光纤通信原理教案设计新3

光纤通信原理教案设计新3 批准人年月日光纤通信教案光纤通信教案之三教学提要课目光在光纤中的传播目的通过学习，掌握三个基本光学定律和光纤导光原理，了解光在阶跃光纤中的传导。 内容 一、基本光学定律和全反射的概念 二、光纤中光的传播实施方法利用多媒体手段进行理论讲解教学对象岗前士兵时间3学时地点多媒体教室要求集中精力，认真听讲；做好笔记，把握重点教学保障多媒体教具、电工示教板一套教学进程教学准备1清点人数，教具；2宣布教学提要；教学实施同志们好，前面我们共同学习了光纤的发展史，光纤的特点、构成以及它的相关特性。 光纤通信在光纤中传送的是光信号，那么光信号在光纤中具体是怎么传播呢？它利用的是什么原理呢？下面我们将共同学习这方面的内容。 简介光在光纤中传播包含的理论和定律 1、波动理论 2、射线理论 3、直线传播定律 4、光的反射、折射定律简史11世纪阿拉伯人发明制作了凸透镜；17世纪初生活常用的显微镜诞生；17世纪上半叶光的反射和折射归结为光的反射定律和折射定律；1665年牛顿通过实验得出颜色按一定顺序排列的光分布-光谱；19世纪初波动光学初步形成；1856年光在真空中的速度等于电流强度；1922年发现康普顿效应；1928年发现拉曼效应。 在理解光纤中光的传播原理时，有两种理论分析方法 1、波动理论。 即使用麦克斯韦的电磁场理论，利用超越方程解释，结论严格，但比较抽象。 2、射线理论。 即几何光学。 简单形象，但结论不严格。 我们以射线理论讲解为主，波动理论讲解为辅， 一、几何光学知识当媒质的几何尺寸远大于光波波长时，光可以用一条表示光的传播方向的几何线来代表，这条几何线就称为光射线。 用光射线来研究光传播特性的方法，称为射线法。 一、基本光学定律和定义光在均匀介质中是沿直线传播的，其传播速度为V=C/N式中c2.997105km/s，是光在真空中的传播速度；n是介质的折射率（空气的折射率为1.00027，近似为1；玻璃的折射率为1.45左右）。 光在一种均匀介质中传播而遇到另一种介质时，将在两种介质的交界面上发生反射和折射现象，如下图所示，此时将有一部分光返回原介质，另一部分光进入另一介质，且分别满足反射定律和折射定律（斯涅尔定律）。 反射定律反射线位于入射线和法线所决定的平面内，反射线和入射线处于法线的两侧，反射角等于入射角，即11。 折射定律折射线位于入射线和法线所决定的平面内，折射线和入射于法线的两侧，且满足n1sin1=n2sin2一般将折射率较大的介质称为光密媒质，折射率较小的称为光疏媒质。 如果光线由光疏媒质折射进入光密媒质时，则根据折射定律折射角2小于入射角1，即存在2 反之，光线由光密媒质进入光疏媒质，则根据折射定律折射角2大于入射角1，即存在21,如上图（b）所示。 2随1的增加而增大。 如果不断增加入射角1，可使折射角2达到90O，此时的入射角1称为临界角（一般用c表示）。 因此，临界角的大小与界面两边介质的折射率之比有关C=arcsin(n2/n1)若入射角在c的基础上再增加时，则折射现象消失，光线将全部反射回第一种介质，这种现象称为全反射现象。 因此从上面的分析可以知道，当光线由光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角时，就会产生全反射现象。 光纤就是利用光的这种全反射特性来导光的。 二、光纤中光的传播一束光线从光纤的端面耦合进光纤时，光纤中的光线有两种情形一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴的平面内传播，并且一个传播周期与中心轴相交两次；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定平面内，并且不与光纤中心轴相交。 前者称为子午射线，那个包含光纤中心轴的固定平面称之为子午面；后者称之为斜射光线。 下面我们主要介绍子午射线在阶跃型光纤中的传播。 阶跃型光纤是由半径为a、折射率为常数n1的纤芯和折射率为常数n2的包层组成，并且n1n2，如下图所示。 我们先看光线，它以角从空气(n=1)中入射到光纤的端面，将有一部分光射进纤芯，此时sin=n1sin。 由于纤芯的折射率n1n，则。 光线继续传播以90角射到纤芯和包层的界面。 如果小于芯包界面的临界角carcsin（n2/n1），则一部分光线折射进包层而损耗掉，一部分反射进纤芯。 如此这条光线经几次反射、折射后，很快就损耗掉了。 如果减小如光线，则也减小，90相应就增大。 如果增大到略大于芯包界面的临界全反射角，则此光线在芯包界面产生全反射，能量全部反射回纤芯。 当它继续传播再次遇到芯包界面时，再次发生全反射。 如此反复，光线从一端沿着折线就传输到另一端。 下面来分析一下小到多少才能将光线由光纤的一端传到另一端。 我们假设0时，c，0，则? n?90sin sin sin1010?6.2.221sin1cos12121211?nnnnn n?