2第2章光纤技术与应用课件.ppt

第2章 光纤波导的基本原理;第1节光纤波导的原理 一、菲涅耳定律——射线光学的基本关系式 当一束光照射到两种介质的分界面时会发生反射和折射现象，如下图所示。;设入射角为θ1，折射角为θ2 ，反射角为θ3 ，介质1的折射率为n1，介质2的折射率为n2。 由菲涅耳定律可知 这就是菲涅耳定律，这个定律决定了入射角与折射角、反射角之间的关系。;说明一个简单但是常用又重要的概念－－介质的折射率。 介质的折射率是光在真空中的速度与光在该介质中的速度之比，用n来表示， n＝c/v;二、光在分层介质中的传播 1、光由光疏介质(n1)进入到光密介质(n2) 因为n1n2，根据菲涅耳定律有θ1 θ2 ，虽然随着的θ1增大，θ2也会逐渐增大，但是即使当θ1 ＝90o时， θ2也不会达到90o。也就是说折射光线始终是存在的。 2、光由光密介质(n1)进入到光疏介质(n2) 因为 n1 n2 ，根据菲涅耳定律有θ1 θ2，逐渐增大入射角θ1，折射角为θ2 随着增大，进入介质2的折射光束逐渐趋于分界面。;随着θ1继续增大，当θ2＝ 90o极限值时，折射光线消失，此时只有入射光线和反射光线存在，产生全反射，同时定义这时相应的入射角为临界角θc。根据菲涅耳定律有 当入射角θ1大于等于θc时，在分界面处产生全反射。;产生全反射的条件： 1、光从折射率大的介质进入折射率小的介质，即从光密介质到光疏介质。 2、入射角大于等于临界角。 了解了菲涅耳定律和光在分层介质中的传播情况后，下面分析光在光纤中的传输情况。 光纤正是利用了全反射原理将光波能量约束在光纤界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播，;三、子午光线在均匀光纤中的传输 均匀光纤是指纤芯中的折射率分布是均匀的、不随半径变化的光纤。在光纤中存在2种不同形式的光射线，即子午光线和斜射光线。 针对一根具体的光纤，讨论子午光线在均匀光纤的子午面内的传输情况。 子午面：通过光纤中心轴的任何平面，都称为 子午面。 子午光线：位于子午面内的光线称为子午光线。 内光线：在光纤内传播的子午光线称为内光线。; 如图所示，通过纤芯的轴线OO’可以做很多个平面，这些平面就是子午面。子午面上与轴线相交的光射线，就是子午光线，简称子午线。从图中可以看出，子午线在纤芯与包层的交界面上来回全反射而形成锯齿形波，被限制在光纤纤芯中，它是一条与光纤轴线相交的平面折线，在端面上的投影为一条直线。;子午光线在阶跃型光纤中的传输如下图所示。当光线射入纤芯后，在纤芯与包层界面处满足全反射条件的光线，就能在纤芯内来回反射向前传播。;设空气折射率为n0，纤芯折射率为n1，包层折射率为n2，入射角为θ0。在纤芯端面上光线产生折射，其折射角θ可从菲涅耳定律求得，即 由于n0 ＜ n1 ，因此θ＜θ0 。设该折射光线到达纤芯和包层界面时恰好发生全反射，即它在包层内的折射角θ2＝90o，则相应的入射角为： 其中θc为纤芯与包层界面的全反射临界角，相应的入射角θ0为入射临界角。;如果射入纤芯端面的光线入射角大于入射临界角θ0，它产生的界面入射角小于θc，则光线在包层中的折射角小于90o，该光线将射入包层。 如果射入纤芯端面的光线入射角小于入射临界角θ0，它产生的界面入射角大干θc，则该光线将在界面产生全反射。;当光线从空气射入纤芯端面的入射角小于入射临界角θ0时，进入纤芯的光线将会在芯包界面间产生全反射面向前传播，而当入射角大于θ0时，光线将进入包层散失掉。因此，入射临界角θ0是一个很重要的参量．它与光纤折射率的关系为 因为 所以;相应于全反射临界角θc，光纤端面入射临界角θ0称为孔径角。在光纤端面只有入射角小于等于θ0的光线才能在光纤中传输，所以说θ0反映了光纤集光能力的大小。 定义n0sinθ0为光纤的数值孔径，用NA表示，即 NA的平方是光纤端面集光能力的量度。 光纤的数值孔径仅决定于光纤的纤芯与包层的折射率，而与光纤的几何尺寸无关。;由子午光线在光纤中的传输示意图可知道，子午光线在光纤内的传播路径是折射，所以子午光线在光纤中的传播路径长度一般大于光纤的长度，由图中的几何关系得出在纤芯直径为2a，长度为L的光纤中，总光路长度S为 已知 即θ只与θ0，n0，n1有关，与纤芯直径2a无关，所以S也只与θ0，n0，n1有关，与纤芯直径2a无关，即当θ0，n0，n1为一定时，S与光纤粗细无关。;光在光纤中传播时产生的全反射次数η为 全反射次数与纤芯直径2a成反比。;在光纤中传输的光线除上面讨论的子午光线外，还有斜光线。斜光线是指从光纤端面任意方向入射且不在同一平面内传播的光线。斜光线也有其全反射条件，满足条件的斜光线才能在光纤中传输，两者的重