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第2章光纤1课件.ppt
* * 把渐变光纤分成多个薄层来考虑。 * 对于渐变型光纤,由于纤芯中各处的折射率是不同的因此各点的数值孔径也不相同。我们把射入点r处的数值孔径称为渐变型光纤的本地数值孔径用NA(r)表示。 参数g决定折射率分布,阶跃型光纤,g趋于无穷大。g=2,折射率为抛物线分布。 由上式可以看出,随着r增加,NA(r)在减小。 * 把渐变光纤分成多个薄层来考虑。n(r)随着r的增加再减小,当r增大时,?角在再增加,说明光线沿着一弯曲的 路径传输,并且弯向折射率在的一方。 * 渐变光纤的制备比梯变光纤更难,要控制掺杂元素的成份。 ?和?角及纤芯、包层折射率n1、n2有关。 * 有线电视系统均采用单模光纤 * * 光纤折射率分布变化、波导非圆对称、受到非对称的横向应力造成两个简并模式传播常数不同 * 传导模满足的条件: 全反射 相位一致条件 ?:古斯—汉森相移 P1 P2 ? ? ? ? 包层n2 纤芯n1 d 光纤中传导模的形成 ?i 实际上在受光角内,只有一些以特定离散入射角入射的光线才能沿光纤传播。 波的相位变化包括因传播而引起的相移,也包括界面上产生全反射时所引起的相位变化。 相位一致条件:光波在光纤中从某一横向位置P1点出发,在光纤中传播了一段路程又回到同一横向位置P2点,传输这段光程在横向引起的相位变化,加上在光纤纤芯与包层界面全反射时引入的位相移动(古斯—汉森相移 ),必须是2?的整数倍。 光纤中传播常数:k= 2?/? 轴向传播常数:?=k cos? 横向传播常数: ?=k sin? 相位一致条件表示为:2 k sin?·d-2?=2m? (m为整数,模指数) 即: k sin?·d-?=m ? 一旦确定了光波导和光波长,那么n1、n2、纤芯直径d以及真空中光的传播常数k0也就确定了,最大m值也就确定了。 对于渐变型多模光纤,同样,其导模不仅要满足全反射条件,还要满足相位一致条件。 在渐变型多模光纤中,低阶模由于靠近光纤轴线,其传播路程短,但靠近轴线处的折射率大,该处光线传播速度慢;高阶模远离轴线,它的传播路程长,但离轴线越远折射率越小,该处光线的传播速度越快。 k sin?·d-?=m ? 相位一致条件 m=0——基模 m=1——一次模 m=2——二次模 全反射条件 相位一致条件 (传导模是有限离散的) 不满足全反射条件:光在光纤中将折射损耗掉 不满足相位一致条件:光在光纤中将逐渐衰减损耗掉 光纤模式 模式是波动理论的概念。 在波动理论中,一种电磁场的分布称之为一个模式。电磁场不是以连续而是以离散的模式在光纤在传播。 在射线理论中,通常认为一个传播方向的光线对应一种模式,有时也称之为射线模式。 光在单模光纤中传播 传播常数?:表明场沿轴向方向传播分量情况。 传播常数必须满足条件: n2k b n1k 模式:在传播过程中只有相位变化,没有形状的变化,且始终满足边界条件,这种空间分布称为模式。 进入光纤的光分解成称为“模式”的离散光束,模式是在光纤内部存在的稳定的电磁场模型。 每个模式可认为是以特定传播角传播的一个独立光束。 以不同角度入射到光纤的射线将形成光纤中不同的模式。 光纤模式 ??完全沿着光纤中心轴线传播的模式称为“基模”。 ??模式的传播角度越大,它的级就越高。 ??最高级的模式就是以临界角传播的模式。 ??只支持一个模式(基模)的光纤被称作单模光纤。 ??可支持多个模式的光纤为多模光纤。 光纤模式 在传输方向无磁场的模式称为横磁模TM。 在传输方向无电场的模式称为横电模TE。 沿着传播方向,E和H都拥有分量,这些模式称为混合模。 磁场贡献为主(Hz Ez)——HE模。 电场贡献为主(Ez Hz)——EH模。 在弱导光纤中,沿着传播方面,E、H分量都近似零。存在的模式为线性偏振(Linearly Polarized)模——LP 阶跃光纤中的传导模式分布: 模式间的相位差,不利于高速码的传输 基模 一次模 二次模 渐变光纤中的传导模式分布: T=s/v 选择适当的折射率分布,路径和速率相互补偿,减小时延差,传输高速码。 基模 一次模 二次模 多模光纤与单模光纤 单模光纤是只传导一个模式的光纤 多模光纤是传导多个模式的光纤 阶跃多模 梯度多模 归一化频率 (重要参数) 某个模式成为导波模的条件是,它的传播常数b满足下列条件:n2k b n1k。导波模和辐射模的分界点(截止条件)为: b = n2k。与截止条件相对应的重要参数是归一化频率V: 它决定了光纤可支持的模式总数。下图给出了b/k和V的关
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