第二章 光线在光纤中的传输.ppt

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1、第二章光线在光纤中的传输§2.1光纤OpticalFibers1.光纤的结构光纤的基本结构是两层圆柱状媒质，内层为纤芯（Core），处层为包层（Cladding）；纤芯的折射率比包层折射率稍大。当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前传播。A.按传输的模式分类:光波在光纤中传输时,由于纤芯边界的限制，其电磁场解是不连续的。这种不连续的场解称为模式。2.光纤的基本分类单模光纤（SingleModelFiber）SMF:2a=4-10m,2b=125理论分析中，可以认为包层是无限大的多模光纤（

2、multiplexModelFiber）MMF：2a=50m,2b=125第二章光线在光纤中的传输阶跃光纤（Step-IndexFiber）SIFB.按纤芯折射率分布的方式分类渐变光纤（Graded-IndexFiber）GIF第二章光线在光纤中的传输C.光纤制作:可参考有关文献相对折射率差具体的光纤特性见P8的图表第二章光线在光纤中的传输§2.2几何光学GeometricalOpticsA.光在折射率为n的介质中的传播速度:v=c/nB.反射定律:i=rC.折射定律:nt•sint=n

3、i•siniD.几何光学近似条件：当光路上的所有孔径均远大于波长时，可认为光是按照垂直于波前方向的直线传播。oy:法线；o-xz:边界第二章光线在光纤中的传输§2.3均匀平面波（Uniformplanewave）A.MaxwellEquations(fundamentalequations)B.在稳态简谐条件下，线性各项同性非色散，不导电媒质中MaxwellEquations第二章光线在光纤中的传输C.Helmholtz方程1.时间参量:角频率，周期T，频率f。2.空间参量:纵向相移常数或角

4、波数kz，波长z，波数1/z.where第二章光线在光纤中的传输D.空间与时间的联系:相速度phasevelocity均匀平面波的纵向相移常数等于空间相移常数其相速度等于光速E.电磁联系:波阻抗对于均匀平面波真空中均匀平面波是电磁波的最基本的形式，它是沿固定方向传播的等幅行波，垂直于传播方向的平面是等相面或称波阵面。其等相位面同时是等振幅面，其电场和磁场都垂直于传播方向且互相垂直，故称为横电磁波(TEM:TransverseElectromagneticwave)波。同时是等幅波，即振幅不随

5、传播距离而增加或衰减，等幅均匀平面波中电场与磁场同相，波阻抗为实数。若在空间垂直于电场的面放置两块平行的导体平板，则因在导体表面切向电场为0，两导体板不影响平面波的传播。这就形成双平板传输线中的TEM模式的行波，它是双平板传输线中的主模，或称最低模。TE:transverseelectricwave（横电波）TM:transversemagneticwave（横磁波）第二章光线在光纤中的传输第二章光线在光纤中的传输§2.4绝缘体界面处的平面波A.一平面波入射表面法线为S的不导电媒质ntB.平面入

6、射波的表达式:第二章光线在光纤中的传输D.由Maxwell’sEquations知道，在界面上电磁场的切向分量应该连续，所以:C.与之相对应的反射和折射波为:φr与φt是相位常数，非零的相位常数与空间的移动有关。第二章光线在光纤中的传输E.折射定律由上述方程，选y=0的平面，则上式应对y=0及任意x、z均成立，故三个位相因子应相等：选：入射平面为参考平面（即yox平面），则由x分量可得：它是几何光学的基础第二章光线在光纤中的传输§2.5菲涅耳定律（FresnelLaw）A:是入射光，反射光和透射

7、光的矢量复数振幅反射系数R传递系数TB:模表示强度，幅角表示相位C:水平偏振波TE横电波第二章光线在光纤中的传输D:垂直偏振波TM横磁波第二章光线在光纤中的传输§2.6全反射A:n1>n2&c<i<900.c=arcsin(n2/n1)B:波在介质1中

8、R

9、=1,2R=在临界状态下，c＝i，2R＝0，反射不引起相位突变，i900，cosi0，2R＝1800，有半波损失。TE波:TM波:

10、R

11、=1,2R=注意:全反射时，TE，TM的位相变化是不相同的第二章光线在光纤中的传

12、输§2.7全反射时在介质1中的TE波A:在入射平面内的入射波：入射波在x方向的相位常数入射波的z向相移常数B:与之相关的反射波（

13、R

14、=1）:第二章光线在光纤中的传输C:讨论:波的状态Z方向：行波，相位常数X方向：驻波。xz第二章光线在光纤中的传输§2.8全反射时在介质2中的TE波由上式可以看出传输系数的模值及其幅角。令第二章光线在光纤中的传输Z方向:z方向是行波状态，且相位常数与介质1中的相同，相位常数相同意味着相速相同，这是因为介质1中的波和介质2中的波是一个统一波形的两部分，它们必须有相同