光纤光学第三章

第三章阶跃折射率光纤本章知识导图§3-1 几何光学分析法教学目标1、了解几何光学分析的基本思路；2、理解数值孔径、时延差的概念；3、了解斜光线与子午光线在传播上差异；教学重点1、理解数值孔径和时延差的概念；2、理解时延差与带宽的关系教学难点1、斜光线时延差的推导教学方法讲授教学形式多媒体学时分配2课时作业无§3.1-1 阶跃折射率光纤中子午光线的传播一、子午光线在任何一根光纤中，通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，它有无穷多个；位于子午面内的光线称为子午光线，它在光纤端面上的投影即为光纤端面上的直径或是一个点。

二、全反射条件• 见图，n1, n2分别为纤芯和包层材料的折射率，n0为周围介质的折射率，在界面上，若满足 • （ 斯涅尔定律 ）则ψ 就是全反射的临界角，记作ψc 。

三、数值孔径四、子午光线的时延差 1、渡越时间2、模间色散,221πψSinnSin n =3、传输带宽4、传输容量限制§3.1-2斜光线的传播1、斜光线全反射条件2、斜光线数值孔径3、最大时延差§3-2波导场方程及导模场解教学目标1、了解导模场方程的特点；2、推导导模场解教学重点1、导模场方程的特点；2、纵向场的物理意义；3、横向场的推导教学难点横向场的推导教学方法讲授教学形式多媒体学时分配1课时作业无圆柱波导中场解的描述形式标量模矢量模一、纵向分量的场解纵向分量解的形式：径向分量满足的方程：第一类贝塞尔函数J l (x)可解得：()()()()()()222212222222221010d F r dF r l k F r dr r dr r d F r dF r l k F r dr r dr r ββ⎧⎛⎫++--=⎪ ⎪⎪⎝⎭⎨⎛⎫⎪++--= ⎪⎪⎝⎭⎩()()()z z e r F r h r ⎡⎤⎢⎥⎣⎦:() (0)(,)(,)() ()il l z z il l A Ur J e r a B a e r h r C Wr K e r a D a φφφφ⎧⎡⎤≤<⎪⎢⎥⎡⎤⎪⎣⎦=⎨⎢⎥⎡⎤⎣⎦⎪>⎢⎥⎪⎣⎦⎩()2222201U k n a β=-()2222202W k n a β=-【例题1】光纤的纤芯折射率n1=1.5，包成的折射率n2=1.48，纤芯半径a=2μm，入射光的波长628nm，光纤内的纤壁入射角为φ=850。

求此光纤的归一化频率，芯区的纵向传播常数和横向传播常数，芯区和包成的横向归一化传播常数。

二、模式场解§3-3本征值方程教学目标1、了解导模场方程的特点；2、推导导模场解教学重点1、导模场方程的特点；2、纵向场的物理意义；3、横向场的推导教学难点横向场的推导教学方法讲授教学形式多媒体学时分配1课时作业无【新课教学】复习引入：在芯包层边界（r=a)连续条件：一、阶跃光纤的本征值方程(色散方程）令例如，在弱导近似下(n1≈n2即k1≈k2)§3-4 阶跃光纤的模式分析教学目标1、知道模式分类的依据；2、理解四种模式在截止和远离截止条件下的本征值方程及其意义；3、理解色散曲线及单模条件，并用于求解简单的问题教学重点1、四种模式在截止和远离截止条件下的本征值方程及其意义；2、应用色散曲线和单模条件求解简单的问题教学难点截止条件和远离截止条件下本征值方程的推导教学方法讲授教学形式多媒体学时分配3课时作业教材P44 3.5、 3.6 、3.8 补充题【教学过程】名称纵向分量横向分量TEM(横电磁波）Ez=0,Hz=0Et，HtTE（横电波）Ez=0,Hz≠0Et, HtTM（横磁波）Ez≠0,Hz=0Et, HtHE或EH（混合波）Ez≠0,Hz≠0Et, Ht模式鉴别参数根据q 的不同取值，可以将模式场分为两类：1、横电模TE定义l=0，且电场只有角向分量的模式，或由三个电磁场分量组成的模式称为横电模。

特征方程为：2、横磁模TM 定义l=0，且磁场只有角向分量的模式，或由三个电磁场分量组成的模式称为横电模。

特征方程为： 3、混合模定义l ≠0，且电磁场都是非零的模式为混合模。

混合模又分两类，称q =1的模为EH 模，q = -1的模称为HE 模。

EH 模的特征方程为：HE 模的特征方程为：二、矢量模的截止特性1、TE 和TM 模式r z e h h ϕ、、()()()()11000J U K W UJ U WK W +=z r h e ϕ、e 、()()()()212120100J U n K W UJ U n WK W +=()()()()110l l l l J U K W UJ U WK W +++=()()()()110l l l l J U K W UJ U WK W ---=2、 EH 模式本征方程模式截止条件：W=0, U=Vc截止时对应的特征方程的第二式：所以有： ，由此得：【例2】直径为8微米，芯区折射率为1.45，相对折射率差0.005，输入波长为1.55微米，那么能否传输EH 11阶模式？ 答：V=2.353、 HE 模式在所有的导模中，只有HE11模式的截止频率为零，亦即截止波长为无穷()()110()()l l l l J U K W UJ U WK W +++=()1()l l K W WK W +-→∞()0l UJ U =0 or ()0l U J U ==()0l J U =大。

