光波在光纤波导中的传播.ppt

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1、2.5光波在光纤波导中的传播光波在光纤波导中的传播o用光作为通讯手段，自古有之。历史上第一项属于光通讯的专利，由用光作为通讯手段，自古有之。历史上第一项属于光通讯的专利，由贝尔在一八八零年以贝尔在一八八零年以“光话机光话机”取得，实现了在几百米范围内用可见取得，实现了在几百米范围内用可见光传送语言信息。光传送语言信息。但直到高锟关于光纤的论文发表之前，人类想出。但直到高锟关于光纤的论文发表之前，人类想出的各种传输光的方式，都还不足以使之成为有效的通讯工具。在六十的各种传输光的方式，都还不足以使之成为有效的通讯工具。在六十年代，即使是最好的导体，光波在其中传输二十米，能量就只剩下原年代，即使是最

2、好的导体，光波在其中传输二十米，能量就只剩下原来的百分之一，更何谈来的百分之一，更何谈“通讯通讯”二字。而高锟提出的光纤，是用高纯二字。而高锟提出的光纤，是用高纯度的玻璃纤维制成，光进入到其中，就像进入了一个周围全是镜子的度的玻璃纤维制成，光进入到其中，就像进入了一个周围全是镜子的管线，在全反射的作用下，再也跑不掉，只有从另一端出来。光纤低管线，在全反射的作用下，再也跑不掉，只有从另一端出来。光纤低损失、宽频带、尺寸小、重量轻的优点，给人类通讯带来了一场革命，损失、宽频带、尺寸小、重量轻的优点，给人类通讯带来了一场革命，这种与头发差不多粗细的导体，把人类带入了信息无限丰富的时代。这种与头发差不

3、多粗细的导体，把人类带入了信息无限丰富的时代。12/23/20221一、一、光纤波导的结构及弱导性光纤波导的结构及弱导性光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，它由纤芯、包层和护套三部分组成。当满足一定的它由纤芯、包层和护套三部分组成。当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。护套包层纤芯2a12/23/202221、光纤的分类、光纤的分类按折射率分布的方式分类：按折射率分布的方式分类：阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。按传输的模式数量分类：按传输的模式数量分类：单模光纤和多模光纤

4、。单模光纤和多模光纤。按传输的偏振态分：按传输的偏振态分：单模光纤又可进一步分保偏光纤非保偏光纤。单模光纤又可进一步分保偏光纤非保偏光纤。12/23/20223按制造光纤的材料分，有：按制造光纤的材料分，有：高纯度熔石英光纤高纯度熔石英光纤其其特特点点是是材材料料的的光光传传输输损损耗耗低低，有有的的波波长长可可低到低到0.2dBkm，一般均小于，一般均小于ldBkm；多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维其其特特点点是是芯芯-皮皮折折射射率率可可在在较较大大范范围围内内变变化化，因因而而有有利利于于制制造造大大数数值值孔孔径径的的光光纤纤，但但材材料料损损耗耗大，在可见光波段一般为大，在可见光波段一般

5、为:1dBm12/23/20224塑料光纤塑料光纤其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；能较差；红外光纤红外光纤其特点是可透过近红外（其特点是可透过近红外（15m）或中红外）或中红外（10m）的光波；）的光波；液芯光纤液芯光纤特点是纤芯为液体，可满足特殊需要；特点是纤芯为液体，可满足特殊需要；晶体光纤晶体光纤纤芯为晶体，可用于制造各种有源和无源器件。纤芯为晶体，可用于制造各种有源和无源器件。12/23/20225波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义 为纤芯和包层间的相对折射率差为纤

6、芯和包层间的相对折射率差(1)当时当时，上式简化为，上式简化为(2)此即为光纤波导的弱导条件。此即为光纤波导的弱导条件。2、光纤的特性、光纤的特性12/23/20226光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，结构，而且为制造提供了很大的方便而且为制造提供了很大的方便。一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为(3)12/23/20227上式中上式中a为纤芯的

