《光纖通信與數(shù)字傳輸》課件-08光纖的導(dǎo)光原理

光纖通信與數(shù)字傳輸?shù)诎酥v：光纖的導(dǎo)光原理

1/17一、光纖傳光原理分析光纖的傳輸原理有兩種方法：幾何光學(xué)法：將光看成一條條的幾何射線來分析，也稱射線理論

應(yīng)用條件：光波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于光纖的幾何尺寸，只適用于多模光纖波動(dòng)光學(xué)法：光波按電磁場(chǎng)理論，用麥克斯韋方程組求解，也稱模式理論。它既可用于多模光纖，也可用于單模光纖為了便于理解，從幾何光學(xué)的角度來討論導(dǎo)光原理，更直觀、形象、易懂。

1．折射和折射率2/17光線在不同的介質(zhì)中以不同的速度傳播，描述介質(zhì)的這一特征的參數(shù)就是折射率，或稱折射指數(shù)。折射率可由下式確定：n=c/v

其中ν是光在某種介質(zhì)中的速度，с是光在真空中的速度3x108米/秒。在折射率為n的介質(zhì)中，光傳播速度變?yōu)閏/n，光波長(zhǎng)變?yōu)?/p>

0/n（

0表示光在真空中的波長(zhǎng)）。

表1不同介質(zhì)的折射率材料空氣水玻璃石英鉆石折射率1.0031.331.52～1.891.432.423/17

當(dāng)一條光線照射到兩種介質(zhì)相接的邊界時(shí)，入射光線分成兩束：反射光線和折射光線（如圖所示）。圖1光的折射圖2光的全反射斯涅耳定律給出這些光線方向的規(guī)則：反射定理：1=

3

入射角等于反射角折射定理：n1sin

1=n2sin

2

折射角與入射角的關(guān)系使折射角等于900的入射角稱臨界角，入射角大于臨界角的光線將產(chǎn)生全反射，全反射是光信號(hào)在光纖中傳播的必要條件。2、光的反射、折射和全反射全反射產(chǎn)生的條件4/17（1）均勻折射率分布的兩種光媒質(zhì)，n1>n2

（2）光線從n1高密度的媒質(zhì)入射到n2低密度媒質(zhì)的分界面上（3）入射角大于臨界角。

5/17光波屬于橫波，即光的電磁場(chǎng)振動(dòng)方向與傳播方向垂直。如果光波的振動(dòng)方向始終不變，只是光波的振幅隨相位改變，這樣的光稱為線偏振光，如圖c和圖d所示。從普通光源發(fā)出的光不是偏振光，而是自然光，如圖a所示。自然光在傳播的過程中，由于外界的影響在各個(gè)振動(dòng)方向的光強(qiáng)不相同，某一個(gè)振動(dòng)方向的光強(qiáng)比其他方向占優(yōu)勢(shì)，這種光稱為部分偏振光，如圖b所示。3、光的偏振

6/17如圖4所示，當(dāng)日光通過棱鏡或水霧時(shí)會(huì)呈現(xiàn)按紅橙黃綠青藍(lán)紫順序排列的彩色光譜。這是由于棱鏡材料（玻璃）或水對(duì)不同波長(zhǎng)（對(duì)應(yīng)于不同的顏色）的光呈現(xiàn)的折射率n不同，從而使光的傳播速度不同和折射角度不同，最終使不同顏色的光在空間上散開。

4、光的色散圖4光的色散7/17玻璃對(duì)自然光中不同波長(zhǎng)光的折射率不同，因此產(chǎn)生色散。2.正常色散：長(zhǎng)波光的折射率n小，速度快。短波光的折射率n大，傳輸速度慢。3.反常色散：折射率與波長(zhǎng)的光纖與上述相反。圖5幾種常用光學(xué)材料的色散曲線4、光的色散8/17

二、階躍型光纖光射線的理論分析9/17（3）子午線的分析

10/17

（4）數(shù)值孔徑n1n111/17數(shù)值孔徑NA是光纖接受和傳輸光的能力，它取決于折射率nNA(或θc)越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)，從光源到光纖的耦合效率越高。對(duì)于無損耗光纖，在θc內(nèi)的入射光都能在光纖中傳輸。NA越大，纖芯對(duì)光能量的束縛越強(qiáng)，光纖抗彎曲性能越好。但NA越大，經(jīng)光纖傳輸后產(chǎn)生的信號(hào)崎變?cè)酱?，色散帶寬變差，限制了信息傳輸容量。ITU—T(CCITU)規(guī)定：NA＝0.15~0.24±0.002我國(guó)規(guī)定：NA＝0.2±0.0212/17（5）子午線在階躍型光纖中的傳播圖7子午線在階躍型光纖中的傳播圖8光源與光纖的耦合13/17三、漸變型光纖導(dǎo)光原理由于不同模式的光線分別在不同的折射率層界面上按折射定律產(chǎn)生折射，進(jìn)入低折射率層中去，因此光的行進(jìn)方向與光纖傳輸方向所形成的角度逐漸變小。同樣的過程不斷發(fā)生，直至光在某一折射率層產(chǎn)生全反射，使光改變方向，朝中心較高的折射率層行進(jìn)。這時(shí)，光的行進(jìn)方向與光纖軸方向所構(gòu)成的角度在各折射率層中每折射一次，其值就增大一次，最后達(dá)到中心折射率最大的地方。以此類推，上述過程不斷重復(fù)，實(shí)現(xiàn)了光波的傳輸。光在漸變光纖中會(huì)自覺進(jìn)行調(diào)整，最終到達(dá)目的地，出現(xiàn)自聚焦形象。漸變型光纖纖芯折射率呈連續(xù)變化，其導(dǎo)光原理是利用光的全反射和折射，使光纖在其中以一條近似于正弦型的曲線向前傳播。14/17三、漸變型光纖導(dǎo)光原理漸變多模光纖具有自聚焦效應(yīng)，不僅不同入射角相應(yīng)當(dāng)光線會(huì)聚焦在同一點(diǎn)上，而且這些光線的時(shí)間延遲也近似相等。這是因?yàn)楣饩€傳播速度v(r)=c/n(r)，入射角大的光線經(jīng)歷代路程較長(zhǎng)，但大部分路程遠(yuǎn)離中心軸線，n(r)較小，傳播速度較快，補(bǔ)償了較長(zhǎng)的路程。入射角小的光線情況正相反，其路程較短，但速度較慢，所以這些光線的時(shí)間延遲相等。15/17光在階躍折射率光纖、漸變折射率光纖和單模光纖中的傳播軌跡分別如圖6、圖7和圖8所示。圖6光在階躍折射率多模光纖中的傳播圖7光在漸變折射率多模光纖中的傳播圖8光在單模光纖中的傳播16/17五、傳輸功率分配與模場(chǎng)直徑

模場(chǎng)直徑是指描述單模光纖中光能集中程度的參量。

有效面積與模場(chǎng)直徑的物理意義相同，通過模場(chǎng)直徑可以利用圓面積公式計(jì)算出有效面積。模場(chǎng)直徑越小，通過光纖橫截面的能量密度就越大。當(dāng)通過光纖的能量密度過大時(shí)，會(huì)引起光纖的非線性效應(yīng)，造成光纖通信系統(tǒng)的光信噪比降低，影響系統(tǒng)性能。因此，對(duì)于傳輸光纖而言，模場(chǎng)直徑（或有效面積）越大越好。致謝！17/171