第二章光纤传输与导光原理

第二章光纤传输与导光原理

2．1 光波的本质

狭义地说，光是波长在380-780nm范围的可见光，但是，它又包含有红外线、紫外线，因此没有严格的界限。广义地讲，光是波长较电波短，频率较电波高的一种电磁波的总称。目前通信用光波是在近红外波和可见的红光波段，工作波长在λ＝0.80～1.65μm之间，或者说通信用光波的频率更高f＝1014～1015Hz。

所谓可见光是指人的眼睛可见的电磁波。人的眼睛可以感受到较长波长的光，如七色光—红橙黄绿青蓝紫，在可见光中，人眼最易感受的是555nm的黄绿光。绿色光的波长约为500nm，红色光的波长在700nm，紫色光的波长约为400nm，可见光波的范围在400nm—700nm 之间，波长小于380nm或大于780nm的光，无论光强度有多强，人的肉眼几乎不可能看得到。红外线是比可见红光的波长更长，比电波波长更短的光之总称。按照到可见光的排列顺序，可分为近红外线、红外线、远红外线三种。近红外线是人眼不可见光中最常用的光，它的性质同可见光几乎无大的区别。借助半导体材料（InGaAsP）、某些气体材料（CO2）或红宝石(α-Al2O3)可有效地发光、感光，广泛用于光通信领域；波长稍长的红外线，热作用最高，若利用黑体辐射，从远红外区到红外区范围的红外光将呈峰值效应，这种光对物质具有很强的穿透力，因此，多用于微波炉、取暖器等；远红外线到电波范围，电磁波中包含有许多分子的旋转运动、振动所对应的频率，这对材料结构与性能分析非常有用。紫外线是比可见光中的紫光波长更短的波，是不可见光，具有很强的杀菌作用。

2.1.1光的波粒二象性

光具有波粒二象性，即：波动性和粒子性。如上所述，光的干涉、衍射现象说明光具有波动性，但黑体辐射、光电效应则证明光具有粒子性，所以既可以将光看成是一种电磁波，又可以将光看成是由光子组成的粒子流。

1．光的波动性

光波在均匀透明介质中传播的电磁场分布形式可用麦克斯韦波动方程的弱导近似式波动方程描述：

▽2H=[1/υ2][∂2H/2∂2t] （2-1-1）▽2E=[1/υ2][∂2E/2∂2t]

式中：E—电场强度；

H—磁场强度；

υ—均匀介质的波数，υ=1/(ｎε0μ)1/2=1/(ｎк0)1/2

▽2—二阶拉普拉斯算符。

2．光的粒子性

光是一种电磁波，用波动理论的观点可以正确地解释许多光学现象。但是像“光电效应”这种光学现象就不能用波动理论去解释。为了正确地解释光电效应现象，1905年爱因斯坦提出了光子假说并得到证实：光是一种以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子，或称为光量子。如果电子或原子从一个较高的能级E2跃迁到一个低能级E1时，两个能级间将存在着一个能量差Eg=E2-E1,这个能量差将以量子的能量形式释放，一个量子的能量称为光子。像所有运动的粒子一样，光也可以产生压力和引起粒子旋转。所以光可以用粒子数来描述。光的能量集中在光子之中。光子具有一定的频率，单频率光称为单色光，单色光的最小单位是光子。一个光子的能量可以用波尔能量方程描述：

⨯（2-1-3）Eg=hν

或ρ=h/λ (2-1-4) 式中：h—普朗克系数，6.626X10-34J·S；υ—光频；Eg—光子的能量；ρ—光子的动量。式（2-1-3）和(2-1-4)表示光的波动性参量υ、λ，与粒子性参量Eg、ρ间的关系。

光子能量也可以用爱因斯坦能量方程描述：

Eg=mc2 (2-1-5) 式中：m—光子质量;c—光速,C=1/[ε0εμ0]1/2；

ε0—真空介电常数；ε—介质介电常数；μ0—真空磁导率。

将光波的波长λ、频率f(υ)和波速V间的关系与（2-1-3）（2-1-4）、（2-1-5）联系并代入整理有：

⨯=hC/λ=mc2

Eg=hν

m=hυ/c2 (2-1-6) υ=mc2/h (2-1-7) λ=h/mc (2-1-8) 光子概念的提出意义是深刻的，它使人们对光的本质有了更进一步的认识，光不仅具有波动性，而且还具有粒子性，即光具有波粒二像性。

例2-1-1：现有一个氦氖激光二极管，其发出的光是波长在630nm的美丽红光，请问一个光子的能量是多大？质量是多少？若光能量为1mw,光源每秒可发射多少个光子？

解：一个波长为630nm光子的能量为：

⨯=hC/λ=(6.625X10-34X3X108)/630X10-9=3.15X10-19J

Eg=hν

一个波长为630 nm光子的质量：∵Eg=mc2

∴m=Eg/C2 =3.15X10-19/9X1016=3.5X10-28kg=3.5X10-25g

总能量：Et=PXt=1X10-3X1=1X10-3J

光子的数量：Et=EgXN

N=Et/Eg=(1X10-3)/(3.15X10-19)=3.17X1015（个）

相当于3.17千万亿个光子。

由此可知，一个光子所携带的能量非常小，而一束光是由一个拥有巨大光子数的光源发射得到的。

例2-1-2 ：如采用InGaAsP型半导体发光二极管作光源，其具有的能级距离是0.75eV,试问它可以发出什么色彩的光？（1eV=1.602X10-19J）

解：首先将单位统一：Eg=0.75X1.602X10-19=1.2X10-19J

⨯=hC/λ

∵ Eg=hν

∴λ=hC/Eg=3X108X6.625X10-34/1.2X10-19=16.5X10-7m=1650nm

所以发出的光是不可见光，是近红外光。

2.1.2均匀介质中的光波

激光是光波的一种形式，它与自然光比具有更好的方向性和高的干涉性，是一种相干光。光波的各种性质全部适用于激光。

相速度

根据电磁场理论可知，当电磁波在介质中传输时，电场和它产生的偶极子的相互作用程度可用相对介电常数εr表示。相速度定义为当电磁波在相对介电常数为εr的非磁电介质中传播的速度。相速度可表示为：

V=1/√εrε0μ0（2-1-12）相速度只代表电磁波的相位变化速度，并不代表电磁波能量传播的速度，因此又可以将相速度理解为电磁波中恒定相位点推进的速度。

V=dZ/dt=ω/β（2-1-13）