阶跃光纤和渐变光纤导光原理.pptx

1、阶跃光纤和渐变光纤的导光原理 姓 名： 学 号： 专 业 ：主要内容光纤的结构与分类光纤的分类光纤的光学参数光纤中的射线光学理论阶跃型光纤中的射线光学分析渐变型光纤中的射线光学分析光纤的结构与分类光纤是传光的纤维波导或光导纤维的简称。其典型结构是多层同轴圆柱体，如下图所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层，如图 1 所示。图 1 光纤的结构光纤的分类 根据折射率在横截面上的分布形状划分时，有阶跃型光纤和渐变型光纤两种，如图2所示。图 2 阶跃型光纤和渐变型光纤的结构光纤的光学参数 相对折射率差数值孔径 NA 相对折射率差 对于阶跃型光纤，假设是 包层折射率， 是纤芯折射率，且 ， 和 的差值大小直

2、接影响光纤的性能。故引入相对折射率差表示其相差程度。 对于通信光纤， ，上式简化成为 对于渐变型光纤，若轴心处（r=0）的折射率为 ,则相对折射率差定义为 数值孔径 NA 对于阶跃型光纤，当光线在纤芯与包层界面上发生全反射时，光波在纤芯中传播轨迹为折线，相应的端面入射角记为光纤波导的孔径角（或端面临界角）。即只有光纤端面入射角大于的光线才能在光纤中传播，故光纤的受光区域是一个圆锥形区域，圆锥半锥角的最大值就等于。为表示光纤的集光能力大小，定义光纤波导孔径角的正弦值为光纤的数值孔径（NA），即： 可见，光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关，只与两者的相对折射率差有关。若 纤芯和包层的折射率差越大，

3、NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。对于阶跃型光纤，由于纤芯折射率均匀分布，纤芯端面各点的数值孔径都相同，即各点收光能力相同。对于渐变型光纤，纤芯折射率分布不均匀，光线在其端面不同点入射，光纤的收光能力不同，因此渐变型光纤数值孔径定义为：由于，上式简化成为数值孔径 NA光纤中的光学理论全反射：我们把折射现象消失，光线全部返回第一种介质的现象，称为是全反射。全反射条件： (1)光由光密介质射入光疏介质。 (2)入射角大于临界角。结论： (1)光纤就是利用光的全反射将光线封闭在光纤的纤芯中传播的。 (2)为了实现全反射，纤芯的折射率要大于包层的折射率。光纤中的光学理论首先，我们来看光在分层介质中

4、的传播，如图 3 所示。图中介质 1 的折射率为n1,介质 2 的折射率为n2，设n1n2 。当光线以较小的1角入射到介质界面时，部分光进入介质 2 并产生折射，部分光被反射。它们之间的相对强度取决于两种介质的折射率。图 3 光在分层介质中的传播光纤中的射线光学理论由菲涅耳定律可知 反射定律 折射定律 在n1n2时，逐渐增大1，进入介质 2 的折射光线进一步趋向界面，直到1趋于90。此时，进入介质 2 的光强显著减小并趋于零，而反射光强接近于入射光强。当2=90 极限值时，相应的1角定义为临界角C。由于sin90=1,所以临界角当1C时，入射光线将产生全反射。应当注意，只有当光线从折射率大的介

5、质进入折射率小的介质，即n1n2时，在界面上才能产生全反射。阶跃型光纤中的射线光学分析 图 4 所示阶跃型的光纤，纤芯折射率为n1 ，包层的折射率为n2，且n1n2，空气折射率为n0。在光纤内传输的子午光线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射角大于c时，才能保证光线在纤芯内产生多次全反射，使光线沿光纤传输。图 4 阶跃型光纤子午光线的传输阶跃光纤的导光原理：光在均匀介质中是沿直线传播的，阶跃光纤就是靠光波在芯包界面发生全反射将光波限制在纤芯中向前传播的。阶跃型光纤中的射线光学分析然而，内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的光线进入纤芯中所产生折射角t，因此，空气和纤芯界面上入射光的入射

6、角i就限定了光能否在光纤中以全反射形式传输。与内光线入射角的临界角c相对应，光纤入射光的入射角i有一个最大值max。如图5所示。当光线以i max入射到纤芯端面上时，内光线将以小于C的入射角投射到纤芯和包层界面上。 这样的光线在包层中折射角小于 90 度，该光线将射入包层，很快就会漏出光纤。当光线以i max入射到纤芯端面上时，入射光线在光纤内将以大于C的入射角投射到纤芯和包层界面上。这样的光线在包层中折射角大于 90 度，该光线将在纤芯和包层界面产生多次全反射，使光线沿光纤传输。图5 子午光线在阶跃光纤中的传输阶跃型光纤中的射线光学分析由上面分析可知，当光线从空气入射到纤芯端面上的入射角i

7、max的光线将进入包层损失掉。因此，入射角最大max确定了光纤的接收锥半角max是个很重要的参数，它与光纤的折射率有关。下面讨论max的确定。 由菲涅耳定律，对于内光线，有因为所以即阶跃型光纤中的射线光学分析对于空气和纤芯界面，有再结合上式可得即 n0sinmax定义为光纤的数值孔径，用NA表示。它的平方是光纤端面集光能力的量度。在空气中的折射率n0=1，因此，对于一根光纤，其数值孔径为阶跃型光纤中的射线光学分析纤芯和包层的相对折射率差，定义为 则光纤的数值孔径NA可以表示为 NA 是表示光纤波导特性的重要参数，它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合效率。应注意，光纤的数值孔径 NA 仅决

8、定于光纤的折射率，而与光纤的几何尺寸无关。阶跃型光纤中的射线光学分析在多模阶跃折射率光纤中，满足全反射、但入射角不同的光线的传输路径是不同的，结果使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同，如图 6 所示，从而产生了脉冲展宽，这就限制了光纤的传输容量。图 6 阶跃光纤中的光线传播光纤的色散：当光脉冲在光线传输时，随着传输距离的增加，光脉冲产生畸变和展宽，这种现象称为光纤的色散。不同入射角的光线代表着不同的模式，阶跃光纤中不同的光线的传播速度度相同，这将使不同路程的光线到达输出端的时间不同，产生脉冲展宽，形成了模式色散。阶跃型光纤中的射线光学分析 如图7，设光纤的长度为 L，光纤中平行轴线的入射

9、光线的传输路径最短，为L ；以临界角入射到纤芯和包层界面上的光线的传输路径最长，为L/(sinC)。因此，最大时延差为： 群时延差限制了光纤的传输带宽。为了减少多模阶跃折射率光纤的脉冲展宽，人们制造了渐变折射率光纤。图 7 渐变型光纤中的射线光学分析图 7 渐变光纤的导光示意图渐变光纤的导光原理：依据折射原理,光线最迟在芯包界面发生全反射，将子午射线限制在纤芯中向前传播的。在渐变光纤中，光线传播的轨迹近似于正弦波。若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时，由于是从光密介质射向光疏介质，折射接角大于入射角，光线将折射进第二层射向与第三层的交界面，并再次发生折射进入第三层，依次第推。因此，当纤芯分层数无限多，其厚度趋于零时，渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，光线在其中的传播轨迹不再是折线，而是一条近似于正弦型的曲线。渐变型光纤中的射线光学分析渐变折射率光纤的折射率在纤芯中连续变化。适当选择折射率的分布形式，可以使不同入射角的光线有大致相同的光程，从而大大减小群时延差。光学特性决定于它的折射率分布。渐变型光纤的折射率分布可以表示为式中，g 是折射率变化的参数；