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第二章 光纤与光缆 2.1 光纤的结构和分类 阶跃型光纤 纤芯的折射率n1＝常数 包层的折射率n2＝常数 在纤芯和包层的交界面处折射率呈阶梯型变化 均匀光纤 突变型光纤 SI-Step Index 渐变型光纤 纤芯中折射率的变化是近似抛物线型的。 非均匀光纤 GI-Graded Index 2.2.1 几何光学方法－突变型多模光纤 突变型多模光纤导光原理 与内光线入射角的临界角θc相对应，光纤入射光的入射角θi有一个最大值θmax。θmax称为光纤端面入射临界角（简称入射临界角）。 2.2.1 几何光学方法－突变型多模光纤 导光原理 由反射及折射定律： 临界状态时，光线1：n0sinθmax = n1sinθr = n1cosθc 由全反射定律：n1sinθc = n2sin90° ∴sinθc = n2/n1 ? 解得： 由此可见，只有在半锥角为θi≤θmax的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。 2.2.1 几何光学方法－突变型多模光纤 1. 数值孔径 (Numerical Aperture, NA)： NA = n0sinθmax 当入射介质为空气时，NA为临界角θmax的正弦。 引入纤芯和包层相对折射率差： 当n1≈n2时，? = (n1-n2)/n1 ∴NA= 2.2.1 几何光学方法－突变型多模光纤 光纤数值孔径NA即：入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积。 2.2.1 几何光学方法－突变型多模光纤 NA表示光纤接收和传输光的能力。 2.2.1 几何光学方法－突变型多模光纤 NA(或θmax)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好。 从公式 NA = 上看，△越大，NA越大，光纤的收光效果越好。 但△太大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，会产生较为严重的模间色散，因而限制了信息传输容量。 2.2.1 几何光学方法－突变型多模光纤 2. 时间延迟 最短路径：当θi＝0°时，Lmin＝L。 最长路径：当θi＝θ0时，Lmax＝L/sinθc。 2.2.1 几何光学方法－突变型多模光纤 2. 时间延迟 到达输出端的最大时差ΔT： 利用?＝(n1-n2)/n1，得： 例1：一根突变型多模光纤的长度L=1km，纤芯的折射率n1=1.5，相对折射率差Δ=0.01，求其模式色散及传输容量。 解： 2.2.1 几何光学方法－渐变型多模光纤 在突变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由折射而形成的正弦振荡曲线形式，靠折射原理将子午线限制在纤芯中向前传播。 2.2.1 几何光学方法－渐变型多模光纤 渐变光纤中光射线的分析 2.2.1 几何光学方法－渐变型多模光纤 由于折射率的变化，光速也沿路径变化。虽然沿光纤轴线传输路径最短，但轴线上折射率最大，光传播最慢. 入射角大的光线路径长，但大部分路径在低折射率的介质中传播，光传输快。 通过合理设计折射率n1(r)分布，就有可能使纤芯中的不同射线以同样的轴向速度前进，使光线同时到达输出端，从而可以降低光纤中的模间色散。 3.2 光-检测器 3.3 光无源器件 光纤连接器和接头 光耦合器 光波分复用器 光隔离器与光环行器 光调制器 光开关 光隔离器(Optical Isolator) 隔离器的作用： 只允许光波往一个方向上传输，阻止光波往其他方向特别是反方向传输。 隔离器主要用在激光器或光放大器的后面，以避免反射光返回到该器件，致使器件性能变坏。 插入损耗和隔离度是隔离器的两个主要参数，对正向入射光的插入损耗其值越小越好，对反向反射光的隔离度其值越大越好。 隔离器工作原理： 由于入射光偏振方向与第一个偏振器透振方向相同，因此输入光能够通过第一个偏振器。 法拉弟旋转器能使光的偏振态旋转一定角度（例如45°)。 第二个偏振器的透振方向在45°方向上，因此经过法拉弟旋转器的光能够顺利地通过第二个偏振器。 当反射光通过法拉弟旋转器时再继续旋转45°，变成了水平偏振光。 但是水平偏振光不能通过左面第一个偏振器，于是达到光隔离效果。 与入射光偏振态无关的隔离器的工作原理： 入射光先通过空间分离偏振器（SWP），被分解为两个正交偏振分量，垂直分量直线通过，水平分量偏折通过。 两个分量通过法拉弟旋转器，偏振态顺时针旋转45°。 半波片将从左向右传播的光的偏振态顺时针旋转45°。 3.1 光源 光源是光发射机的关键器件，其功能