1-3 光纤导光原理(1-2)ppt课件

光纤的导光原理,1,波导中电磁波的射线描述与模式描述射线理论是几何光学分析方法，是电磁场理论在导波光学波长趋近于零时的近似方法。射线理论的特点是简单易懂，适用于分析多模光纤，但不适用于单模光纤、波导的弯曲、耦合等现象分析。模式理论是严格的电磁场分析方法，可解释波导弯曲、耦合、相干、干涉等现象。模式理论求解严密，需要较繁琐的数学推导。,2,主要内容,一、光的基本特性二、阶跃光纤的导光原理分析三、渐变光纤的导光原理分析四、光纤的模式,3,光的反射与折射示意图,4,光的全反射示意图,（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：,5,光导纤维的结构和导光原理,圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率,6,阶跃光纤的导光原理示意图,7,光纤导光,8,n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n01,9,当r=90的临界状态时，,Sini定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）,相对折射率差,arcsinNA是一个临界角，iarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；iarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。,10,阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀分布，是包层折射率，是纤芯折射率。假设图中的阶跃型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发生全反射或折射现象。若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角。由前面分析已知光纤的临界角为,11,光纤的光学参数,相对折射率差数值孔径NA模场直径,12,相对折射率差,对于阶跃型光纤，假设是包层折射率，是纤芯折射率，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,13,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小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max就等于arcsin(NA)。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：max=arcsin(NA),14,15,反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。,16,由于，NA简化成为可见，光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，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：,17,可见，光纤的数值孔径（NA）仅取决于纤芯的折射率的大小及包层相对折射率差，而于光纤的直径无关。标准多模光纤的NA公称值一般为0.2，对应的孔径角约为11.5。标准单模光纤的NA公称值一般为0.10.15，对应的孔径角约为5.78.6。,18,模场直径,由于单模光纤没有明确的边界，纤芯之外有相当大的光场存在，故不能象多模光纤一样用纤芯表示横截面的导光范围，只能用模场直径表示。它表示了单模光纤的基模能量集中的程度。CCITT规定，单模光纤1.31m处的模场直径应在910m,偏差不应超过10%。,19,模场直径表示单模光纤的基模能量集中的程度。基模在纤芯区域轴心线处光强最大，并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐减弱，一般将模场直径定义为光强降低到轴心线处最大光强的1/e的各点中两点最大距离。,20,模场直径(MFD)：光功率为e-1E0时的光场半径宽度(E0为轴心的光功率)，即光纤截面的光斑尺寸。,模场直径,光场分布一般为高斯分布：,21,光线分类,子午光线：限制在子午平面内传播的光线与光轴相交倾斜光线：轨迹曲线不限制在一个平面内不过光轴,22,子午平面,23,子午光线：均匀折射率分布,折射率分布:光线轨迹:限制在子午平面内传播的锯齿形折线。光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。