第一章光学纤维的光线理论.ppt

第一节 引 言 一 光纤的结构 多模光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤两种。 渐变折射率光纤 （梯度折射率光纤） 它的折射率在径向是逐渐变化的，中心大，边缘小，纤芯和包层的边界不明显。 两种光纤折射率分布的示意图 二 何谓光线理论？ 当纤芯的直径是入射光波长的很多倍时，可以用几何光学的方法来讨论光线的传光原理，这就是所谓光线理论。 光线理论分为传统几何光学理论和光线力学理论。 如通常用于光纤通信的多模光纤直径为50μm，对于在真空中波长为0.8μm的光来说即满足上条件。 三 光纤导光原理 当光线以角度 φ入射到光纤端面上，又经折射进入光学纤维后，它在纤芯和包层的界面上以 ψ 角度反射。 如果我们选取适当的入射角，使 ψ 大于纤芯界面内壁上的全反射临界角ψc 时，光线就会在界面上发生全反射。 三 光纤导光原理 此全反射的光线又会以同样角度ψ在对面内壁上产生第二次全反射。 如果光纤是均匀的直圆柱体，那么入射光线在纤芯内经若干次全反射后则会从另一端出射。这就是光线在光纤中传播的简单原理。 第二节阶跃折射率光纤中子午光线的传播 一、子午光线 在任何一根光纤中，通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，它有无穷多个； 位于子午面内的光线称为子午光线，它在光纤端面上的投影即为光纤端面上的直径或是一个点。 讨论子午光线好处 由于子午光线和光纤中心轴处于同一平面内，则子午光线的数学处理可在一个平面内进行：根据光的反射定律，入射光线和反射光线始终处于同一平面内，因此，子午光线经多次全反射后仍在原入射平面内。 如果光纤是均匀的直圆柱体，则入射端光线只要满足全反射条件，它就会在另一端以相同入射角度出射。 二 全反射条件 见图，n1, n2分别为纤芯和包层材料的折射率，n0为周围介质的折射率，在界面上，若满足 （ 反射定律 ） 则ψ 就是全反射的临界角，记作ψc。 全反射条件的三种表示 全 反 射 条 件 的 含 义 这表明，要使子午光线能以全反射形式传播，则光线入射角必须满足 三． 光路长度和全反射次数 光路长度一般大于光纤长度，先考虑单位长度内的光路长度： 长 度 为 L 的 光 纤 总 光 路 长 度 和 总 全 反 射 次 数 光路长度与光纤直径无关，仅取决于光束入射角 φ 和 n1，n0； 全反射次数除有上述关系外，还与光纤直径有关，与 D 成反比。 第三节 斜光线的传播 入射到光纤端面上的光束，除子午光线外，还有斜光线，既不与中心轴平行，也不与中心轴相交的光线，此种光线的讨论须在三维空间中进行。 由于斜光线和中心轴不在一个平面内，因而斜光线每进行一次全反射，平面方位就改变一次，其光路轨道是螺旋折线，在端面投影如下图。 斜 光 线 的 传 播 示 意 图 一、斜光线的全反射条件 Q K为入射的斜光线； H为K在端面上的投影； T为H在通过Q点直径上的垂足； HT垂直于QT； QT垂直于KHT平面。 斜光线的全反射条件 因此，在光纤中全反射传播的斜光线须满足：? 如果是子午光线入射．．． 由于cosγ≤1,故可知斜光线的数值孔径要比子午光线大。 二、光路长度和全反射次数 2 全反射次数 与子午光线相比较 第四节 光学纤维的弯曲 前面，我们将光学纤维作为直圆柱体来讨论，实际上，光纤通常是在弯曲条件下来传递光的能量的，本节仅以子午光线为例来说明光纤弯曲对光线传播的影响。 单位长度上子午光线的光路长度 单位长度的全反射次数 单 位 长 度 的 全 反 射 次 数 单 位 长 度 的 全 反 射 次 数 单位长度的全反射次数  光纤弯曲时的数值孔径 三． 弯 曲 限 度 弯 曲 限 度 输出光和 的关系 经 验 法 则 第五节 子午光线的色散 所谓光纤色散是指光纤中传输的光信号到达终端时产生信号畸变的现象。对于多模光纤，由于其中多个传输模式的存在而引起的信号展宽称作模式色散。 模式色散所考察的问题是：当同一个频率的光以不同的小于全反射临界角入射时，最晚和最早到达终点的时差为多少？即最大的群延时差为多少？今以速度的观点分析。 不同的入射角ψ，沿ｚ轴方向将对应不同的速度 则最快到达终点的时间t0为 由上式可见，△愈小，τ 愈小。用传播脉冲的个数来说，则，Δ愈小，可传播的脉冲个数愈多。若输入窄脉冲，则输出脉冲被展宽。 第六节 梯度折射率光纤的