第三讲光纤的导光原理
第三讲 光纤的导光原理
主要内容 光的基本特性 、阶跃光纤的导光原理分析 、渐变光纤的导光原理分析 四、光纤的模式 五、光纤的特性参数
主要内容 • 一、光的基本特性 • 二、阶跃光纤的导光原理分析 • 三、渐变光纤的导光原理分析 • 四、光纤的模式 • 五、光纤的特性参数
沽线 射介质 折射介质 光的反射与折射示意图
光的反射与折射示意图
b 光的全反射示意图
光的全反射示意图
n n ①②2 阶跃光纤的导光原理示意图
①② n1 n2 n2 n1 n2 阶跃光纤的导光原理示意图 1 2 0 3 4
阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布,在轴向呈均匀 分布,n2是包层折射率,n1是纤芯折射率。假设图中的阶跃 型光纤为理想的圆柱体,光线若垂直于光纤端面入射,并 与光纤轴线重合,或平行,这时光线将沿纤芯轴线方向向 前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时,光线进入 纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时,发 生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输,必须使光线 在纤芯与包层的界面上发生全反射,即入射角大于临界角 。由前面分析已知光纤的临界角为 。= arcsin(2)
阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布，在轴向呈均匀 分布， 是包层折射率， 是纤芯折射率。假设图中的阶跃 型光纤为理想的圆柱体，光线若垂直于光纤端面入射，并 与光纤轴线重合，或平行，这时光线将沿纤芯轴线方向向 前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时，光线进入 纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时，发 生全反射或折射现象。 若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使光线 在纤芯与包层的界面上发生全反射，即入射角大于临界角 。由前面分析已知光纤的临界角为 n2 n1 arcsin( ) 1 2 n n c =
n n1 n 渐变光纤的导光原理示意图
渐变光纤的导光原理示意图
为了分析渐变型光纤中光的传播,将纤芯划分成若干同轴的 薄层,假设各层内折射率均匀分布,而每层折射率从里到外逐渐 若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时,由 于是从光密介质射向光疏介质,折射接角大于入射角,光线将折射 进第二层射向与第三层的交界面,并再次发生折射进入第三层,依 次第推,由于光线都是从光密介质射向光疏介质,入射角将随折射 次数增大。当在某一界面处(图中是在第三层和第四层的界面上) ,入射角大于临界角时,光线将出现全反射,方向不再朝向包层而 是朝向轴心。之后光线是从光疏介质射向光密介质,入射角逐渐减 小,直至穿过轴心后,光线又出现从光密介质射向光疏介质,重复 上述折射过程。因此,当纤芯分层数无限多,其厚度趋于零时,渐 变型光纤纤芯折射率呈连续变化,光线在其中的传播轨迹不再是折 线,而是一条近似于正弦型的曲线
为了分析渐变型光纤中光的传播，将纤芯划分成若干同轴的 薄层 ，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率从里到外逐渐 减小，即有 ＞ ＞ ＞ ＞…。 若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时，由 于是从光密介质射向光疏介质，折射接角大于入射角，光线将折射 进第二层射向与第三层的交界面，并再次发生折射进入第三层，依 次第推，由于光线都是从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射 次数增大。当在某一界面处（图中是在第三层和第四层的界面上） ，入射角大于临界角时，光线将出现全反射，方向不再朝向包层而 是朝向轴心。之后光线是从光疏介质射向光密介质，入射角逐渐减 小，直至穿过轴心后，光线又出现从光密介质射向光疏介质，重复 上述折射过程。因此，当纤芯分层数无限多，其厚度趋于零时，渐 变型光纤纤芯折射率呈连续变化，光线在其中的传播轨迹不再是折 线，而是一条近似于正弦型的曲线。 n11 n12 n13 n14
光纤的光学参数 相对折射率差Δ 数值孔径NA
光纤的光学参数 • 相对折射率差Δ • 数值孔径 NA
相对折射率差△ 对于阶跃型光纤,假设是n2包层折射率,n1是纤芯折 射率,且n1>n2,n1和n2的差值大小直接影响光纤的性 能。故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。 △ 2n,2 对于通信光纤,n1≈n上式简化成为 △ 对于渐变型光纤,若轴心处(r=0)的折射率为n(0),则相 对折射率差定义为 △=h(02-m2 2n()
相对折射率差Δ 对于阶跃型光纤，假设是 包层折射率， 是纤芯折 射率，且 ＞ ， 和 的差值大小直接影响光纤的性 能。故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。 对于通信光纤， ≈ ，上式简化成为 对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为 ,则相 对折射率差定义为 2 1 2 2 2 1 2n n − n = n1 n1 n1 n1 n2 n2 n2 n2 2 2 2 2 2 (0) (0) n n − n = 1 1 2 n n − n = n(0)