20xx光纖導波原理c-wenkub

　

【正文】 形成導模的能力是不一樣的 ， 折射率越大的位置接收入射光的能力越強 。 入射角 θ 1時 ， 低次導模 。 透入包層的光線叫做 包層模光線 。 ? 問題 1：對于光線折射路徑 ， 折射后的光線方向與軸夾角為什么有所減小 ？ ? 問題 2 光線 A沿所述路徑傳播 ， 在每個交界面都有反射 ， 為什么不提及反射光呢 ？ 光纖的導光原理－幾何光線理論 — 梯度光纖中的光線軌跡 *問題 1： 入射的界面 n1 ~ n2是平行于軸的 ， 又因為 n2 n1 ， 根據折射定律 ， 折射后的光線方向與軸夾角有所減小 。 螺旋光線 －－ 光線軌跡相當于沿著芯與包層交界的圓 柱面螺旋前進 ． 第 26 頁 X 光纖的導光原理－幾何光線理論 — 子午光線、斜光線和螺旋光線 內焦散面半徑 r 投影弦 子午線 r 0 2a 斜光線 o r a ( 0， 2a ) 螺旋線 r a 0 第 27 頁 X 光纖的導光原理－幾何光線理論 — 子午光線、斜光線和螺旋光線 射入光纖后形成一條空間折線 ， 此折線在圓周方向的投影是一段段搭接在纖芯邊界圓上的等長弦 。 第 22 頁 X 光纖的導光原理 － 幾何光線理論 －數值孔徑 NA 光線從端面入射于芯區(qū)并形成導模的入射角存在一個最大值 θ 0 ： 初始入射角 θ 0 ， 光線能在芯區(qū)中長距離傳輸 。 其結構的分類：層絞式 、 骨架式 、 束管式 、 帶狀迭層式等 。 2)g＝２ ， 拋物光纖 。 3)g其它值 ， 漸變光纖或梯度光纖 。 光纖的結構和分類－ 光纜的結構 第 15 頁 X 材料制備與提純 （ 液態(tài)鹵化物 ） 制樣 （ a） 改進的化學汽相沉積法 （ MCVD） （ b） 棒外化學汽相沉積法 （ OVD） （ c） 軸向汽相沉積法 （ VAD） （ d） 微波等離子沉積法 （ PCVD） （ ｅ ） 雙坩堝法 拉絲與涂覆 （ 預制棒制成符合外徑要求的光纖 ，光纖的內外徑比與預制棒一樣 ， n一樣 ） 套塑與成纜 （ 強度 ） 光纖的結構和分類 － 光纜的制作 第 16 頁 X 材料純度分析 質量檢測 特性檢測 篩選 材料制備 與提純 制 棒 拉絲 與涂覆 套塑 成纜 成品 檢驗 光纜制作過程 *降低損耗： OH 雜質 *提高帶寬：適當的光纖剖面折射率分布系數 g 光纖的結構和分類 － 光纜的制作 第 17 頁 X 分析光纖的導光原理有二種方法 : （ 1） 幾何光學法 （ 2） 波動光學法 光纖的導光原理 － 幾何光線理論 第 18 頁 X 光纖的導光原理 － 幾何光線理論 －階躍光纖中的光線軌跡 階躍光纖中的光線軌跡 （ n1 n2 ） n2 n1 Ｃ Ａ Ｂ n1 n2 第 19 頁 X 光線 A： n0 ~ n1界面 ， 入射角 θ 0 ， 折射角 θ ； n1 ~ n2界面 ， 入射角 90０ － θ ； １ ） 當 90０ － θ ＝ θ c 時 ， 則發(fā)生全反射 ， 光纖的能量將全部按照反射定律返回芯區(qū) ， 并繼續(xù)以和軸夾角 θ 向前傳播 。 初始入射角 θ 0 ， 入射的光線則絕大部分會作為包層模損失掉 。 一般說來 ， 這些等長弦繞軸一周后不一定合成一個正多邊形 ， 而繞軸足夠多圈后 ， 不同方位的弦互相交疊 ， 將充滿以纖芯邊界為外緣的環(huán)形區(qū) ， 環(huán)的內圓半徑等于等長弦的弦心距 ， 實際上光纖中的斜光線是以此環(huán)形為底面的圓管壁中曲折行進的 ， 圓管內圓柱面又稱 內焦散面 。 *問題 2： 反射功率系數 4)(222121 ?????nnnnR121 ????nnn第 32 頁 X 光纖的導光原理－幾何光線理論 — 梯度光纖中的光線軌跡 光線 A： 1 到達一個臺階界面時，考查入射角是否滿足全反射條件， 1）不滿足，則繼續(xù)被折射； 2）如果滿足，則按照全反射定律返回入射層。 第 34 頁 X 光纖的導光原理－幾何光線理論 — 梯度光纖中的光線軌跡 光線 C以最大入射角入射 ， 恰好在包層內邊界處滿足全反射條件 ， 從而光線軌跡最遠到達包層邊界 ， 并且在過軸線時與軸的夾角最大 ， 稱為 “ 最高次 ” 導模光線 。 入射角 θ 1時 ， 包層模 。 為了定量描述光纖端面各點位接受入射光的能力 ， 取各點位激發(fā)最高次導模的光線入射角度為 局部孔徑角 θ ’ C (r) ， 并定義角的正弦值為該點位的 局部數值孔徑 LNA。 