对于单模光纤.PPT

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对于单模光纤

第2章 光纤与光缆 第2章 光纤与光缆 光纤通信系统是指利用激光作为信息的载波,并通过光纤来传递信息的通信系统。 从20世纪70年代开始,光纤通信快速发展,目前在世界范围内成为最重要的通信手段。 利用光纤作为传输介质的光纤通信,有如下优点: (1) 载波频率高有极大的通信容量; (2) 直径细,质量轻; (3) 基质材料是石英,来源丰富,可以节约大量金属; (4) 不受电磁干扰,同时也不产生电磁干扰。 第2章 光纤与光缆 2.1 光纤的结构与模式 2.1 光纤的结构与模式 2.1.1 光纤的结构 光纤的全称是光导纤维(Optical Fiber),是一种传输光能量的介质结构,所传光的波长在可见光和红外光区域。其基本结构如图1.1所示。 光能够被束缚在光纤心中传输的必要条件是纤心的折射率(至少在截面的某些区域)大于包层的折射率。护套在光学上几乎与纤心隔绝,可以忽略其影响。纤心内,折射率分布可以是均匀的或是渐变的,也可能是更复杂的分布。 2.1 光纤的结构与模式 图2.1给出了一些常见光纤的折射率分布。 图2.1 光纤的折射率分布 2.1 光纤的结构与模式 根据光纤中光场的传输模式,光纤可分为单模光纤和多模光纤。 折射率 由制作光纤的材料决定,在光纤分析中通常定义相对折射率差 ,通常单模光纤的相对折射率差 满足 ,多模光纤的相对折射率差 满足 。 可见, , ,是弱导光波导。制作光纤的材料通常有高纯石英( )、多组分玻璃和有机聚合物等材料,详细情况参见2.2节。 2.1 光纤的结构与模式 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念 1. 子午线的数值孔径 在光纤中,光线有两种,一种是始终处在一个平面里,经过波导的中心轴线,在光纤心与包层界面上作全反射,呈锯齿形,这种射线称为子午线,如图2.2(a)所示。 另一种光线不在同一平面里,不经过光纤的中心轴线,但仍在光纤心与包层的界面上作全反射,这种光线的范围是在边界面和焦散面之间,称为偏射线,如图2.2(b)所示。 2.1 光纤的结构与模式 子午线是平面曲线,偏射线是空间曲线。偏射线的极限 是焦散面与心包层界面重合,这时偏射线称为螺旋线, 如图2.2(c)所示。 图2.2 子午线和偏射线 2.1 光纤的结构与模式 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念 光纤端面外侧是另外一种介质,一般是空气,其折射率为 ,入射光线与光纤轴成 角,根据折射率定律,有 (2.1) 只有当入射角 大于临界角 时,光才在波导内作全反 射,才可以形成导波,因此, > ,即 > 。 为了得到导波,外面光线的入射角 必须满足下式: 2.1 光纤的结构与模式 (2.2) 即 。 可以激发导波的入射光线的最大角度 的正弦值即为数值孔径NA 。 一般情况下 ,则数值孔径 。数值孔径越大,则入射光线越容易进入光纤形成导波。此计算是依据子午线而进行的,偏射线需要修正。 2.1 光纤的结构与模式 2.1.2 阶跃折射率光纤分析的基本概念 2.偏射线 入射光线 ,其方向单位矢量 , , , 为光线的方向余弦,即与坐标之间的夹角余弦。 入射到波导端面上的某一点 , 。光线进入光纤后,在界面上进行全反射,每段射线为 , … ,其单位矢为 , … ,这些射线不经过轴线。 2.1 光纤的结构与模式 在射线与界面的交点处设想一个平面与界面相切,这个平面与光纤有一条切线,且与光纤轴线平行,每一个交点与轴线之间的距离为 , … , ,反射时有如下规律: (1) 入射光线、反射光线和法线现在一个平面内,法线

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