7、半径，为纤芯的半径，n1为光纤轴线上的折射率，为光纤轴线上的折射率，n2为为包层折射率，包层折射率，为一常数。为一常数。阶跃阶跃剖面剖面n(r)a n2n1 r纤纤芯芯阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤 a n2 n1 r纤纤芯芯渐变渐变剖面剖面n(r)梯度折射率光纤梯度折射率光纤12/23/20228二、光束在光纤波导中的传播特性二、光束在光纤波导中的传播特性射线理论的基础是光线方程（射线理论的基础是光线方程（费马原理费马原理）(4)：空空间间光光线线上上某某点点的的位位置置矢矢量量，s：该该点点到到光光线线到到原原点点的的路路径径长长度度，：折折射射率率的的空空间间分分布布。应应用用上上式式，结

8、结合合初初始始条条件件，原则上就可确定任意已知折射率原则上就可确定任意已知折射率分布介质光线的轨迹。分布介质光线的轨迹。12/23/202291、阶跃光纤中光束的传播阶跃光纤中光束的传播均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。反射。光纤可视为圆柱波导，在圆柱波导中，光线的轨迹光纤可视为圆柱波导，在圆柱波导中，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内，如图可以在通过光纤轴线的主截面内，如图2(a)所示，也可以不所示，也可以不在通过光纤轴线的主截面内，如图在通过光纤轴线的主截面内，如图2(b)所示。所示。要完整的确定要完整的确定一条光

9、线，必须用两个参量，即光线在界面的入射角一条光线，必须用两个参量，即光线在界面的入射角 和光和光线与光纤轴线的夹角线与光纤轴线的夹角。12/23/202210Prn2n1QQn2n1P(a)rt PQ Prn2n1Q(b)图图2阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径阶跃折射率光纤纤芯内的光线路径(a)子午光线的锯齿路子午光线的锯齿路径；径；(b)偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影。12/23/202211（1）子午光线）子午光线当入射光线通过光纤轴线当入射光线通过光纤轴线，且入射角，且入射角 1大于界面大于界面临界角临界角时，光线将在柱体界面上不断发

10、生全时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。午光线的平面称为子午面。12/23/202212设光线从折射率为设光线从折射率为n0的介质通过波导端面中心点入的介质通过波导端面中心点入射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定律，射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定律，(5)当产生全反射时，要求当产生全反射时，要求，因此有，因此有12/23/202213一般情况下，一般情况下，n0=1（空气），则子午光线对

11、应的最大入射角（空气），则子午光线对应的最大入射角称为光纤的数值孔径称为光纤的数值孔径(6)它代表光纤的集光本领。在弱到条件下，它代表光纤的集光本领。在弱到条件下，光纤的数值孔径光纤的数值孔径为：为：(7)12/23/202214（2）、不同光程引发的光脉冲的弥散）、不同光程引发的光脉冲的弥散阶跃光纤中与光纤轴成不同夹角的导引光线，在轴向经过同阶跃光纤中与光纤轴成不同夹角的导引光线，在轴向经过同样距离时，各自走过的光程是不同的。因此，若有一个光脉冲样距离时，各自走过的光程是不同的。因此，若有一个光脉冲（含有多种频率的光波含有多种频率的光波）在入射端激发起各种不同角度的导引）在入射端激发起各种不

12、同角度的导引光线（光线（色散：折射率是频率的函数色散：折射率是频率的函数），那么由于每根光线经过），那么由于每根光线经过的光程不同，就会先后到达终端，从而引起光脉冲宽度的加宽，的光程不同，就会先后到达终端，从而引起光脉冲宽度的加宽，称为光脉冲的弥散。称为光脉冲的弥散。12/23/202215光线经过轴向距离光线经过轴向距离L所花的最长和最短时间差为所花的最长和最短时间差为(10)可见，光脉冲弥散正比于可见，光脉冲弥散正比于，愈小，愈小，就愈小。就愈小。12/23/2022162、渐变光纤中光束的传播渐变光纤中光束的传播只讨论平方率梯度光纤中光波的传播特性。只讨论平方率梯度光纤中光波的传播特性。

13、平方律折射率分布光纤的平方律折射率分布光纤的n(r)可表示为可表示为(11)12/23/202217（1）平方律梯度光纤中的光线轨迹）平方律梯度光纤中的光线轨迹由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化(12)式中式中r0、由光纤参量决定。由光纤参量决定。可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤，如可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤，如图图4所示。所示。等效焦距等效焦距：12/23/202218PQrn(r)znrtPQrn(r)nrt2PQrt(a)rt1rt2(b)r(r)(c)图图4渐变折射率分布光纤纤芯内光线的路径及其

