光纤光学课件第一章

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光纤光学 第一章

光纤传输的基本理论

W-C Chen Foshan Univ.

幻灯片2 §1. 前言

低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。

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光纤的分类

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(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤； （c） 单模光纤

横截面折射率分布r输入脉冲Ai纤芯光线传播路径包(a)2b2antrAi(b)125?m50 ?mntrAi(c)125?m～10 ?mnt 多模光纤 幻灯片5

阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）

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单模光纤

多模光

纤

幻灯片6 光纤结构

? 光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆

柱形细丝。

? 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。 ? 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。

? 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是

n1>n2。

幻灯片7 主要用途：

突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。 渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。 单模光纤用在大容量长距离的系统。

特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平

1.55μm色散移位光纤实现了10 Gb/s容量的100 km的超大容量超长距离系统。 色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。 偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统， 这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。

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幻灯片8

§2.光纤的研究方法 ——光线理论

几何光学方法 波动光学方法 ????d 模式 波导场方程 边值问题 模式 适用条件 ?????d 研究对象 光线 基本方程 射线方程 研究方法 折射/反射定理 主要特点 约束光线 幻灯片9 光线理论 ? 光线分类

? 子午光线 ? 倾斜光线 射线方程

几何光学法分析问题的两个出发点 ? 数值孔径 ? 时间延迟 幻灯片10

? 设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1， 纤芯中心轴线与z轴一致。 ? 光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0

后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度ψ1入射到包层(n1>n2)。

32y?c?c??1lLx纤芯n1包层n21z23o?1 突变型多模光纤的光线传播原理

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幻灯片11

改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。 根据全反射原理， 存在一个临界角θc。

?当θ<θc时，相应的光线将在交界面发生全反射而返回纤芯， 并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯奈尔(Snell)定律得到

n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1

?当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)， 如光线2，

?当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。 由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。 幻灯片12

根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。根据定义和斯奈尔定律

NA=n0sinθc=n1cosψc ， n1sinψc =n2sin90 n0=1，由式（2.2）经简单计算得到

NA?n?n?n12?

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2122

式中Δ=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。

NA表示光纤接收和传输光的能力，NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强，从