光纤通信系统光纤ppt课件.ppt

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1、第2章光纤光纤传输原理单模光纤多模光纤光纤结构本章在介绍光纤结构和制备工艺的基础上，使用几何光学和波动方程两种方法分析光纤中光的传输机理，在此基础上，对单模光纤和多模光纤传输特性进行了分析。光纤的基本结构光纤的几何尺寸很小，纤芯直径一般在5～50μm之间，包层的外径为125μm，包括防护层，整个光纤的外径也只有250μm左右一些常见光纤的折射率分布。光纤典型参数2.1光纤结构分类按照光纤横截面上径向折射率的分布特点，我们把光纤分为阶跃折射率光纤和渐变折射率光纤两大类。2.1.1阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤的折射率分布如图2.1.1所示。图（a）、（b）

2、分别为单模和多模阶跃折射率光纤示意图。图2.1.1阶跃折射率光纤示意图图中，2a为纤芯直径，2b为包层直径，纤芯和包层的折射率都是常数，分别为n1和n2。为了满足光在纤芯内的全内反射条件，要求。在纤芯和包层分界面处，折射率呈阶跃式变化，用数学形式表示为（2.1.1）多模阶跃光纤由于存在着较大的模间色散，使用受到了很大限制。光线n2n1nr2b2a(a)单模阶跃折射率光纤(b)多模阶跃折射率光纤光线r2b2ann1n22.1.2渐变折射率光纤渐变折射率光纤纤芯中折射率不是常数，而是在纤芯中心最大，为n1，沿径向（r方向）按一定的

3、规律逐渐减小至n2，包层中折射率不变仍为n2。其折射率分布是：（2.1.2）式中，r是光纤的径向半径，参数决定折射率形式。Δ为相对折射率差。Δ值越大，把能量束缚在纤芯中传输的能力越强，对渐变多模光纤而言，其典型值为0.015,图2.1.2示出了多模渐变折射率光纤中折射率分布和光线传输示意图，与阶跃型光纤不同的是，光线传播的路径是连续的弯曲线。表2.1列出了阶跃型单模光纤、阶跃型多模光纤和渐变型多模光纤的典型参数。图2.1.2渐变折射率光纤光线r2b2ann1n22.2光纤传输原理由物理学可知，光具有粒子性和波动性，对其分析也有两种方法：一是

4、几何光学分析法，二是波动方程分析法。2.2.1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，用这种方法可以得到一些基本概念：全内反射、数值孔径等，其特点是直观、简单。1.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（2.2.1）式中，c是光在真空中的传播速度，c＝3×108m/s，是光在介质中的传播速度，n是介质的折射率。空气的折射率近似为1。折射率越高，介质材料密度越大，光在其中传播的速度越慢。在均匀介质中，光是

5、直线传播的，当光由一种折射率介质向另一种折射率介质传播时，在介质分界面上会产生反射和折射现象，见图2.2.1。入射光反射光折射光θ1θ2θ3n1n2界面(光疏介质)(光密介质)入射光反射光折射光θ1θ2θ3n1n2界面(光密介质)(光疏介质)θ1增加入射光反射光折射光θ1θ2＝900θ3n1n2界面(光密介质)(光疏介质)θ1＝θC入射光反射光θ1θ3n1n2界面(光密介质)(光疏介质)θ1>θC图2.2.1光由光密介质向光疏介质的入射2.3数值孔径数值孔径是光纤一个非常重要的参数，它体现了光纤与光源之间的耦合效率。图2.2.3示出了光源发出的光进入光纤

6、的情况。图2.2.3光源出射光与光纤的耦合θc包层n2纤芯n1包层n2θ0αc光源空气n0＝1光纤端面光源与光纤端面之间存在着空气缝隙，入射到光纤端面上的光，一部分是不能进入光纤的，而能进入光纤端面内的光也不一定能在光纤中传输，只有符合特定条件的光才能在光纤中发生全内反射而传播到远方。由图2.2.3可知，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，在空气与光纤端面上运用斯涅尔定律，有（2.2.4）

7、式中αC与临界入射角θC之间的关系为（2.2.5）由（2.2.4）式和（2.2.5）式可得对空气，有n0≈1，故有（2.2.6）显然，θ0越大，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NA(NumericalAperture)(2.2.7)称θ0为最大接收角，αc为临界传播角。临界光锥与数值孔径示意图数值孔径NA的范围通常为NA=0.15~0.24之间。小的数值孔径导致光纤耦合效率的降低。例2.2.1n1＝1.48、n2＝1.46的阶跃光纤的数值孔径是多少？最大接收

8、角是多少？要求掌握数值孔径的概念和物理意义解：数值孔径还可以表示