其中n nn1222122?称为光纤的相对折射率差。 我们把sin0称为光纤的数值孔径，一般用它的英文缩写NA(Numerical Aperture)表示，它表示光纤的集光能力。 凡是入射到园锥角0以内的光线都可以满足全反射条件，将被束缚在纤芯中沿轴向传播。 从(2.2.6)式可见光纤的数值孔径与相对折射率差的平方根成正比。 这就是说光纤芯包折射率相差越大，则光纤的数值孔径越大，其集光能力越强。 2、渐变型光纤中子午射线的传播渐变型光纤与阶跃型光纤的区别在于其纤芯的折射率不是常数，而是随半径的增加递减直到等于包层的折射率，如下图所示。 要分析渐变型光纤中光线的传播，我们可以采用与数学中“积分定义”相同的办法。 先将光纤纤芯分成无数个同心的薄园柱层，每一层的厚度很薄，折射率近似地看作常数(即每一层都为均匀介质)，相邻层的折射率有一阶跃，但相差很小。 一个子午面如图所示。 各层之间的折射率满足关系n1n2n3n4n5。 当有一光线以角从光纤的端面入射进光纤，此光线以入射角1射到 1、2层的分界面时，由于是从光密介质射向光疏介质，其折射角1将比1大；由图可知，此光线将以2=1为新的入射角在 2、3层界面上发生折射；依次类推。 由于都是由光密介质射向光疏介质，其入射角将会逐渐增大，显然应该有1234。 直到在某一界面处入射角大于临界全反射角时，光线在此处发生全反射。 此后，光线以完全对称的形式，一层层折向中心轴。 由于中心轴下方的折射率分布和上方完全一样，光线过了中心轴后受到同样的折射，增大入射角、全反射、折回中心轴，然后又重新以1角入射到 1、2层界面，周而复始，从一端传输到另一端。 下面我们再来分析一下被分成N层的渐变型光纤的导光条件。 也就是说，要让光线限制在纤芯中必须满足的条件。 要使光线限制在纤芯内，光线必须在N层与包层的界面或其前的界面上发生全反射，最迟必须在N层与包层界面上发生全反射。 因此，临界状态是光线在第一层到第N层都受到折射，入射角不断增大，并使N大于第N层与包层界面的临界全反射角。 根据光线的折射和全反射定律，有n n n nnN Nc112233sin sinsinsin?从上式得11arcsinnn c?光线从端面折射进光纤满足sinsin sin()?nn110190有sin coscos(sin)?n nnnc11111sin()?nnnc1121要使光线全部限制在光纤纤芯中，必须满足上式。 它只与第一层和包层的折射率有关，而与中间各层折射率的分布无关。 随着角的减小，光线将在离第一层更近处发生全反射。 如果N趋于无穷大，每层的厚度就趋于零，相邻层之间的折射率趋于连续，上面分析光纤的极限就是渐变型光纤。 由此可知，其极限就是渐变型光纤中光线的传播路径和必须满足的条件。 上图曲线的极限是一条连续弯曲线；(2.2.10)式中的n1应该是光纤中心轴线处的折射率，我们用n (0)来表示。 渐变型光纤中光线是蛇行传播的，且越小，光线越靠近中心轴蛇行。 和阶跃型光纤一样，我们同样把sin0称为渐变型光纤的数值孔径(NA)。 根据式(2.2.10)，可得NA nnnnc?sin()()()?0xx02?其中n (0)=n(r=0)为光纤轴线处折射率，nc为包层折射率，n nnc222020()()?为渐变型光纤的相对折射率差。 综上所述，光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角(0)内的光线都能收集到光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光限制在光纤中传播。 这就是光纤的导光原理。 要构成优良的光纤，除了必须具备芯部折射率比包层折射率高这一基本要求外，还要求纤芯和靠近芯包边界的包层部分具有极小的光损耗，这就要求它们必须由纯度极高的材料构成。 此外，根据不同的工作要求，光纤各部分还必须具有严格的几何尺寸和折射率分布形状，以满足不同传输参数的要求。 3、光纤中斜射线的传播对于斜射线的分析即使是用射线理论也相当麻烦。 因为子午射线的传播过程始终在一个子午面内，我们可以在二维的平面内来分析，很直观；斜射线的传播不在一个平面内，而是在一个三维的立体空间中以螺旋方式前进的，要分析它也必须利用三维座标，比较抽象，要求有一定的抽象思维能力。 由此我们可以看出，光纤之所以能够导光就是利用纤芯折射率略高于包层折射率的特点，使落于数值孔径角(0)内的光线都能收集到光纤中，并在芯包边界以内形成全反射，从而将光限制在光纤中传播。 这就是光纤的导光原理。 要构成优良的光纤，除了必须具备芯部折射率比包层折射率高这一基本要求外，还要求纤芯和靠近芯包边界的包层部分具有极小的光损耗，这就要求它们必须由纯度极高的材料构成。 此外，根据不同的工作要求，光纤各部分还必须具有严格的几何尺寸和折射率分布形状，以满足不同传输参数的要求。 归纳小结本课主