第2章光导纤维概要.ppt

人民邮电出版社 第2章　　光导纤维 2.1 光纤的结构和分类 2.2 用射线理论分析光纤的导光原理 2.3 用波动理论法分析光纤的导光原理 2.4 单模光纤 2.5 光纤的传输特性 2.6 光纤的非线性效应 2.1 光纤的结构和分类 2.1.1 光纤的结构 2.1.2 光纤的分类 2.1.1 光纤的结构 光纤有不同的结构形式。 通信用的光纤绝大多数是用石英材料做成的横截面很小的双层同心圆柱体，外层的折射率比内层低。 折射率高的中心部分叫做纤芯，其折射率为n1，直径为2a； 折射率低的外围部分称为包层，其折射率为n2，直径为2b。 2.1.1 光纤的结构 图2-1 光纤的结构 2.1.2 光纤的分类 按照光纤横截面折射率分布不同来划分 阶跃型光纤 纤芯折射率n1沿半径方向保持一定，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，又称为均匀光纤。 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。 2.1.2 光纤的分类 图2-2光纤的剖面折射率分布 2.1.2 光纤的分类 按照纤芯中传输模式的多少来划分 单模光纤 光纤中只传输一种模式时，叫做单模光纤。 单模光纤的纤芯直径较小，约为4～10μm。 适用于大容量、长距离的光纤通信。 多模光纤 在一定的工作波长下，多模光纤是能传输多种模式的介质波导。 多模光纤可以采用阶跃折射率分布，也可以采用渐变折射率分布。 多模光纤的纤芯直径约为50μm。 2.1.2 光纤的分类 图2-3光纤中的光射线轨迹 2.2 用射线理论分析光纤的导光原理 分析光纤导光原理有两种基本的研究方法 射线理论法（简称为射线法，又称几何光学法） 波动理论法（又称波动光学法） 2.2 用射线理论分析光纤的导光原理 2.2.1 平面波在两介质交界面的反射与折射 2.2.2 阶跃型光纤的导光原理 2.2.3 渐变型光纤的导光原理 2.2.1 平面波在两介质交界面的反射与折射 1．均匀平面波的一般概念 2．平面波在两介质交界面上的折射与反射 3．平面波的全反射 1．均匀平面波的一般概念 均匀平面波的一般概念 平面波是指在与传播方向垂直的无限大平面的每个点上，电场强度E的幅度相等、相位相同，磁场强度H的幅度也相等、相位也相同。 或者说，这种波的等幅、等相位面是无限大的平面。 1．均匀平面波的一般概念 图2-4 沿正z轴方向传播的均匀平面波 1．均匀平面波的一般概念 均匀平面波在均匀理想介质中的传播特性可通过以下3个参量来描述。 （1）传播速度v （2）波阻抗Z （3）相位常数k 1．均匀平面波的一般概念 传播速度v 定义：平面波的传播速度是指在平面波的传播方向上等相位面的传播速度，故又称为相速。 表达式： 1．均匀平面波的一般概念 波阻抗Z 定义：如图2-4所示，电场强度仅有x分量，而磁场强度仅有y分量，电场Ex和磁场Hy之比所得到的Z具有阻抗的量纲，称为波阻抗。 表达式： 说明：自由空间波阻抗Z0是指平面波在自由空间传播时的波阻抗。 1．均匀平面波的一般概念 相位常数k 定义： k代表了在单位长度上相位变化了多少，称之为相位常数，也称为波数。 表达式： 当平面波在介质中传播时， 2．平面波在两介质交界面上的折射与反射 图2-5 平面波的反射和折射 2．平面波在两介质交界面上的折射与反射 平面波沿k1方向由介质1射到两介质的分界面上，这时将产生反射和折射。 一部分能量沿k1′方向反射回原来的介质，这称为反射波； 一部分能量沿k2方向进入第二种介质，称为折射波。入射线、 反射线和折射线各在k1、k1′和k2方向，θ1 ， θ1′，θ2为入射线、反射线、折射线与法线之间的夹角，分别称为入射角、反射角和折射角。 反射和折射的基本规律是由斯奈耳定律和菲涅尔公式表示的。 2．平面波在两介质交界面上的折射与反射 （1）斯奈耳定律 斯奈耳定律说明反射波、折射波与入射波方向之间的关系。 反射定律： θ1=θ1′ 折射定律： n1sinθ1= n2sinθ2 2．平面波在两介质交界面上的折射与反射 n代表介质的折射指数。 物理概念：光在真空中的传播速度与在介质中的传播速度之比被定义为介质的折射指数（或称折射率），用符号n表示。 n越大的介质，光波在其中传播的速度越慢。 2．平面波在两介质交界面上的折射与反射 （2）菲涅尔公式 菲涅尔公式表明反射波、折射波与入射波的复数振幅之间的关系。 2．平面波在两介质交界面上的折射与反射 反射系数R= 折射系数T= 2．平面波在两介质交界面上的折射与反射 式中R和T都是复