第三章光纤传输理论-1

第3章光纤传输理论理学院应用物理系光信息技术实验室3.1基本结构3.2光线理论3.3模式理论3.4单模光纤中的偏振现象3.5光在非正规波导中的传播3.1光纤的基本结构光纤三层结构：纤芯、包层、涂覆层纤芯：SiO2，掺杂锗提高纤芯的折射率(ncore)包层：纯SiO2(ncladding)涂覆层：环氧树脂或硅胶特点：ncore>ncladding光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。从横截面上看光纤由三部分组成,即折射率较高的纤芯,折射率较低的包层以及表面涂层。光纤折射率(RI)分布在轴向上通常是相同的，根据芯区折射率径向分布的不同,可分为两类光纤。光纤的分类(b)渐变折射率光纤(a)阶跃折射率光纤1.根据纤芯径向折射率分布折射率在纤芯中保持恒定,在芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤;折射率在纤芯内按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。此动画为光信号在单模阶跃折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：单模光纤中只有一个模式的光信号可以传输，不存在模式之间的时间差。不同折射率分布的光纤，其光波的传输特性完全不同此动画为光信号在多模阶跃折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：不同模式的光信号到达终点所需的时间不相等。

此动画为光信号在多模渐变折射率光纤中的传输，由动画可以直观地看出：不同模式的光信号到达终点所需的时间基本相等。

(a)多模光纤(b)单模光纤2.根据纤芯径向直径的大小多模光纤：纤芯直径较大，可以传输数百到上千个模式；单模光纤：纤芯直径较小，只能传输一个模式；对于光纤中光信号的传输，可以从光线理论和电磁场及模式理论进行分析。3.1基本结构3.2光线理论3.3模式理论3.4单模光纤中的偏振现象3.5光在非正规波导中的传播光线理论（几何光学方法）把光看做射线，并引用几何光学中的反射和折射原理解释光波在光纤中传播的物理现象波动理论（波动光学方法）把光波看做电磁波，把光纤看做光波导，用电磁场分布的模式来解释光在光纤中的传播现象光线理论更为简单直观，但是波动理论可以对光纤的传输特性和其传输原理有更为精确地分析光线理论与模式理论的对比3.2光线理论3.2.1光纤传输条件几何光学—全反射理论光波从折射率大的介质入射到折射率小的介质时，在边界发生反射和折射，当入射角超过临界角时，将会发生全反射。阶跃光纤中的传输原理和导光条件入射光在什么角度范围内入射到光纤中可以实现全反射，从而可以在光纤中实现传输呢？量化入射角数值孔径（NA）数值孔径(NA)斯涅尔定律：当光波从介质1传播到介质2时，假若两种介质的折射率不同，则会发生折射现像，其入射光和折射光都处于同一平面，称为入射平面，并且与界面法线的夹角满足如下关系：n1sin1=n2sin2数值孔径(Numericalaperture,NA)入射光纤的孔径角相对折射率差3.2.2子午光线的传播子午光线的全反射子午光线传播的特点代表子午光线的数值孔径子午光线的入射光线、反射光线和分界面的法线均在子午面内传输。长度L的光纤中总光路长度S’和总反射次数’分别为S，单位长度内的光路长和全反射次数，a为纤芯半径以上关系式表明光线在光纤中传播的光路长度只取决于入射角0和相对折射率n0/n1,与光纤直径无关；光纤内全反射次数与光纤的直径2a成反比；阶跃型光纤内子午光线的传播光线以锯齿状在纤芯内以全反射的方式传播；因为n0<n1，入射光进入纤芯内发生折射；如果入射角过大，则纤芯中的光线进入包层，而不能满足全反射条件；对阶跃光纤，子午光线的数值孔径的定义式为NA描述了光纤采集和接收光的能力；NA是标量，没有单位，一般在0.14~0.50之间；通信光纤的NA值一般在0.1~0.2，对应的接收角为5.7o~11.5o；对于非通信光纤，如内窥镜，NA可能大于0.5，接收角大于30°；通信光纤一般采用子午光线NA的定义；阶跃型光纤斜光线的传播光纤中不在子午面内的光线都是斜光线。它和光纤的轴线既不平行也不相交,其光路轨迹是空间螺旋折线。此折线可为左旋,也可为右旋,但它和光纤的中心轴是等距的。由图中的几何关系可求出斜光线的全反射条件。图中QK为入射在光纤中的斜光线,它与光纤轴OO′不共面;H为K在光纤横截面上的投影;HT⊥QT,OM⊥QH。由图中几何关系得斜光线的全反射条件为:全反射条件几何关系斯涅尔定律斜光线是三维空间光线,而子午光线只是在二维平面内传播。沿光纤的螺旋线发生一次反射,方向角改变2γ,其中γ是反射点处的二维投影光线与纤芯半径的夹角。不同于子午光线,斜光线由光纤出射至空气的出现点依赖于光线发生全反射的次数,与光纤的入射条件无关。cos≤1,NA斜>NA子，即斜光线的集光能力强于子午光线；NA斜只与纤芯和包层的折射率n1和n2有关,与光纤半径a无关；数值孔径越大即孔径角越大,光纤的集光能力就越强,也就是说能够进入光纤的光通量就越多；通过选择合适的n1和n2来提高集光能力,从而减少功率损耗；3.2.4渐变折射率光纤中光线的传播当α→∞时，为阶跃光纤当α为2时，为梯度光纤梯度光纤：GradedIndexFiber自聚焦光纤在阶跃光纤中光线以曲折的锯齿形状向前传播，而在渐变光纤中则以一种正弦振荡形式向前传播。阶跃光纤、渐变光纤中光波传输轨迹渐变折射率光纤的应用举例自聚焦透镜阶跃型光纤子午线传播斜光线传播光线以锯齿状在纤芯内以全反