光电子学与光电器件

1、45光纤中的射线分析光纤（fiber)的基本结构：纤芯:光纤的中心部位，当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前；包层：对纤芯起保护作用增加纤芯的机械强度避免纤芯接触污染减小散射损耗缓冲涂覆层：弹性耐磨材料保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤的作用。光纤的分类阶跃型光纤SIF渐变型光纤（梯度光纤）GIF根据折射率分布分类：按照传光原理区分：反射型光纤-阶跃型光线沿直线，在界面改变方向。折射型光纤-渐变型光线不断改变方向，运动轨迹为曲线。按照传输模式区分：多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)按照材料区分：石英光纤，光纤按照损耗程度区分：高损耗、中

2、损耗、低损耗其它新型光纤：有源光纤，非线性光纤二、阶跃型光纤的射线分析弱导波光纤：n1比n2稍大，入射光以近轴光线入射。射线追踪法 (几何光学分析法)可应用于分析多模光纤 (芯径尺寸 波长)易于直观理解电磁场导波模式分析应用于分析单模光纤 (芯径尺寸 波长)重要的概念及参数1、子午线与子午面子午线：光线在光纤中平面内。时，始终在同一个包含光纤轴线的子午面：包含子午线的平面。斜光线:光线的的轴线相交。轨迹不在一个固定的平面内，并且不与光纤0OO2、相对折射率差如果n1n2（弱导波近似）： 它反映了包层与纤芯折射率的接近程度。3、数值孔径NA(Number rture)光纤的数值孔径NA是描述光纤

3、收集光能力的一个参数。 从几何光学的关系看, 并不是所有的入射到光纤端面上的光都能进入光纤进行, 都能从光纤入射端进去从出射端出来, 而只有角度小于某一个角度的光线, 才能在光纤这一角度的正弦值定义为光纤数值孔径, 即NA=sin0。NA越大， 0 就越大，光纤捕捉光线的能力也就越强。n0=1：这说明为了取得较大的数值孔径, 相对折射率差应取大一些。光纤的数值孔径与纤芯与包层直径无关;从集光本领来看，光纤的NA越大越好,但并非所有的光纤都需要大的NA;例如通信用光纤，过大的NA同时将带来其他性能变差。因此光通信系统对光纤的NA数值有一定的要求。(CCITT)建议通信光纤的NA国际电报为(0.1

4、80.24)0.02;而对于传输光能的光纤则往往需要有较大的NA。4、子午光线在光纤中的时延差时延：某一条子午射线在纤芯中传输一定长度所需要的时间，称为时延，用表示。中时延差：在数值孔径范围内的光线虽然可以在光纤，但不同角度入射的光线在进入光纤后的轴向速度不相等，因此由同一点出发的不同角度的光线到达轴线上另一点的时间也不相等，造成了时延差现象，也称为色散。所用时间长OO所用时间短Ln1n2最大时延差：弱导波光纤中的最大时延差：最大时延差的大小，对信号光线在光纤中的传输特性影响很大，它产生了色散现象；由于弱导波光纤中，只有靠近光轴的光线才能在光纤中，因此角度范围变化较小，最大时延差也比较小，色散

5、现象不太严重(相对于数值孔径较大的光纤)。目前实用的光纤大多采用这种形式；需要的是，时延差的产生不仅仅是角度不同引起的，多种，如不同频率、不同材料不同结构等都是导致时延差的原因，这是光纤中的信号传结所必须解决，后面将会对这个问题进行。5、光线在几种特殊形状光纤中的（1）光纤的直径不均匀锥形光纤：提高光源与光纤的耦合效率；有利于光束耦合到与锥形光纤输出端对接的光纤中去。（2）光纤端面倾斜光纤的数值孔径：法线另一侧入射时：（3）光纤弯曲弯曲部分，纤芯与包层界面上的入射角变小6、斜光线的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

6、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，称为焦散面（散焦面）。斜光线的条件入射线和反射线的矢量：iMMjISLM,NL、kM、N是射线的方向余弦M=0, 1，2，3 MM射线遇到两介质交界面时，可在接触点作一平面与交界面相切，此切平面与光纤曲面形成一条直的切线与轴平行，接触点与轴之间的半径为M，这些半径与交界面正交，即与切平面垂直。斜光线的条件反射定律：0OO反射定律：斜光线的条件三、渐变型光纤的射线分析-以子午光线为研究对象1、折射率分布幂函数折射率分布平方率分布形式：=2展开取前两项：为抛物线型折射率分布2、数值孔径从端面不同点入射，NA不相同；

7、采用局部数值孔径的概念；光线上所有点都满足nsin=ncos=恒量；=/2或=0时，光线到达轴线最远点Rs;传输条件：Rsa.计算数值孔径的限制条件： Rs=a光纤端面与轴交点处的局部数值孔径：光纤端面其它点的局部数值孔径：相对折射率差：光纤端面与轴交点处的局部数值孔径：3、轨迹方程4、抛物线型折射率分布条件下的轨迹方程抛物线型折射率分布：轨迹方程：轨迹方程：光线的路径是一条正弦曲线：振幅：空间角频率：空间周期：每一个0对应一条曲线。光线在光纤中完成一个周期，在轴向经过的距离。5、自聚焦光纤从光纤端面输入的不同角度的子午光线在光纤中具有相同的空间周期和相同的时间周期，即自聚焦。相同的空间周期意味着满足等光程条件；相同的时间周期意味着不同方向的光线的轴向速度相等。满足以上条件的光线，可用原理来描述。费马原理：光的实际路径是使光程取极值（极小值、极大值或恒定值）；光程