第三章光纤 心3.1光纤概述 3.2光纤的导光原理 3.3相对折射指数差和数值孔径N4 3.4阶所型光纤的波动光学理论 今3.5阶所型光纤的标量模 今3.6可导与截止 ◆3.7断变型光纤的理论分析 3.8光纤的损耗特性 3.9光纤的色散特性 令3.10单模光纤 ◇3.11光纤的传输带宽
❖3.1光纤概述 ❖3.2光纤的导光原理 ❖3.3相对折射指数差Δ和数值孔径NA ❖3.4阶跃型光纤的波动光学理论 ❖3.5阶跃型光纤的标量模 ❖3.6可导与截止 ❖3.7渐变型光纤的理论分析 ❖3.8光纤的损耗特性 ❖3.9光纤的色散特性 ❖3.10单模光纤 ❖3.11光纤的传输带宽 第三章 光纤
L光纤概述 1光纤结构 光纤的典型结构是多 层同轴圆柱体由图3-1-1 涂覆层 包层 纤芯 所示,自内向外为纤芯 包层及涂覆层。纤芯和 包层合起来构成裸光纤 光纤的光学及传输特性 主要由它决定。涂覆层 图31-1光纤结构 的作用是增强光纤的机 械强度
1光纤结构 ❖光纤的典型结构是多 层同轴圆柱体由图3-1-1 所示，自内向外为纤芯、 包层及涂覆层。纤芯和 包层合起来构成裸光纤， 光纤的光学及传输特性 主要由它决定。涂覆层 的作用是增强光纤的机 械强度
2阶跃型光纤和断变型光纤 令光纤按折射率分布来分类,一般可分为阶跃 型光纤和渐变型光纤。 1)阶跃型光纤 令如果纤芯折射率(指数n1半径方向保持一定, 包层折射率n2沿半径方向也保持一定,而且纤 芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光 纤,称为阶跃型光纤,又可称为均匀光纤, 的结构如图3-1-2(a)所示
2 阶跃型光纤和渐变型光纤 ❖光纤按折射率分布来分类，一般可分为阶跃 型光纤和渐变型光纤。 (1) 阶跃型光纤 ❖如果纤芯折射率(指数)n1半径方向保持一定， 包层折射率n2沿半径方向也保持一定，而且纤 芯和包层的折射率在边界处呈阶梯型变化的光 纤，称为阶跃型光纤，又可称为均匀光纤，它 的结构如图3-1-2(a)所示
(2)渐变型光纤 ☆如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小,而包 层中折射率n2是均匀的,这种光纤称为渐变型光纤, 又称为非均匀光纤,它的结构如图3-1-2(b)所示。 (a)均匀光纤的折射率 (b》非均匀光纤的折射率 剖面分布 剖面分布 图3-1-2光纤的折射率剖面分布
(2) 渐变型光纤 ❖如果纤芯折射率n1随着半径加大而逐渐减小，而包 层中折射率n2是均匀的，这种光纤称为渐变型光纤， 又称为非均匀光纤，它的结构如图3-1-2(b)所示
3.2光纤的导光原理 1阶跃折射率光纤的导光原理 光线入射在纤芯与包层界面上会发生全 反射,当全反射的光线再次入射到纤芯 与包层的分界面时,它被再次全反射回 千芯中,这样所有满足01>0的光线都会 被限制在纤芯中而向前传输,这就是光 纤传光的基本原理
1阶跃折射率光纤的导光原理 ❖光线入射在纤芯与包层界面上会发生全 反射，当全反射的光线再次入射到纤芯 与包层的分界面时，它被再次全反射回 纤芯中，这样所有满足θ1＞θc的光线都会 被限制在纤芯中而向前传输，这就是光 纤传光的基本原理
2渐交型折射率光纤的导光原理 ◇渐变折射率光纤可以降低模间色散,如图3 2-2所示 ☆选择合适的折射率分布就有可能使所有光 线同时到达光纤输出端。 图3-2-2梯度折射率光纤中光线的传播情况
2 ❖渐变折射率光纤可以降低模间色散，如图3- 2-2所示 ❖选择合适的折射率分布就有可能使所有光 线同时到达光纤输出端
对折射准数差△和数值孔名M 令相对折射指数差△和数值孔径NA是描述 光纤性能的两个重要参数。 1相对折射指数△ ☆光纤纤芯的折射率和包层的折射率的相 差程度可以用相对折射指数差Δ来表示 ◆相对折射指数△很小的光纤称为弱导波 光纤
❖相对折射指数差Δ和数值孔径NA是描述 光纤性能的两个重要参数。 1相对折射指数Δ ❖光纤纤芯的折射率和包层的折射率的相 差程度可以用相对折射指数差Δ来表示 ❖相对折射指数Δ很小的光纤称为弱导波 光纤
2数值孔径NA ◇表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光 纤的数值孔径,用NA表示 冷数值孔径越大表示光纤捕提射线的能力就越强 由于弱导波光纤的相对折射指数差△很小,因此 其数值孔径也不大 令对于阶跃型光纤,数值孔径为常数 对于渐变型光纤,由于纤芯中各处的折射率是 不同的因此各点的数值孔径也不相同。我们把射 入点r处的数值孔径称为渐变型光纤的本地数值孔 径用NA(r)表示
2数值孔径NA ❖表示光纤捕捉光射线能力的物理量被定义为光 纤的数值孔径，用NA表示。 ❖数值孔径越大表示光纤捕捉射线的能力就越强。 由于弱导波光纤的相对折射指数差Δ很小，因此 其数值孔径也不大。 ❖对于阶跃型光纤，数值孔径为常数 ❖对于渐变型光纤，由于纤芯中各处的折射率是 不同的因此各点的数值孔径也不相同。我们把射 入点r处的数值孔径称为渐变型光纤的本地数值孔 径用NA(r)表示
3.4阶跃型光纤的波动光学理论 1光纤传输光波的波动方程 光纤材料是各向同性介质,光波在光纤中 的传输满足麦克斯韦方程组。在无源空间电 场强度E和磁场强度H满足亥姆霍兹方程: V E+kn E=0 tHAnH=o ☆直接求出亥姆霍兹方程的矢量能十分繁琐 得到的解也较为复杂,所以一般采用标量近 似解法
3.4阶跃型光纤的波动光学理论 1光纤传输光波的波动方程 ❖光纤材料是各向同性介质，光波在光纤中 的传输满足麦克斯韦方程组。在无源空间电 场强度E和磁场强度H满足亥姆霍兹方程： ❖直接求出亥姆霍兹方程的矢量能十分繁琐， 得到的解也较为复杂，所以一般采用标量近 似解法
2标量近似解法 令通信光纤中的纤芯和包层折射率差很小,光纤 中的光线几乎与光纤轴平行。这种波非常接近 TEM波,其电磁场的轴向分量E2和H非常小, 而横向分量E和H很强。 令设横向电场沿y轴偏振,横向场即是F,则它 满足下面的标量波动方程: V E,+konE=0 令求解式(3-4-6),满足芯包界面边界条件,即是 光纤的标量解
2标量近似解法 ❖通信光纤中的纤芯和包层折射率差很小，光纤 中的光线几乎与光纤轴平行。这种波非常接近 TEM波，其电磁场的轴向分量Ez和Hz非常小， 而横向分量Et和Ht很强。 ❖设横向电场沿y轴偏振，横向场即是Ey，则它 满足下面的标量波动方程： ❖求解式(3-4-6)，满足芯包界面边界条件，即是 光纤的标量解
