折射率，是纤芯折射

2、率，且＞，和的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。对于通信光纤，≈，上式简化成为对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为,则相对折射率差定义为数值孔径NA对于阶跃型光纤，当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，光波在纤芯中传播轨迹为折线，相应的端面入射角记为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于。为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即：可见，光纤的数值孔径与纤

3、芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若纤芯和包层的折射率差越大，NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因此渐变型光纤数值孔径定义为：由于，上式简化成为数值孔径NA光纤中的光学理论全反射：我们把折射现象消失，光线全部返回第一种介质的现象，称为是全反射。全反射条件：(1)光由光密介质射入光疏介质。(2)入射角大于临界角。结论：(1)光纤就是利用光的全反射将

4、光线封闭在光纤的纤芯中传播的。(2)为了实现全反射，纤芯的折射率要大于包层的折射率。光纤中的光学理论首先，我们来看光在分层介质中的传播，如图3所示。图中介质1的折射率为n1,介质2的折射率为n2，设n1>n2。当光线以较小的θ1角入射到介质界面时，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。图3光在分层介质中的传播光纤中的射线光学理论由菲涅耳定律可知反射定律折射定律在n1>n2时，逐渐增大θ1，进入介质2的折射光线进一步趋向界面，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

5、反射光强接近于入射光强。当θ2=90°极限值时，相应的θ1角定义为临界角θC。由于sin90°=1,所以临界角当θ1>θC时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光线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。阶跃型光纤中的射线光学分析图4所示阶跃型的光纤，纤芯折射率为n1，包层的折射率为n2，且n1>n2，空气折射率为n0。在光纤内传输的子午光线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于θc时，才能保证光线在纤芯内产生多次全反射，使光线沿光纤传输。图4阶跃型光纤子午光线的传输阶跃光纤的导光

6、原理：光在均匀介质中是沿直线传播的，阶跃光纤就是靠光波在芯包界面发生全反射将光波限制在纤芯中向前传播的。阶跃型光纤中的射线光学分析然而，内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的光线进入纤芯中所产生折射角θt，因此，空气和纤芯界面上入射光的入射角θi就限定了光能否在光纤中以全反射形式传输。与内光线入射角的临界角θc相对应，光纤入射光的入射角θi有一个最大值θmax。如图5所示。当光线以θi>θmax入射到纤芯端面上时，内光线将以小于θC的入射角投射到纤芯和包层界面上。这样的光线在包层中折射角小于90度，该光线将射入包层，很快就会漏出

7、光纤。当光线以θi<θmax入射到纤芯端面上时，入射光线在光纤内将以大于θC的入射角投射到纤芯和包层界面上。这样的光线在包层中折射角大于90度，该光线将在纤芯和包层界面产生多次全反射，使光线沿光纤传输。图5子午光线在阶跃光纤中的传输阶跃型光纤中的射线光学分析由上面分析可知，当光线从空气入射到纤芯端面上的入射角θi<θmax时，进入纤芯的光线将会在芯包界面间产生全反射而向前传播，而入射角θi>θmax的光线将进入包层损失掉。因此，入射角最大θmax确定了光纤的接收锥半角θmax是个很重要的参数，它与光纤的折射率有关。下面讨论θmax

8、的确定。由菲涅耳定律，对于内光线，有因为所以即阶跃型光纤中的射线光学分析对于空气和纤芯界面，有再结合上式可得即n0sinθmax定义为光纤的数值孔径，用NA表示。它的平方是光纤端面集光能力的量度。在空气中的折射率n0=1，因此，对于一根光纤，其数值