具有這種分布的光纖 ， 不同入射角的光線會聚在中心軸線的一點上 ，因而脈沖展寬減小 。 drdndzrdndzdrndsd ??22)( 書 () 光纖的導光原理－幾何光線理論 — 射線方程的解（自聚焦效應） 書圖 漸變型多模光纖的光線傳播原理 ?o?id zrirmp纖芯 n (r)r? ?*zr0d r光纖的導光原理－幾何光線理論 — 射線方程的解（自聚焦效應） 2222 2])(1[22 ararardzrd ????????1）漸變型光纖折射率方程 2） g=2 書 () 光纖的導光原理－幾何光線理論 — 射線方程的解（自聚焦效應） 解二階微分方程 ， 得到光線的軌跡通解為 r(z)=C1sin(Az)+C2 cos(Az) () 式中： A= ， C1和 C2是待定常數 ， 由邊界條件確定 。 自聚焦 (Self Focusing)效應 －－ 不同入射角相應的光線 ， 雖然經歷的路程不同 ， 最終都會聚在 P點上 。 光纖的導光原理－幾何光線理論 —射線方程的解（自聚焦效應） 第 54 頁 X 通過對階躍和梯度光纖的光線軌跡的分析 ，得出結論： *凡是入射角在孔徑角之內的入射光線均可在芯區(qū)中作為導模傳輸 。 光纖的導光原理 － 幾何光線理論 — 光線模式的分立性 n2 n1 λ r λ z 傳輸光的分解圖 第 57 頁 X 光纖的導光原理 － 波動理論 １ ） 推導突變型光纖的精確解及方程 ２ ） 解釋一些重要的物理概念 第 58 頁 X 分析思路： 麥克斯韋方程 （波動理論的基礎） 波動方程 求此方程通解 特解 （電磁波在波導（光纖是圓柱形介質波導）中的傳播規(guī)律，波動方程中出現的變量是電場強度 E 或 H 。 ? ?? ?????????mmsi nc o s)(02022?? xwdt xd三 、 導波 Bessel方程的解 式 （ 16） 反映場分量 Ez 或 Hz 沿著光纖徑向 （ r方向 ） 的分布規(guī)律 。 )()()( 2120221202 rnkYrnkJrR mm ?????? ??...(18) Jm（ r） Ym（ r） J0 J1 J2 r Y0 Y1 Y2 r (a) (b) 圖 310 (a)第一類 Bessel函數 (b)第二類 Bessel函數 在包層中， n=n2 場為衰減型分布，解的形式應為變質的 Bessel 函數的形式： )()()( 2202222022 rnkKrnkIrR mm ?????? ??...(19) 其中 Im(r)、 Km(r)分別為第一類、第二類變質的Bessel 函數，它們的相應曲線如圖所示。02239。2202239。1)( )(39。1)( )(39。 – *波動方程的一個 “ 特解 ” 表示電磁場的一種穩(wěn)定存在形式 ， 用電力線或磁力線將此形式描繪出來的電磁場分布的特定圖案稱為 “ 場型 ” ， 或稱為 “ 模式 ” 。 只允許傳輸一個基模的光纖為單模光纖 。 光纖的導光原理 － 波動理論 — 關于模式等一些概念 第 86 頁 X ?線性極化模： (linearly polarized，或稱為線偏振模 ） 將原始場型按照 “ 傳輸常數相近者合并 ” 的原則得到的場型 ， 或者是把簡并模集中在一起 。 光纖的導光原理 － 波動理論 — 關于模式等一些概念 第 89 頁 X LPmn是混合模，其中 m表示沿圓周方向光場強度出現的零點（或極點）對數， n表示沿徑向出現的零點個數。 21220 ??? nkU光纖的導光原理 － 波動理論 — 參數的物理意義 光纖包層中導波的橫向傳播常數 （ 橫向歸一化衰減常數 ） ， 反映導波場在光纖芯外部的橫向分布規(guī)律 ， 或者說是光纖芯外部場的不同結構 。 22022 nkaW ?? ?(2) 光纖的導光原理 － 波動理論 — 參數的物理意義 (3) V2=u2+w2=a2k02（ n12n22 ） V=ak0n1 —— 歸一化頻率 ， 具有頻率的量綱 ， 是光纖的結構參數 ， 不僅包含光纖的主要結構參數 a， n1， △ ， 而且考慮了所傳光波長入 ， 因此是一種具體光纖中光的具體傳輸狀態(tài)的綜合反映 。 ?? 22 1 anV??光纖的導光原理 —單模傳輸條件 第 102 頁 X 導波在光纖中的導行 、 截止和臨界條件為： 導行條件： V Vc 截止條件： V Vc 臨界條件： V = Vc 光纖的導光原理 —單模傳輸條件