光纤通信第二章.ppt

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1、第二章光纤的传输特性2.1.介质平板波导中的波2.2阶跃折射率光纤为了讨论平板介质波导的射线理论，首先需要介绍光学的一个基本定律，即折射定律，又称作斯涅耳（Snell）定律。光线在不同介质中传播速度不同。描述这一介质性质的参量称作介质的折射率。可以想象，折射率大的介质对光好像致密些（常称作光密介质），也就是好像对光传播的阻力大些，因而传播速度较慢。反之，折射率低的介质（对光好像稀疏些，常称作光疏介质）中光的传播速度就快些。这就导致光线通过不同折射率介质的界面时出现折射，并满足折射定律。2.1.介质平板波导中的波2.1.1折射定律两种不同折射率的介质之间的界面A如图所示，

2、界面上部介质１的折射率为n1，下部介质２的折射率为n2一根光线以入射角从介质1入射到该界面上，光线的能量将部分反射回介质1，部分透射到介质2。根据折射定律，反射角和折射角将满足(2.1a)(2.1b)图2.1折射定律其中n1为介质1的折射率，n2为介质2的折射率。由此可知，若n1>n2，则；若n1

3、线将全反射回介质1，没有能量透射到介质2中。例题图2.2介质平板波导的结构及分析时选用的坐标系设介质平板波导在y方向无限大，n1、n2、n3和k1、k2、k3分别是介质平板(1区)，基底（2区）和敷层（3区）中的折射率和波数，其相应的波矢为、和。一般有n1>n2>n3，则根据折射定律，在1,2区界面和1,3区界面上存在全内反射临界角和它们满足下述方程：在这些界面上，光线的入射角大于这些角度时在相应界面上产生全内反射，光线不能透过界面。(2.3a)(2.3b)图2.3介质平板波导的射线理论为满足上述界面上的全反射条件，应有不等式(2.4)2.1.3介质平板波导的射线理论1

4、.导波介质平板波导中可以存在两类传输模式：垂直极化波(又称横磁波，缩写作TM波)与水平极化波(又称横电波，缩写作TE波)图2.4介质平板波导中的TM波和TE波2.垂直极化波(TM)与水平极化波(TE)3.导波的特征方程和横向谐振条件当1,2或1,3界面上全反射条件不成立时则在界面上有折射光存在，折射光进入2或3区光能量就辐射出去，这就是辐射模，由于n2>n3,因而当下降（也下降）时，首先使此时在1，2界面上有折射波，但在1，3界面上仍然满足全反射条件，没有折射波。当，则在两个界面上都有折射波。能量无论从一边或两边辐射出去，经多次辐射后在波导中传输的能量会很快消耗掉，不能

5、保持在介质平板中，因而形成不了导波。4.辐射模如上所述，m一定时，不同的波长需要不同的使满足横向谐振条件。从(2.11b)式可见，当m不变时，上升，下降，也应下降，使横向谐振条件成立，使导波存在。在当下降到时则在1，2界面上开始有辐射，与该m模式对应的导波在介质平板中就会消失，我们称此现象为导波的截止。时由(2.11b)式确定的波长称为该模式的截止波长，记作，时此模式截止，不能形成导波。5.模式的截止波长介质平板波导中模截止波长最长，模截止波长为次长。则当成立时TM0模截止，除以外的其它模式也都截止，只有模存在（单模传输），因此(2.12)式为单模传输条件。(2.12）

6、6.单模传输条件纳米波导一维宽带半导体纳米结构，由于径向具有小于可见光波波长的尺寸，受径向尺寸限域的光可以有效的沿着纳米结构的轴向传输。从而使得一维半导体纳米结构有可能具有在亚微米尺度上操作光波，而具有波导器件（纳米光纤）的功能。是近10年来随着纳米科技的发展而出现的一个新的概念。单根CdSe纳米线的光波导半导体中光吸收系数定义为：I和Io分别为原位发光和在x距离远以外处的光学强度，ν为光子能量，h为Plank常数将ν（x）插入（1）式，从而得到光离开原位x远后的光谱函数：（So为原位的光谱）显然，光传输x距离后发光光谱的线型仅仅由α（hν）所唯一决定。二氧化锡纳米线的

7、光波导图2.5阶跃折射率光纤横截面的折射率分布2.2阶跃折射率光纤2.2.1阶跃折射率光纤中射线的概念1.阶跃折射率光纤中的折射率分布(a).子午线2.阶跃折射率光纤中的子午线与斜射线(b)斜射线图2.6阶跃折射率光纤中的射线这种光纤形成导波的原理与介质平板波导类似，但光纤中射线比介质平板波导复杂，可能有子午线,其射线在包含轴线的一个平面内，如图2.6(a)所示，其行为与介质平板波导更类似；光纤中还可能有斜射线，其射线限制在纤芯与包层界面和焦散面之间的区域内，如图2.6(b)所示，图中点划线表示光纤轴线，图中还将光线在纤芯和包层界面上的反