导光条件:数值孔径:定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即相对折射率差:约束光折射光:,n1,n2,24,均匀折射率分布斜光线：光线的传播轨迹不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交,25,阶跃折射率光纤纤芯中斜光线传布的射线光学表示,26,渐变折射率分布：,27,光线轨迹:限制在子午平面内传播的周期曲线。轨迹曲线在光纤端面投影线仍是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。局部数值孔径:定义局部数值孔径NA(r)为入射点媒质折射率与该点最大入射角的正弦值之积,即,子午光线：渐变折射率分布,28,29,渐变光纤的导光原理示意图,为了分析渐变型光纤中光的传播，将纤芯划分成若干同轴的薄层，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率从里到外逐渐减小，即有。若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时，由于是从光密介质射向光疏介质，折射接角大于入射角，光线将折射进第二层射向与第三层的交界面，并再次发生折射进入第三层，依次第推，由于光线都是从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。,30,当在某一界面处（图中是在第三层和第四层的界面上），入射角大于临界角时，光线将出现全反射，方向不再朝向包层而是朝向轴心。之后光线是从光疏介质射向光密介质，入射角逐渐减小，直至穿过轴心后，光线又出现从光密介质射向光疏介质，重复上述折射过程。因此，当纤芯分层数无限多，其厚度趋于零时，渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，光线在其中的传播轨迹不再是折线，而是一条近似于正弦型的曲线。,31,子午光线的传播轨迹是一条近似于正弦函数的曲线。不同模式的光线在光纤内传播的“轴向速度”近似为常数。以不同角度入射的光线族（子午光线）具有自聚焦性。,平方律分布渐变光纤的自聚焦性,32,斜光线：,33,34,波导的模式,电磁波的传播遵从麦克斯维尔方程，而在光纤中传播的电磁场，还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由光纤结构决定的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播的模式麦克斯韦方程的一个解即对应一个模式，对应着电磁场在光纤中的一种分布形式。模式：物理上理解就是一种基本场分布,数学上就是一个基本解.,35,光纤中的模式,按分布形式，模式可以分为以下几种类型：（1）横电波纵轴方向只有磁场分量，没有电场分量；横截面上有电场分量的电磁波。下标m表示电场沿圆周方向的变化周数，n表示电场沿径向方向的变化周数。（2）横磁波纵轴方向只有电分量，没有磁场分量；横截面上有磁场分量的电磁波。下标m表示磁场沿圆周方向的变化周数，n表示磁场沿径向方向的变化周数。（3）混合波或纵轴方向既有电分量又有磁场分量，是横电波和横磁波的混合。无论哪种模式，当m和n的组合不同，表示的模式也不同。,36,四个低阶模式的电磁场矢量结构图,37,单模光纤中只有最低阶模式HE11存在，它的光纤横向光斑图类似于左上角的截面图：,结论：低阶模能量集中在波导中心，而模式阶数越高横截面直径越大且能量分布越分散,38,光纤的归一化频率,归一化频率是为表征光纤中所能传播的模式数目多少而引入的一个特征参数。其定义为：其中，是光纤的纤芯半径；是光纤的工作波长；和分别是光纤的纤芯和包层折射率；真空中的波数；光纤的相对折射率差。,39,传播常数,传播常数是描述光纤中各模式传输特性的一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。光纤通信中信息就是由传导模传送的。传导模的传播常数是限制的，即。当时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模截止。当=时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。,40,归一化传播常数/k0与归一化频率V的关系曲线,41,单模传输条件,当02.405时,光纤中除主模（或基模）模以外，其余模式均截止，此时可实现单模传输。,42,多模传输的模式数,对于阶跃型光纤，光纤中的传输模式数为对于渐变型光纤，光纤中的传输模式数为,43,截止波长,截止波长是单模光纤特有的参数，是对应于第一高阶模的归一化截止频率时的波长。即故通常可用它判断是否单模传输。