14、在纤渐变折射率分布光纤纤芯内光线的路径及其在纤芯横截面上的投影芯横截面上的投影(a)子午光线路径；子午光线路径；(b)斜射光线斜射光线路径；路径；(c)投影和切向间的夹角投影和切向间的夹角 (r)12/23/202219fmin=1/n(0)1/n(0)=2/z(a)fA z/2 /2/3/(b)图图5自聚焦光纤的透镜特性自聚焦光纤的透镜特性(a)子午光线；子午光线；(b)f的周期变化的周期变化12/23/202220（2）平方律折射率分布光纤中光线）平方律折射率分布光纤中光线的群迟延和最大群迟延差的群迟延和最大群迟延差光线经过单位轴向长度所用的时间称为比群迟延即单位长光线经过单位轴向长度所用

15、的时间称为比群迟延即单位长度的群迟延。在非均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。沿光线度的群迟延。在非均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。沿光线轨迹经过距离轨迹经过距离s所用的时间所用的时间 为为(14)12/23/202221可可以以看看到到，平平方方律律分分布布光光纤纤中中的的群群迟迟延延只只有有阶阶梯梯折折射射率率分分布布光光纤的纤的/2（与（与10式比较）。式比较）。详细计算表明最大的群迟延差为详细计算表明最大的群迟延差为(15)12/23/202222三、光束在光纤波导中的衰减和色散特性三、光束在光纤波导中的衰减和色散特性1、光纤的衰减、光纤的衰减若若Pi、Po分别为光纤的输入、输出光功率，分

16、别为光纤的输入、输出光功率，L是光纤长度。是光纤长度。衰减系数衰减系数 定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即(16)12/23/202223光纤衰减有下列两种主要来源：吸收损耗和散射损耗。光纤衰减有下列两种主要来源：吸收损耗和散射损耗。（1）、吸收损耗）、吸收损耗材料吸收损耗是一种固有损耗，不可避免。我们只能选择固有材料吸收损耗是一种固有损耗，不可避免。我们只能选择固有损耗较小的材料来做光纤。石英在红外波段内吸收较小，是优损耗较小的材料来做光纤。石英在红外波段内吸收较小，是优良的光纤材料。良的光纤材料。有害的杂质吸收主要是由于光纤材料中含有有害的杂质

17、吸收主要是由于光纤材料中含有Fe，Co，Ni，Mn，Cu，V，Pt，OH等离子。等离子。12/23/202224（2）、散射损耗）、散射损耗由于光纤制作工艺上的不完善，例如有微气泡或折射率由于光纤制作工艺上的不完善，例如有微气泡或折射率不均匀以及有内应力，光能在这些地方会发生散射，使光纤不均匀以及有内应力，光能在这些地方会发生散射，使光纤损耗增大损耗增大。另一种散射损耗的根源是所谓瑞利散射。另一种散射损耗的根源是所谓瑞利散射。光纤中尚存在所谓布里渊和拉曼散射损耗。光纤中尚存在所谓布里渊和拉曼散射损耗。12/23/2022252、光纤色散、带宽和脉冲展宽参量间的关系、光纤色散、带宽和脉冲展宽参量

18、间的关系（1）光纤的色散）光纤的色散光纤的色散会使脉冲信号展宽，即限制了光纤的带宽或传输光纤的色散会使脉冲信号展宽，即限制了光纤的带宽或传输容量。一般说来，单模光纤的脉冲展宽与色散有下列关系：容量。一般说来，单模光纤的脉冲展宽与色散有下列关系：(17)即由于各传输模经历的光程不同而引起的脉冲展宽。即由于各传输模经历的光程不同而引起的脉冲展宽。单模光纤色散的起因有下列三种：单模光纤色散的起因有下列三种：材料色散、波导色散和折射率分布色散。材料色散、波导色散和折射率分布色散。12/23/202226（2）光纤的带宽）光纤的带宽光脉冲展宽与光纤带宽有一定关系。实验表明光纤的频率响应光脉冲展宽与光纤带宽有一定关系。实验表明光纤的频率响应特性特性H(f)近似为高斯型，如图近似为高斯型，如图2-23所示。所示。(18)fc是半功率点频率。是半功率点频率。fcfH(f)012/23/202227显然有显然有因此，因此，fc称为光纤的称为光纤的3dB光带宽。光带宽。(19)12/23/202228