光纤的导光原理课件.pptVIP

光纖的導光原理光的反射與折射示意圖光的全反射示意圖????

①②n1?n2n2n1n2階躍光纖的導光原理示意圖階躍型光纖折射率是沿徑向呈階躍分佈，在軸向呈均勻分佈，是包層折射率，是纖芯折射率。假設圖中的階躍型光纖為理想的圓柱體，光線若垂直於光纖端面入射，並與光纖軸線重合，或平行，這時光線將沿纖芯軸線方向向前傳播。若光線以某一角度入射到光纖端面時，光線進入纖芯會發生折射。當光線到達纖芯與包層的介面上時，發生全反射或折射現象。若要使光線在光纖中實現長距離傳輸，必須使光線在纖芯與包層的介面上發生全反射，即入射角大於臨界角。由前面分析已知光纖的臨界角為漸變光纖的導光原理示意圖

為了分析漸變型光纖中光的傳播，將纖芯劃分成若干同軸的薄層，假設各層內折射率均勻分佈，而每層折射率從裏到外逐漸減小，即有＞＞＞＞…。若光以一定的入射角從軸心處第一層射向與第二層的交界面時，由於是從光密介質射向光疏介質，折射接角大於入射角，光線將折射進第二層射向與第三層的交界面，並再次發生折射進入第三層，依次第推，由於光線都是從光密介質射向光疏介質，入射角將隨折射次數增大。當在某一介面處（圖中是在第三層和第四層的介面上），入射角大於臨界角時，光線將出現全反射，方向不再朝向包層而是朝向軸心。之後光線是從光疏介質射向光密介質，入射角逐漸減小，直至穿過軸心後，光線又出現從光密介質射向光疏介質，重複上述折射過程。因此，當纖芯分層數無限多，其厚度趨於零時，漸變型光纖纖芯折射率呈連續變化，光線在其中的傳播軌跡不再是折線，而是一條近似於正弦型的曲線。光纖的光學參數相對折射率差Δ數值孔徑NA?相對折射率差Δ對於階躍型光纖，假設是包層折射率，是纖芯折射率，且＞，和的差值大小直接影響光纖的性能。故引入相對折射率差Δ表示其相差程度。對於通信光纖，≈，上式簡化成為對於漸變型光纖，若軸心處（r=0）的折射率為,則相對折射率差定義為數值孔徑NA對於階躍型光纖，當光線在纖芯與包層介面上發生全反射時，光波在纖芯中傳播軌跡為折線，相應的端面入射角記為光纖波導的孔徑角（或端面臨界角）。即只有光纖端面入射角大於的光線才能在光纖中傳播，故光纖的受光區域是一個圓錐形區域，圓錐半錐角的最大值就等於。為表示光纖的集光能力大小，定義光纖波導孔徑角的正弦值為光纖的數值孔徑（NA），即：由於，上式簡化成為可見，光纖的數值孔徑與纖芯與包層直徑無關，只與兩者的相對折射率差有關。若纖芯和包層的折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光能力就越強。對於階躍型光纖，由於纖芯折射率均勻分佈，纖芯端面各點的數值孔徑都相同，即各點收光能力相同。對於漸變型光纖，纖芯折射率分佈不均勻，光線在其端面不同點入射，光纖的收光能力不同，因此漸變型光纖數值孔徑定義為：光纖中的模式電磁波的傳播遵從麥克斯維爾方程，而在光纖中傳播的電磁場，還滿足光纖這一傳輸介質的邊界條件。因此根據由光纖結構決定的光纖的邊界條件，可求出光纖中可能傳播的模式有橫電波、橫磁波和混合波。（1）橫電波縱軸方向只有磁場分量，沒有電場分量；橫截面上有電場分量的電磁波。中下標m表示電場沿圓周方向的變化周數，n表示電場沿徑向方向的變化周數。（2）橫磁波縱軸方向只有電分量，沒有磁場分量；橫截面上有磁場分量的電磁波。中下標m表示磁場沿圓周方向的變化周數，n表示磁場沿徑向方向的變化周數。（3）混合波或縱軸方向既有電分量又有磁場分量，是橫電波和橫磁波的混合。無論哪種模式，當m和n的組合不同，表示的模式也不同。光纖的歸一化頻率歸一化頻率是為表徵光纖中所能傳播的模式數目多少而引入的一個特徵參數。其定義為：其中，——是光纖的纖芯半徑；