光纤光学课件第一章

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光纤光学课件第一章

1幻灯片 1 光纤光学第一章光纤传输的基本理论 W-C Chen Foshan Univ. 幻灯片 2 1. 前言低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。

光纤在工程上的使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科光纤光学。

幻灯片 3 光纤的分类幻灯片 4 2实用光纤主要的三种基本类型 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c ）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包Ait(a)输入脉冲光线传播路径～多模光纤幻灯片 5 阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）3 单模光纤多模光纤幻灯片 6 光纤结构光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆柱形细丝。

纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。

包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。

设纤芯和包层的折射率分别为 n1 和 n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。

幻灯片 7 主要用途：

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突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。

渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。

单模光纤用在大容量长距离的系统。

特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55 m 色散移位光纤实现了 10 Gb/s 容量的 100 km 的超大容量超长距离系统。

色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。

偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。

4幻灯片 8 2.光纤的研究方法光线理论几何光学方法波动光学方法适用条件研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题主要特点约束光线模式幻灯片 9 光线理论光线分类子午光线倾斜光线射线方程几何光学法分析问题的两个出发点数值孔径时间延迟幻灯片 10 设纤芯和包层折射率分别为 n1 和 n2，空气的折射率 n0=1，纤芯中心轴线与 z 轴一致。

光线在光纤端面以小角度从空气入射到纤芯(n0n1)，折射角为 1，折射后的光线在纤芯直线传播，并在纤芯与包层交界面以角度1 入射到包层(n1n2)。

幻灯片 11 改变角度，不

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同 相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。

根据全反射原理， 存在一个临界角 c 。

当 c 时， 相应的光线将在交界面发生全反射而返回

纤芯， 并以折线的形状向前传播， 如光线 1。

根据斯奈尔(Snell)定律得到 n0sin =n1sin 1=n1cos1 当 = c 时， 相

应的光线将以 c 入射到交界面， 并沿交界面向前传播(折射角为

90 )， 如光线 2， 当 c 时， 相应的光线将在交界面折

射进入包层并逐渐消失， 如光线 3。

由此可见， 只有在半锥角为 c 的圆锥内入射的光束

才能在光纤中传播。

幻灯片 12 根据这个传播条件， 定义临界角 c 的正

弦为数值孔径(Numerical Aperture, NA)。

根据定义和斯奈尔定律 NA=n0sin

c=n1cosc ， n1sinc =n2sin90 n0=1， 由式（2.2）经简单计

算得到 突变型多模光纤的光线传

播原理

纤芯n1包层

式 N NA A 表光源源到到光光纤 对 N NA A 越纤传传输输后后产 所

所以幻灯片 13 式中中 = =( (n n1 1- -n n2 2) )/ /n n1 1 为表

示示光光纤纤接纤的的耦耦合合效效率对于于无无损损耗耗光越大

大，，纤产生生的的信信号号畸以要要根根据据实实际为纤纤芯

和传传输高。

。

光纤纤，，在在 c c 内纤芯芯对对光光能畸变变越越大

大，，因际使使用用场芯与输光光的与包的能包层能力层相力，，

N NA A( (或相对对折折射射率或 c c) )越率差差。

。

越大接收收和率越越高大，，光光纤纤接接收收光光的的能

能力力越越强强，，从从光内的量的的束因而而限场合合，，选

的入入射束缚缚越限制制了了信选择择适适当射光越强光都都能

强，，光信息息传当的的 N NA A。

。

能在在光光纤纤抗传输输容光纤纤中抗弯容量量。

。

中传弯曲曲性传输输。

。

性能能越能量越好好; ; 但但 N NA A 越越大大，，经

经光光纤子午光线：

均匀折射率分布折射率分布:

光线轨迹: 限制在子午平面内

传播的锯齿形折线。

光纤端面投影线是过圆心交于纤壁的直线。

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导光条件

临界角: )/arccos(*

数值孔径: 定义光纤数值孔径 NA

为入射媒质折射率与最大入射角的正弦

值之积

即 相对折射率差

约束光：

折射光幻灯片 14

子午光线：

渐变折射率分布

渐变折射率分布：

*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。

轨迹曲线在光纤端面投影线仍是过圆心的直线， 但一般不与纤

壁相交。

广义折射定律: （常数）

局部数值孔径: 定义局部数值孔径 NA(r)

为入射点媒质折射率与该点最大入射角

的正弦值之积, 即

外散焦面: 光线转折点(rip) 的集合 *导光条件

幻灯片 15 射

线方程

物理意义：

将光线轨迹(由 r 描述) 和空间折射率分布(n) 联系起来由光线方程可以直接求出光线轨迹表达式; dr/dz 是光线切向斜率, 对于均匀波导， n 为常数, 光线以直线形式传播;