光纖的特性第二周ppt課件(已修改)
2025-05-18 04:23 本頁(yè)面
【正文】 第一章 續(xù) 光纖與光纜 ? ? ? ? ? 光纖的 分層 結(jié)構(gòu) : 纖芯、包層、 涂敷層、護(hù)套 各層的材料構(gòu)成 纖芯 : SiO2以及 少量 GeO P2O5摻雜 包層：高純度 SiO2 涂敷層：環(huán)氧樹(shù)脂等高分子材料 護(hù)套：尼龍或其他有機(jī)材料 提高纖芯的折射率 傳光基本條件： n1n2 包層n2纖芯n1折射率剖面 (Refraction index profile) 階躍型 (step) 漸變型 (grading) n1 n2 a b n1 n2 a b n=n(r) ? ???? ????? 2121 , ,nnbranarnn光纖折射率分布表達(dá)式 ? ?? ?? ?? ? ? ? 11 , ,21212211???????????????farfnnbranararfnn階躍型 漸變型 光射線 ? 階躍光纖 ? 漸變光纖 n1 n2 n0 ?i ? ?z ?o? id zrirmp纖芯 n (r)r? ? *zr0d r光纖分類 ? 階躍光纖與漸變光纖 ?按照折射率剖面分 ? 單模光纖與多模光纖 ?按照模式分 ? … 圖 (a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （ c） 單模光纖 橫截面2 a2 brn折射率分布纖芯 包層AitAot( a )輸入脈沖 光線傳播路徑 輸出脈沖5 0 ? m1 2 5 ? mrnAitAot( b )～ 10 ? m1 2 5 ? mrnAitAot( c )2 光纖傳光原理 分析光纖傳輸原理的常用方法： （ 1） 幾何光學(xué)法 可以給出有關(guān)波導(dǎo)特性清晰的物理圖像和解釋 。 不足之處是所給出的結(jié)論較為粗糙 ， 不能獲得有關(guān)電磁場(chǎng)模式在波導(dǎo)內(nèi)的具體場(chǎng)分布和傳輸特性等方面的完整細(xì)節(jié) 。 （ 2） 麥克斯韋波動(dòng)方程法 針對(duì)具體的波導(dǎo)結(jié)構(gòu) ， 結(jié)合電磁場(chǎng)的邊界條件求解 Maxwell方程組 ， 得到波導(dǎo)內(nèi)各模式的場(chǎng)分布和特征方程 。 光纖數(shù)值孔徑的概念 ? 研究對(duì)象：階躍型光線中的光射線（子午光線） ? 研究目標(biāo)： 數(shù)值孔徑 ? 思路：光纖中的光射線應(yīng)滿足 全反射 條件 階躍型多模光纖的中的光射線 (子午光線 ) 321y?1lL xo??c23纖芯 n1包層 n2z?c?1 光纖數(shù)值孔徑的概念 ? 已知條件 ： 設(shè) 纖芯 和 包層 折射率分別為 n1和 n2，空氣的折射率n0=1， 纖芯中心軸線與 z軸一致。第一束光線在光纖端面以小角度 θ從空氣入射到纖芯， 折射角 為 θ1，折射后的光線在纖芯直線傳播，并在 纖芯 與 包層 交界面以角度 ψ1入射到 包層 。 階躍型多模光纖的中的光射線 (子午光線 ) 321y?1lL xo??c23纖芯 n1包層 n2z?c?1 光纖數(shù)值孔徑的概念 階躍型多模光纖的中的光射線 (子午光線 ) 321y?1lL xo??c23 纖芯 n 1包層 n2z?c?1[分析 ] 改變角度 θ，不同 θ相應(yīng)的光線將在 纖芯 與 包層 交界面發(fā)生反射或折射。根據(jù) 全反射原理 ， 存在一個(gè)臨界角 θc。 (1)當(dāng) θ=θc時(shí)，相應(yīng)的光線將在交界面發(fā)生全反射而返回纖芯， 并以折線的形狀向前傳播，如光線 1。根據(jù) 斯奈爾 (Snell)定律 得到 n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1 (2)當(dāng) θθc時(shí)，相應(yīng)的光線有一部分將在交界面折射進(jìn)入 包層 并逐漸消失，如光線 3。 由此可見(jiàn)，只有在半錐角為 θ≤θc的圓錐內(nèi)入射的光束才能在光纖中傳播。 因此 ， 定義臨界角 θc的正弦為 數(shù)值孔徑 (Numerical Aperture)： NA=n0sinθc=n1cosψc ， n1sinψc =n2sin90 176。 n0=1，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算得到 【 NA的物理意義 】 NA表示光纖接收和傳輸光的能力 ， NA越大 ， 光纖接收光的能力越強(qiáng) ，從光源到光纖的 耦合效率 越高 。 對(duì)于無(wú)損耗光纖 ， 在 θc內(nèi)的入射光能在光纖中傳輸 。 NA越大 ， 纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng) ， 光纖抗彎曲性能越好 221 2 1 2N A n n n? ?
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