HE11模式是任何光纤中都能存在、永不截止的模式，称为基模或主模。

例3：试证明在弱导近似下，HE 21模的截止频率等于TE 01和TM 01模的截止频率。

解：对于HE 2m 模(l =2)，弱导近似下，在截止状态时特征方程为：由贝塞尔函数的递推关系：可以看出，HE 2m 模在截止状态下的特征方程与TE om 和TM om 模是相同的。

J 0(u )=0的第一个根u 21=2.4048对应于HE 21模的截止频率，也是TE 01和TM 01模的截止频率。

(弱导近似)三、模式简并若不同模式具有相同的模方程（特征方程），即具有相同的色散特性和截止频率，则这些模式称为是简并的。

简并的模式有二类： 1、 TE0m,TM0m 模的简并TE TM 2、EH l -1，m 和HE l +1，m 模的简并()()0000''0()()K W J U WK W UJ U +=()()22201000''0()()n K W n J U WK W UJ U +=EHHE四、矢量模的远离截止状态远离截止状态1、TE 和TM 模式即2、EH lm 模式3、HE lm 模式五、色散曲线光纤中的导波模的特性由特征参数U 、W 、β决定。

U 、W 决定导波场的横向分布特点，β决定其纵向传播特性。

如果给定归一化频率V ，则可由各模式的特征方程求得相应的U 或W ，然后求出纵向传播常数β。

不同的V 值对应不同的β值，从而可以作出每一个模式的β-V 曲线。

这样的曲线称为光纤的色散曲线。

色散曲线：以归一化传播常数（相位常数）为纵轴，以V 为横轴。

()()()()110l l l l J U K W UJ U WK W +++=1111()()()()l l l l J U K W J U K W ++--+=()()()()110l l l l J U K W UJ U WK W ---=1111()()()()l l l l J U K W J U K W ++--+=∞→∞→V W ,()()11000()()K W J U WK W UJ U +=()()100J U UJ U =()10J U =()10l J U +=()10l J U -=几个低阶模的色散曲线六、单模条件● 单模条件：V c ＝(2π/λ0)a (n 12－n 22)1/2<2.405 ● 单模光纤尺寸：a c ＝1.202λ0/[π(n 12－n 22)1/2] ● 单模光纤截止波长：λc ＝πa (n 12－n 22)1/2/ 1.202 ● 单模光纤截止频率：f c ＝1.202c /[πa (n 12－n 22)1/2]●仅当λ>λc 或f < f c 时方可在光纤中实现单模传输。

这时，在光纤中传输的是HE 11模，称为基模或主模。

紧邻HE 11模的高阶模是TE 01、TM 01模和HE 21模，其截止值均为V c ＝2.405。

单模光纤的特点及应用：● 具有极小的色散和极低的损耗，一根光纤可传输数百兆甚至几千兆的宽带信息，无中继距离可达几十甚至数百公里。

● 基模的相位、偏振、振幅等参数对各种外界物理量（如磁场、电场、振动、应力、温度等）极为敏感，可制成灵敏度极高的各种光纤传感器。

● 利用单模光纤的非线性效应可制成光纤激光器与光纤放大器，还可用于测量和信息处理等方面具有不可比拟的优越性。

例4：已知一阶跃折射率光纤，n 1＝1.5，Δ＝0.002，a =6 μm ，当光波长分别为①λ0=1.55 μm ；②λ0=1.30 μm ；③λ0=0.85 μm 时，求光纤中传输哪些导模?解：（1）当λ0=1.55 μm 时，V ≈2.3<2.405，所以光纤中的导模只有HEll 模。

（2）当λ0=1.55 μm 时,V ≈2.8, ∵2.405<V <3.832, ∴光纤中的导模有HE 11,TE01,TM 01，HE 21模。

（3） 当λ0=0.85 μm 时,V ≈4.2, ∵ 3.832<V <5.136,22221212201121211122()()222n n a a V n n n n n n n n aaV n V n n n ππλλππλλ-=-=-+=⇒=∆∴光纤中的导模有HE 11,TE 01,TM 01,HE 21,EH 11 ,HE 31,HE 12模。

例5：利用单模条件估算光波系统中单模光纤的纤芯半径。

其中，取λ＝1.2μm ，n 1=1.45, ∆=5×10-3．解： 由阶跃折射率光纤的单模条件：V ＜ 2.405【课堂小结】补充作业：22120122()222V k a n n an V a n πλπλ=-=∆⇒=∆Q 32.4053.22 1.4525101.2a mmμπμ-<=⨯⨯⨯§3-5弱导光纤与线偏振模教学目标1、了解弱导近似的条件；2、理解线偏振模的本征解及其物理内涵；3、知道线偏振模的截止和远离截止条件；4、了解导模数目的估算；5、了解导模场分布图教学重点1、理解线偏振模的本征解及其物理内涵；2、知道线偏振模的截止和远离截止条件教学难点线偏振模本征解的推导教学方法讲授教学形式多媒体学时分配2课时作业教材P45 3.12、 3.13 、3.22 补充题【教学过程】◆ 光纤中纤芯和包成折射率差很小，光纤中光线几乎 与光纤轴平行，这种波非常接近于TEM 波。