,44,模式数目,给定V值，导模数目近似等于V2/2,所含精确模式可根据导模截止与远离截止条件确定。,45,单模工作条件,单模条件:Vc（2/0）an12n222.405单模光纤尺寸:ac1.2020/（n12n22）单模光纤截止波长:c（an12n22）/1.202单模光纤截止频率:fc1.202c/（an12n22）仅当c或ffc时方可在光纤中实现单模传输.这时,在光纤中传输的是HE11模,称为基模或主模。紧邻HE11模的高阶模是TE01、TM01模和HE21模,其截止值均为Vc2.405。,46,多模光纤的优、缺点:优点：纤芯较大，容易将光功率注入光纤，可使用LED作为光源，而LED易制作、成本低廉、不需要复杂的外围电路。缺点：多模光纤中的每一个模式的能量都以略有差别的速度传播（模间色散），因此导致光脉冲在长距离光纤中传播时被展宽（脉冲展宽）,47,单模光纤的双折射与基模的偏振特性:研究电磁波传播问题时，电磁场的方向也是一个重要的内容。光波在光纤中传播时，同样存在偏振的问题。对于多模光纤，由于各种模式场的偏振方向一般都不相同。因此，不存在单一偏振的情况，无需讨论其中偏振的问题。只有在单模光纤中，光场偏振的问题才变得突出。在单模光纤中，虽说只传输一个基模HE11，但是，实际上这个基模可由两个偏振方向互相垂直的HE11x和HE11y模式场构成。这两个模式的电场各自沿着X或Y方向上偏振，因此，单模光纤中，实际是传输两个正交偏振的模式。,偏振保持光纤,48,在理想的单模光纤中，光纤的横截面形状以及折射指数的分布都是均匀对称的，使HE11x和HE11y模式的传输常数相等,但实际的光纤中总会有某种不完善性。例如纤芯的几何形状变椭圆、光纤内部的残余应力、光纤的弯曲扭转等引起折射率的各向异性，引起HE11x和HE11y模式的传输常数不一致,使HE11x和HE11y模式的简并性受到破坏，所以不能保持模场的偏振状态，这给某些应用造成了严重的问题。光波的偏振态沿光纤长度变化。当线偏振光入射到这种光纤中时，光纤内的偏振态将沿前进方向作不断变化，即由线偏振椭圆偏振圆偏振椭圆偏振线偏振椭圆偏振圆偏振椭圆偏振线偏振等等，周期性地重复变化。,偏振保持光纤,49,对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤（PMF：PolarizationMaintainingfiber），也称为固定偏振光纤。偏振保持光纤-单模光纤，能使输入该光纤的线偏振光独立、稳定地在光纤中传输。,偏振保持光纤,50,偏振保持光纤,“熊猫”型、“蝴蝶结”型和“扁平”型的高双折射保偏光纤在纤芯的横向两则，设置热膨胀系数大、截面是圆形的玻璃部分。在高温的光纤拉丝过程中，这些部分收缩，其结果在纤芯y方向产生拉伸，同时又在x方向呈现压缩应力。致使纤材出现光弹性效应，使折射率在X方向和y方向出现差异。依此原理达到偏振保持恒定。具有“边坑”型的单模单偏振保偏光纤通过专门设计与制造工艺，使光纤中构成基模的两个线偏振模之一为导模，可低损耗传输。另一个模截止或产生严重泄漏而衰减，使这种光纤的输出光始终只有一种单一的偏振模式。,51,偏振保持光纤应用,对于一些未来超宽带有特殊要求的业务,如：相干通信中采用外差检波，要求光波偏振更稳定时；光机器等对输入输出特性要求与偏振相关时；在制作偏振保持光耦合器和偏振器或去偏振器等时；制作利用光干涉的光纤敏感器等，凡要求偏振波保持恒定的情况下，对光纤经过改进使偏振状态不变的光纤称作偏振保持光纤（PMF：PolarizationMaintainingfiber），也称为固定偏振光纤。,52,作业,分析光纤内光线的传输轨迹。什么是光纤的相对折射率差、数值孔径、模场直径、归一化频率？,53,偏振态,根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将偏振光分为：线偏振光椭圆偏振光圆偏振光,54,电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：E(z,t)=Ex(z,t)+Ey(z,t)Ex(z,t)=exE0 xcos(t-kz)Ey(z,t)=eyE0ycos(t-kz+)这两个垂直分量之间的相位差满足d=2mp,其中m=0,1,2,线偏振光,q,E0y,E0 x,55,椭圆偏振光(d2mp,m=0,1,2,),椭圆偏振光,56,圆偏振光,特殊情况，当两个相互正交的分量E0 x=E0y=E0，且二者之间的相位差d=p/2+2mp时，椭圆偏振光变成圆偏振光：迎着光传播的方向观察，根据d取p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋圆偏振光和左旋圆偏振光,57,HE11偏振态相互正交的两个简并模,双折射,任何单模光纤中都存在两个相互独立且