光波在光纤波导中的传播ppt课件.ppt

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1、一、光纤波导的结构及弱导性光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，它由纤芯、包层和护套三部分组成。当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。护套包层纤芯2a2.6光波在光纤波导中的传播9/15/202111、光纤的分类按折射率分布的方式分类：阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。按传输的模式数量分类：单模光纤和多模光纤。按传输的偏振态分：单模光纤又可进一步分保偏光纤非保偏光纤。9/15/20212按制造光纤的材料分，有：①高纯度熔石英光纤其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到0.2dB／k

2、m，一般均小于ldB／km；②多组分玻璃纤维其特点是芯-皮折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为:1dB／m9/15/20213③塑料光纤其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；④红外光纤其特点是可透过近红外（1～5μm）或中红外（～10μm）的光波；⑤液芯光纤特点是纤芯为液体，可满足特殊需要；⑥晶体光纤纤芯为晶体，可用于制造各种有源和无源器件。9/15/20214波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义为纤芯和包层间的相对

3、折射率差(1)当时，上式简化为(2)此即为光纤波导的弱导条件。2、光纤的特性9/15/20215光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为(3)9/15/20216上式中a为纤芯的半径，n1为光纤轴线上的折射率，n2为包层折射率，α为一常数。阶跃剖面n(r)an2n1r纤芯阶跃折射率光纤an2n1r纤芯渐变剖面n(r)梯度折射率光纤9/15/202

4、17二、光束在光纤波导中的传播特性射线理论的基础是光线方程（费马原理）(4)：空间光线上某点的位置矢量，s：该点到光线到原点的路径长度，：折射率的空间分布。应用上式，结合初始条件，原则上就可确定任意已知折射率分布介质光线的轨迹。9/15/202181、阶跃光纤中光束的传播均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。光纤可视为圆柱波导，在圆柱波导中，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内，如图2(a)所示，也可以不在通过光纤轴线的主截面内，如图2(b)所示。要完整的确定一条光线，必须用

5、两个参量，即光线在界面的入射角和光线与光纤轴线的夹角。9/15/20219Prn2n1QQn2n1P(a)rtPQPrn2n1Q(b)图2阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径(a)子午光线的锯齿路径；(b)偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。9/15/202110（1）子午光线当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面临界角时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。9/15/20

6、2111设光线从折射率为n0的介质通过波导端面中心点入射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定律，(5)当产生全反射时，要求，因此有9/15/202112一般情况下，n0=1（空气），则子午光线对应的最大入射角称为光纤的数值孔径(6)它代表光纤的集光本领。在弱导条件下，光纤的数值孔径为：(7)9/15/202113（2）、斜射光线当入射光线不通过光纤轴线时，传导光线将不在一个平面内，这种光线称为斜射光线。如果将其投影到端截面上，就会更清楚地看到传导光线将完全限制在两个共轴圆柱面之间，其中之一是纤

7、芯-包层边界，另一个在纤芯中，其位置由角度1和1决定，称为散焦面。9/15/202114O01APrtaQ1OCBO(a)0O(b)图3阶跃光纤中的斜射光线显然，随着入射角1的增大，内散焦面向外扩大并趋近为边界面。在极限情况下，光纤端面的光线入射面与圆柱面相切（1=90），在光纤内传导的光线演变为一条与圆柱表面相切的螺线，两个散焦面重合。0为端面入射角，1为折射角，a为折射光线与端面的夹角。9/15/202115当满足全反射条件时，得到波导内允许的最大轴线角为(8)当（

8、空气）时，最大入射角为(9)式中是传导子午光线的最大入射角。γ为入射面与子午的夹角。9/15/202116由上述讨论可知，在圆柱界面上一点A处所有可能的入射光线可分为三部分：A.非导引光线（折射光线，折射角小于临界角）：不满足全反射，部分光线折射到包层中去。B.导引光线（折射角大于临界角）：光线将限制在纤芯中传播。C.泄漏光线（隧道光线）：光线虽然满足折射角大于临界角，但弯曲面上并不发生全反射。（参见教材P61图2-21）9/15/202117（3）、不同光程引发的光脉冲的弥散阶跃光纤中与光纤轴