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电磁场与电磁波 光纤中光波传播的物理图景 阶跃(SE)型和梯度(GI)型光纤 阶跃光纤中的折射率分布为 梯度型光纤中的折射率分布为 式中,a为纤芯半径,a取值范围为1到?。当a10时,折射率分布为阶跃型,a=1时为三角型,梯度光纤中通常取a?2,即按平方律分布。 定义相对折射率差 在石英光纤中, ,即包层折射率仅比纤芯略低一点。 子午光线和斜射光线 子午光线是位于子午面(过光纤轴线的面)上的光线,而斜射光线是不经过光纤轴线传输的光线。 数值孔径 定义?C为芯包界面的全反射临界 角,相应的入射角?0为入射临界角。 光线从空气(折射率n0=1)射入光纤端 面,有三种典型情况。 光线到达芯包界面时恰好产生掠射 光线将射入包层 光线将在芯包界面产生全反射 数值孔径 入射临界角?0是个很重要的参量, 它与光纤折射率的关系为 数值孔径NA 定义为 NA只决定于芯包折射率差?,与芯包直径无关,?越大,NA越大,光纤聚光能力愈强。 但这与降低损耗、增加带宽有矛盾。从降低损耗、增加带宽考虑,希望?低一些。通常??0.01,则NA的值约为0.1~0.3。 梯度光纤的数值孔径可用局部数值孔径NA(ρ )来描述 当ρ =0时 梯度光纤中的光线轨迹(a)和自聚焦(b) 子午光线的传输特点 分析模型: 设纤芯由多层均匀的同轴层构成,每层的折射率自纤芯轴向外递减。光线由纤芯轴处入射,并向折射率递减的外层传输。 由于n1n2,故折射角?2入射角?1,层与层之间光线以直线传输;在下一层界面上,折射角?3入射角?2。由于折射角愈来愈大,光线愈来愈向芯轴弯曲,在某一点 处发生全反射,光线折回中心。 光纤特性的标量波动分析 1.分析模型——圆形介质光波导 2.标量波动分析的前提:弱导近似 光纤中光线几乎与光纤轴平行。这种波非常 接近于TEM模,假定横向场的偏振方向在传 输过程中保持不变,可用一个标量来描述。 3.设横向电场沿y方向,Ey满足的标量波动方程 i = 1,2,分别表示纤芯和包层中的量。 4.分离变量法解标量波动方程,得到 解标量波方程 i=1, 2,分别表示纤芯和包层的量。 圆柱坐标系下标量波方程为 令 得出 其解为 或 a为介质棒即纤芯的半径 解标量波方程 或 在r=a处有 所以 u、w是以纤芯半径归一化的横向传播常数 将式 代入,得到 最后得到 弱导光纤的色散关系导出过程 Ez、Hz虽然很小,但在导出色散关系时举足轻重 1.根据TEM模近似,由Ey求Hx 2.由Ey、Hx求Ez、Hz,并由 Ez、Hz 解题步骤 在芯—包交界面连续得到色散关系 柱坐标下纵向分量Ez、Hz TEM模近似 场的纵向分量Ez、Hz可从麦氏方程得到 在纤芯区得到 同样可得包层区Ez2、Hz2。 柱坐标下纵向分量Ez、Hz 比较场的轴向分量与横向分量,在轴向分量表示式中多一项 或 它们都在?数量级,即弱导光纤中场的轴向分量至少比横向分量小?数量级,合成场基本处于光纤横截面内,近似为TEM模。 色散方程 色散方程 解的步骤是 (1)先确定光纤芯半径a,相对折射率差?以及工作波长?或 (3)联立解式(1)与式(2),得到u 或w (4) 导模传播常数kz的允许范围为 k0n2?kz?k0n1 截止条件: 若w=0,kz=k0n2,则不满足
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