圆柱介质光波导-光纤传输特性.ppt

4.4光纤——圆柱介质光波导4.4.1光纤的基本知识主要功能纤芯位于光纤中心，直径2a为5～75μm,作用是传输光波。包层位于纤芯外层，直径2b为100～150μm,作用是将光波限制在纤芯中。一次涂敷层是为了保护裸纤而在其表面涂上的聚氨基甲酸乙脂或硅酮树脂层，厚度一般为30～150μm。套层又称二次涂覆或被覆层，多采用聚乙烯塑料或聚丙烯塑料、尼龙等材料。经过二次涂敷的裸光纤称为光纤芯线。光纤的分类阶跃型光纤（SIF）：纤芯折射率呈均匀分布，纤芯和包层相对折射率差Δ为1%～2%。渐变型光纤（GIF）：纤芯折射率呈非均匀分布，在轴心处最大，而在光纤横截面内沿半径方向逐渐减小，在纤芯与包层的界面上降至包层折射率n2。W型光纤（双包层光纤）：在纤芯与包层之间设有一折射率低于包层的缓冲层，使包层折射率介于纤芯和缓冲层之间。可以实现在1.3～1.6μm之间色散变化很小的色散平坦光纤或把零色散波长移到1.55μm的色散位移光纤。ITU-T建议的光纤分类4.4.2光纤的光学参数1、相对折射率差Δ2、数值孔径NA（NumericalAperture)由于，上式简化成为可见，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，NA值就越大，即光纤的集光能力就越强。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：图光源出射光与光纤的耦合只有从空气缝隙到光纤端面光的入射角小于θo，入射到光纤里的光线才能传播。实际上θo是个空间角，也就是说如果光从一个限制在2θo的锥形区域中入射到光纤端面上，则光可被光纤捕捉。设空气的折射率为no，空气，有n0≈1，故有在空气与光纤端面上运用斯涅尔定律即纤芯与包层的折射率之差越大，光纤捕捉光线的能力越强，而参数直接反映了这种能力，我们称为光纤的数值孔径NA3、光纤的归一化频率V截止波长单模传输条件4、折射率分布n(r)4.5光纤中光导波的线光学分析1、几何光学分析法几何光学分析法是用射线光学理论分析光纤中光传输特性的方法。这种分析方法的前提条件是光的波长要远小于光纤尺寸。全内反射光在不同介质中的传播速度不同，描述介质对光这种作用的参数就是折射率，折射率与光之间的关系为入射光由斯涅尔定理可知，入射光、反射光以及折射光与界面垂线间的角度满足下列关系如果入射光的入射角大于临界角，所有的光将被反射回入射介质，这种现象称之为全反射。平板波导：光轨迹在一个平面内，只要用界面入射角θ就能描述光线的方位；光纤：光线可能通过波导轴线(子午光线)而在同一平面内传播，也可不通过轴线(偏射光线)在不同的平面内传播。光线与界面法线夹角θ，与轴线夹角φ。我们将光纤内的光线分成两类：一类是子午光线，见图（a）。另一类是斜光线，见图（b）。子午光线是在与光纤轴线构成的平面（子午面）内传输，斜光线则在传播的过程中不固定在一个平面内。4.5.1子午光线4.5.2偏射光4.5.2偏射光图4-16光纤中的导引光线、非导引光线与泄漏光线2、波动方程分析法4.6阶跃光纤中光导波的物理光学分析对光纤中电磁场的分析，宜采用圆柱坐标系，设电磁场沿z方向传播，有由麦克斯韦方程组出发，得到波动方程，利用圆柱坐标系，可以得到光纤中场的纵向分量所满足的方程贝塞耳方程为第一类贝塞尔(Bessel)函数，为第二类贝塞尔函数。下面画出了这两类贝塞尔函数的曲线。典型Bessel方程，解为各类Bessel函数，实宗量Bessel函数：为实数，即第一类，处为有限第二类，处为无限iii)光纤中光波的模式可以简单地分为导波模和辐射模。导波模是指电磁场在纤芯中按简谐函数变化，在包层中按指数规律衰减的模式。导波模存在的条件是传播常数要满足辐射模是指电磁波能量在向z轴方向传播的同时又在包层中形成径向的辐射。4.6.3导模的解首先将纵向分量写成三个单变量函数的乘积，代回到波动方程中去，然后利用边界条件，可以求出阶跃光纤中电场的解场的纵向分量解出后，所有的横向分量就可以通过下列关系得到确定2、本征方程(色散方程）通过对特征方程的求解，可以发现传播常数为一系列的离散值，导波模只能取离散值。通常，对于每个整数u，都存在多个解，记为，n=1,2,3····。导波模式：由导波模的解确定的、能在光纤中传播的光场的一个空间分布，这种空间分布称为导波模的模式，简称模式。导波模特点：在传播的过程中只有相位的变化，没有形态的变化，且始终满足边界条件，光纤中导波模的模式分布中，电场和磁场的纵向分量都存在，我们将这种情况称之为混合模，根据哪一个相对作用大些，又可将混合模分成模EH(Ez>Hz)和HE模（Hz>Ez）当u＝0时，将模HE0n和模EH0n分别记为TE0n和TH0n，它们分别对应于场的纵向分量Ez＝0和Hz＝0