光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 按光纤传输特性的不同，光纤又分为单模光纤和多模光纤。光纤中的传输模式按照场分布中 纵向场分量(E、Hz)的特性，可分为横向模和混 ()单溪光好 合模两大类，横向模记为：TEam和TM6m,混合模可 折射罩一 记为：EHm和HEmm,角标m,n分别表征了该模式 一包层 场分布在横向角度方向上的波节数和在径向r方向 上的波节数。 通常，将HE,模称为主模或基模。仅传播基模 折封率 40-10 的光纤叫单模光纤，能够传播多个传输模的光纤叫 多模光纤。单模光纤的纤芯直径为(5-15)um,多 模光纤的纤芯直径为(40-100)m。一般多模光纤 包层 折射率 纤芯折射率比包层高(1~5)%，而单模光纤高约 (0.10.5)%。本实验选用的是多模光纤. 图122光纤折射率分布 2.光纤传光原理 实验表明，当光线从折射率为1的介质入射到折射率为m的介质时，在介质分界面上将产 生折射现象。其规律是：入射角于折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即： sinp,sin=mm1,其中m1是光纤纤芯的折射率，2是其包层介质的折射率。因n>m,则<， 当入射角增大到某一角度时，折射率将等于90°，这时入射光线不再进入包层介质，而开始 产生全反射的入射角称为临界角，当0继续增大时，>90°，发生了全反射，于是光便在光纤中 沿轴向前传播。这就是光纤的波导原理。不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射， 势必有一些能量会辐射到包层中去，致使光能量不能有效传播。通常能在被导中传播的光为传输 模（导模），不能传播的光为辐射模。 3.光纤中光的传播 对于一定的光纤结构和光波长，在光纤中能够传播的模式数目是有限的。分析表明，可以传 播的传输模数为：Ms=%22,其中，=2 asqrt(m2/久，称为归一化频率或标称波导参数， 2a为光波导芯的宽度。 对于一个有确定结构的单模光纤，其基模光波长没有限制。相应于一2.405的光波长，是较 高一阶模式HE!的截止波长，或称为该单模光纤的截止波长。由归一化频率表示式，很容易求得 截止波长为：入=2：@sqrt(n2-m2V2.405,因此，在该光纤中，当传播的光波长>入时，将处于单模 工作，而当<入时，处于多模工作。 应当指出的是，由于V与光波长有关。所以，对某个波长的光来说是单模工作的光纤，对于 比它波长短的光来说，就可能传播两个以上的传输模，而成为多模光纤了。 4.光纤的特性参量 1)相对折射率差： 工程上定义△为纤芯和包层间的相对折射率差，即：△-1-(m12。当△<0.01时，上式简化 87 光纤光学与半导体激光器的电光特性实验 87 按光纤传输特性的不同，光纤又分为单模光纤和多模光纤。光纤中的传输模式按照场分布中 纵向场分量（Ez、Hz）的特性，可分为横向模和混 合模两大类，横向模记为：TE0m 和 TM0m，混合模可 记为：EHmn 和 HEmn，角标 m，n 分别表征了该模式 场分布在横向角度方向上的波节数和在径向 r 方向 上的波节数。 通常，将 HE11 模称为主模或基模。仅传播基模 的光纤叫单模光纤，能够传播多个传输模的光纤叫 多模光纤。单模光纤的纤芯直径为（5~15）µm，多 模光纤的纤芯直径为（40~100）µm。一般多模光纤 纤芯折射率比包层高（1~5）%，而单模光纤高约 （0.1~0.5）%。本实验选用的是多模光纤。 2. 光纤传光原理 实验表明，当光线从折射率为 n1 的介质入射到折射率为 n2 的介质时，在介质分界面上将产 生折射现象。其规律是：入射角于折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即： sinφ1/sinφ2=n2/n1，其中 n1 是光纤纤芯的折射率，n2 是其包层介质的折射率。因 n1>n2，则φ1<φ2， 当入射角φ1 增大到某一角度φ1 时，折射率将等于 90°，这时入射光线不再进入包层介质，而开始 产生全反射的入射角称为临界角，当φ1 继续增大时，φ2>90°，发生了全反射，于是光便在光纤中 沿轴向前传播。这就是光纤的波导原理。不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射， 势必有一些能量会辐射到包层中去，致使光能量不能有效传播。通常能在波导中传播的光为传输 模（导模），不能传播的光为辐射模。 3. 光纤中光的传播 对于一定的光纤结构和光波长，在光纤中能够传播的模式数目是有限的。分析表明，可以传 播的传输模数为：MSI=[V/(π/2)]2 /2，其中，V=2πasqrt(n1 2 -n2 2 )/λ，称为归一化频率或标称波导参数， 2a 为光波导芯的宽度。 对于一个有确定结构的单模光纤，其基模光波长没有限制。相应于 V=2.405 的光波长，是较 高一阶模式 HE01 的截止波长，或称为该单模光纤的截止波长。由归一化频率表示式，很容易求得 截止波长为：λc=2πasqrt(n1 2 -n2 2 )/2.405，因此，在该光纤中，当传播的光波长λ>λc 时，将处于单模 工作，而当λ<λc 时，处于多模工作。 应当指出的是，由于 V 与光波长有关。所以，对某个波长的光来说是单模工作的光纤，对于 比它波长短的光来说，就可能传播两个以上的传输模，而成为多模光纤了。 4. 光纤的特性参量 1) 相对折射率差： 工程上定义Δ为纤芯和包层间的相对折射率差，即：Δ=[1-(n2/n1) 2 ]/2。当Δ<0.01 时，上式简化 图 12.2 光纤折射率分布