[物理]第02章 光纤的结构与波导特性1.ppt

第二章 光纤的结构与波导特性;本章内容、重点和难点;学习本章目的和要求;2.1 光纤的导光原理与结构特性的射线分析 2.2 阶跃光纤的模式理论 2.3 单模光纤的色散 2.4 光纤损耗 2.5 光纤的非线性效应 2.6 光纤光缆设计与制造;2.1光纤的导光原理与结构特性的射线分析;图2.1 光纤结构示意图;2.1.2 光纤的类型 光纤的分类方法很多，既可以按照光纤截面折射率分布来分类，又可以按照光纤中传输模式数的多少、光纤使用的材料或传输的工作波长来分类。;1. 按光纤截面上折射率分布分类 按照截面上折射率分布的不同可以将光纤分为阶跃型光纤(Step-Index Fiber，SIF)和渐变型光纤(Graded-Index Fiber，GIF)，其折射率分布如图2.2所示。;图2.2 光纤的折射率分布; 光纤的折射率变化可以用折射率沿半径的分布函数n(r)来表示。 ;2. 按传输模式的数量分类 按光纤中传输的模式数量，可以将光纤分为多模光纤(Multi-Mode Fiber，MMF)和单模光纤(Single Mode Fiber，SMF)。 在一定的工作波上，当有多个模式在光纤中传输时，则这种光纤称为多模光纤。; 单模光纤是只能传输一种模式的光纤，单模光纤只能传输基模(最低阶模)，不存在模间时延差，具有比多模光纤大得多的带宽，这对于高码速传输是非常重要的。 3. 按光纤的工作波长分类 按光纤的工作波长可以将光纤分为短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。;4. 按ITU-T建议分类 按照ITU-T关于光纤类型的建议，可以将光纤分为G.651光纤(渐变型多模光纤)、G.652光纤(常规单模光纤)、G.653光纤(色散位移光纤)、G.654光纤(截止波长光纤)和G.655(非零色散位移光纤)光纤。 按套塑(二次涂覆层)可以将光纤分为松套光纤和紧套光纤。 现在实用的石英光纤通常有以下三种：阶跃型多模光纤、渐变型多模光纤和阶跃型单模光纤。;2.1.3 基本光学定义和定律 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：c＝2.997×105km/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)。; 反射定律：反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和入射光线处于法线的两侧，并且反射角等于入射角，???：θ1′＝θ1。 折射定律 ：折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和入射光线位于法线的两侧，且满足： n1sinθ1=n2sinθ2; 折射光到达纤芯包层界面时，若人射角ф满足关系sin ф n2／nl，则将再次发生折射。若入射角ф大于临界角ф c ，光线在纤芯——包层界面将发生全反射， ф c定义为 sin ф c =n2／n1 这种全反射发生在整条光纤上，所有ф ф c的光线都将被限制在纤芯中，这就是光纤约束和导引光传输的基本机制。;2.1.4 光纤中光的传播 一束光线从光纤的入射端面耦合进光纤时，光纤中光线的传播分两种情形：一种情形是光线始终在一个包含光纤中心轴线的平面内传播，并且一个传播周期与光纤轴线相交两次，这种光线称为子午射线，那个包含光纤轴线的固定平面称为子午面；另一种情形是光线在传播过程中不在一个固定的平面内，并且不与光纤的轴线相交，这种光线称为斜射线。;2.1.5 阶跃光纤 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，如图2.3所示。 ;图2.3 光线在阶跃型光纤中的传播;1. 数值孔径(NA) 对入射光来讲，只要进入纤芯中的光线满足ф ф c ，都将被限制在纤芯中，这样就可得到将入射光限制在纤芯所要求的与光纤轴线间的最大角度 n0sinθ1 = n1sinθ2 =(n12-n22)1/2 n0sinθ1称为光纤的数值孔径(NA)，代表光纤的集光能力。对于n1≈n2，NA可近似为 NA= n1(2△) 1/2 ，△=(n1- n2)/ n1 △为纤芯——包层相对折射率差;2.模间色散（多径色散） 表面上看， NA越大可以耦合进光纤的光线越多，以不同角度进入光纤的光线，在光纤中将延不同的途径传播，虽然在输入端同时进入光纤，但却不同时到达输出端，出现了时间上的分散，导致脉宽严重展宽，这种现象称为多径色散，模式理论中称为模间色散。;;2.1.6 渐变光纤 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，而是从芯区中心的最大值n1逐渐降低到纤芯—包层界面的最小值n2 ，大部分渐变光纤按二次方规律下降，可用所谓的“α分布”分析，其形式