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光波导技术 第3章光波导技术基础 本章节主要内容 第一部分：光波导的几何光学分析 第二部分：光波导的波动光学分析 第三部分：光纤的介绍 3.1绪论 “导光”的古老历史 “光纤之父”----高锟博士 光波导技术的迅猛发展 光波导的基本概念 光波导的主要种类 光波导的一般理论 光波导的进一步分类 模式的概念 广阔的应用领域 光纤的分类 按模式分：单模 和多模 另个还还分为石英光纤 塑料光纤 二.光纤的参数 1.相对折射率 相对折射率纤纤芯折射率与包层折射率的差与纤芯折射率的比。 一般情况下， 称之为弱导近似。例如：SM光纤0.3%，多模光纤1% 2.数值孔径 最大受光角的正弦与入射区折射率的乘积与入射区折射率的乘积。 对阶跃型光纤 利用斯涅尔定律 消去得 于是 于是 数值孔径的意义：NA代表光纤接收光的能力，只有在的光锥内的光才可能在光纤中发生全反射而向前传播。 3.归一化频率 综合光纤芯子半径、覆盖层与波导层折射率、工作光波长，光纤的结构参量用光纤归一化频率V表示 单模光纤必须满足以下条件： 对阶跃型光纤 若V2.405，传播模式数会急剧增加 注意包层的作用： 思考题：包层对单模和多模光纤的作用与影响。 4.折射率分布 一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为 式中 为光纤半径， 为光纤轴线上的折射率。 为包层折射率。 时即为阶跃光纤， 即为渐变折射率光纤 三.光纤的传播模式 1.光纤的光线 ①子午光线 当在任何一根光纤中，通过光纤中心轴线的任何平面称为子午平面，位于子午平面内的光线就称为子午光线。 ②斜射光线 当入射光线不通过光纤轴线时，传导光线将不在一个平面内，这种光线称为斜射光线。 如果将其投影到端截面上，就会更清楚地看到传导光线将完全限制在两个共轴圆柱面之间，其中之一是纤芯-包层边界，另一个在纤芯中，其位置由角度?1和?1决定，称为散焦面。 显然，随着入射角的增大，内散焦面向外扩大并趋近为边界面。在极限情况下，光纤端面的光线入射面与圆柱面相切（=90?），在光纤内传导的光线演变为一条与圆柱表面相切的螺线，两个散焦面重合。图 2.光纤中的传播模 在平板波导一节中，我们描述传播模式，由于只沿y轴一维方向。用一个常数m即可描述。对于光纤来说，有两维的边界条件，必须用两个x.y来描述。同样为了描述模式，也需要用两个参量l和m来描述。 光纤与平板波导的最本质区别在于：光纤在光纤中可以不经过光轴而传播，这就是所谓的偏折光线。 对子午光线来说，光纤中的波导模与平面波导类似分为TE和TM模。 对偏折光纤来说，其传播模包含Ez和Hz分量。其模式不再是单纯的TE和TM模，而是HE和EH模，称之为混合模。 在光纤中的传播模在满足弱导近似条件下。行波可看作平面极化波。这些波是线性极化波具有横向的电场和磁场特性。 每个LP模式，可用一个沿z轴方向传播的电场E 来表示，这个场分布或者称之为模式与r和有关，由于受两维边界条件的限制，可用l,m来表征。 那么传播模的场可用来 表示，传播模记为LPlm 很明显对于给定的l，m, 可以表征在坐标系中一个特定的模场。 光纤中是基模对应LP01,如图所示 l,m与LP中的光强分布有关 m,表示没半径到中心到边界极值的个数 2l表示沿圆周方向极值的数目。 不难看出l,m的意义 l,描述沿螺旋方向光的传播，或者说偏折光纤的贡献 m与光纤的反射角有关（与平板波导中的m类似） 从上述讨论可知，光通过不同的模式实现传输。每个模式对应特定的传播常数 每个模式具有它的群速度 的色散特性。 为了研究问题方便，引入一个归一化传播常数，它只依赖于归一化频率V 由上述定义可知：b的下限为0, b与v关系如图所示 上图意义： 1）对于基模来说，它存在于所有的V中，即基模永不截止。 2）LP01在V＝2.405处截止，即v2.405时不会有：LP01模式存在，只有基模存在， 3）若已知V可求出b,进而求出 及所允许的专有模式。 3.4光纤中的色散与脉冲展宽 1.材料色散 对单模光纤，光纤中只有一个模式，所以不存在模式间的色散，这是单模光纤的优点。然而即使在单模光纤中，芯层折射率会随着入射波长的变化而变化，仍会产生色散光传播速度依赖于芯层折射率，这就意味着波的传播速度与波长有关。 这种色散是由波长与波导材料的相关性产生的，称之为材料色散 实际中不存在完美的单色光源，即使单色性很好的光源也有一定的谱宽，谱宽与激光器的性能有关，但就远不可能为0.不同的波长通过基模，用不同的群速度传输，这样不同波长的光会用不同的传播速度