光波在光纤波导中的传播共30页文档

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2.6光波在光纤波导中的传播3.23

2019/4/2 10
P n1 Q
n2
P r
n1
n2 (a) P
Q
rt
P

r
n1
Q (b)
n2
Q
图2-17 阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径 (a) 子午光线的锯齿路径；(b) 偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。
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（1）子午光线
当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界
NA n1 (2)
1/ 2
(2-104)
2019/4/2
15
（2）斜射光线
当入射光线不通过光纤轴线时，传导光线将不在一个平面内，这种光线称为斜射光线。
如果将其投影到端截面上，就会更清楚地看到传导光线将完全限制在两个共轴圆柱面之间，其中之一是纤芯-包层边界，另一个在纤芯中，其位置由角
度1和1决定，称为散焦面。
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z
=2/
f (a)
fmin=1/n(0)
1/n(0) /2 / 2/ 3/ z
A
(b)
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图2-22 自聚焦光纤的透镜特性 (a) 子午光线；(b) f 的周期变化
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（2）平方律折射率分布光纤中光线的群迟延和最大群迟延差
光线经过单位轴向长度所用的时间称为比群迟延即单位长度的群迟延。在非均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。沿光线轨迹经过距离s所用的时间为
sin
(s) 0m
sin cos
(2-108)
( m) 式中 0m 是传导子午光线的最大入射角,γ 为入射面与
子午面的夹角。
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根据1 和1的不同取值范围，可以将斜射光线分为

2.5光波在光纤波导中的传播详解

光纤可视为圆柱波导，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内（a图），也可以不在通过光纤轴线的主截面内（b图）。要完整的确定一条光线，必须用光线在界面的入射角和光线与光纤轴线的夹角。 P P
n2 r n1 n1 Q (a) rt P P n1 r n2 Q

Q
(b) 图2 阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径 (a) 子午光线的锯齿路径；(b) 偏斜 2018/10/29 9 光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。
3
③塑料光纤成本低，材料损耗大，温度性能较差； ④红外光纤可透过近红外（1 ～5μm）或中红外（～10μm）的光波； ⑤液芯光纤纤芯为液体，可满足特殊需要； ⑥晶体光纤纤芯为晶体，有源、无源器件。
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4
2、光纤的特性
波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义为纤芯和包层间的相对折射率差
a 1
O
P
O O
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(a)
(b)
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图3阶跃光纤中的斜射光线
0
A
0 1
a
O
1
P
B O
O O
rt
Q C
(a)
(b)
图3阶跃光纤中的斜射光线 0为端面入射角，1为折射角， a为折射光线与端面的夹角。显然，随着入射角1的增大，内散焦面向外扩大并趋近为边界面。在极限情况下，光纤端面的光线入射面与圆柱面相切（1=90），在光纤内传导的光线演变为一条与圆柱表面相切的螺线，两个散焦面重合。
n2
P r n1
n2
Q
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设光线从折射率为n0的介质通过波导端面中心点入
射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定律：

光通信网络中光波在波导中的传播

光通信网络中光波在波导中的传播光通信网络已经成为现代社会的重要基础设施，因为光通信技术具有高速、高带宽和低损耗等优点。

其中，光波在波导中的传播是光通信系统的重要组成部分。

本文将探讨光波在波导中的传播原理、波导的种类和应用，以及未来光波在波导中的发展前景。

一、光波在波导中的传播原理波导是一种用于光波传输的结构。

它可以把光波捕捉和定向传输到特定的方向和位置。

波导的结构可以是光纤、光片、光阵列或微型结构。

其中，光纤是一种最常用的波导，它是通过高纯度石英玻璃制成的长条状结构，可以传输大量的光信号。

光波在波导中的传播主要遵循两个原理：全反射和衰减。

当光线从一个折射率较高的介质（如光纤）进入折射率较低的介质（如空气）时，光线会发生全反射。

因此，光波可以在光纤内部不断地反射，并在波导内部传播。

在传播过程中，光波会受到吸收和散射等因素的影响，导致波形失真和衰减。

因此，光波在波导中的传播距离和速度都受到一定的限制。

二、波导的种类和应用波导可以根据材料、结构和用途等方面进行分类。

下面是一些常见的波导类型。

1. 光纤波导：光纤波导是最常用的波导类型，它是由高纯度石英玻璃制成的长条状结构。

光信号可以通过光纤中的全反射传播，从而实现长距离的光通信传输。

2. 光片波导：光片波导是一种将波导集成在平面光电子元器件上的技术。

它可以实现高集成度、小尺寸、高速率和低功耗等优点，被广泛应用于数据中心、移动通信和卫星遥感等领域。

3. 光阵列波导：光阵列波导是一种将多个波导排列在一起的技术。

它可以实现高带宽、多通道和高效率等优点，被广泛应用于光通信网络、光学传感和生物医学等领域。

波导在许多领域中都有广泛的应用。

典型的应用包括光通信、光学传感、生物医学、光学计算和光学存储等领域。

在光通信领域中，波导被广泛应用于光纤通信、光无线电通信、微波光模块和光相干传输等方面。

在光学传感领域中，波导被用于光学传感器、光机传感器和纤维光学传感器等领域。

在生物医学领域中，波导被用于分子诊断、免疫分析和电生理学等应用。

光波在光纤波导中的传播

无偏振
当光波的电场矢量在垂直于传播方向上没有变化时，形成无
偏振光。
03
光纤波导的结构与性质
光纤的结构
光纤由纤芯、包层和涂覆层组成。纤芯是光波的传输通道，包层对光波进行限制，涂覆层保护光纤不受外界环境的影响。
纤芯的折射率高于包层的折射率，使光波在纤芯中形成全反射，从而实现光的导波作用。
光纤的尺寸和形状需精确控制，以确保光波在光纤中的稳定传输。
THANK YOU
光波的能量损失与色散
能量损失
光波在传播过程中由于吸收、散射等原因导致的能量衰减。
色散
不同频率的光波在同一种介质中具有不同的传播速度，导致光波的频率成分分离的现象。
05
光纤波导中的光波控制技术
光波的调制技术
强度调制
通过改变光波的强度（功率）来传递信息，通常使用电信号控制
激光器的电流来实现。
相位调制
光纤通信的应用
光纤通信在电信、广播电视、互联网等领域得到广泛应用，实现了高速、大容量的信息传输。
光纤通信技术还在医疗、军事、航空航天等领域有重要应用，如光纤传感器、光纤陀螺仪等。
02
光波的基本知识
光波的波动性质
01
02
03
波动性
光波作为电磁波的一种，具有波动性质，如干涉、衍射等。
传播速度
光纤的传输模式
光纤的传输模式是指光波在光纤中的传播方式。单模光纤和多模光纤是两种常见的传输模式。
多模光纤中，允许多个模式的光波同时传输，具有较大的传输损耗和较窄的频带范围，适用于短距离和小容量的信息传输。
单模光纤中，只允许一个模式的光波传输，具有较小的传输损耗和较宽的频带范围，适用于长距离和大容量的信息传输。