《光纖光學(xué)教學(xué)》第四講

1、 HUST 20121/1/2022.第三章 階躍折射率分布光纖 HUST 20121/1/2022.階躍折射率分布光纖（SIOF）n( r ) = n1 ( 0 r a ) n2 ( r a ) （纖芯中）（包層中）折射率分布表達(dá)式：折射率分布表達(dá)式：分析方法：幾何光學(xué)方法分析、波動光學(xué)分析方法分析方法：幾何光學(xué)方法分析、波動光學(xué)分析方法 HUST 20121/1/2022.幾個基本概念：幾個基本概念：1 1、什么是子、什么是子午平面？與纖軸相交且與纖壁垂直的平面。2 2、什么是子、什么是子午光線？光線？在子午平面上傳輸?shù)墓饩€。偏斜光線：與纖軸既不相交又不限于單一平面之內(nèi)的光線。z3.1 3

2、.1 幾何光學(xué)方法分析幾何光學(xué)方法分析 HUST 20121/1/2022.子午的全反射條件：子午的全反射條件：21cosznn22112sinznnn由光的折射定理：由光的折射定理：1sinsiniiznn子午光線的約束條件：子午光線的約束條件：2212siniinnn HUST 20121/1/2022.光線軌跡: 限制在子午平面內(nèi)傳播的鋸齒形折線。 光纖端面投影線是過園心交于纖壁的直線。臨界角:)/arccos(12nnzc HUST 20121/1/2022. HUST 20121/1/2022.數(shù)值孔徑: 定義光纖數(shù)值孔徑NA為入射媒質(zhì)折射率與最大入射角的正弦值之積,即2sin122

3、21nnnnNAimi相對折射率差:最大時延差：0111002212111costnnnttnc nnc 1NABBL HUST 20121/1/2022. 反映光纖接收光的能力，反映光纖接收光的能力，NANA越大，光纖收集光的越大，光纖收集光的能力增大，增加了光源與光纖的耦合效率。能力增大，增加了光源與光纖的耦合效率。應(yīng)注應(yīng)注意，光纖的數(shù)值孔徑只決定于光纖的折射率，而意，光纖的數(shù)值孔徑只決定于光纖的折射率，而與光纖的幾何尺寸無關(guān)，這一點和普通的光學(xué)系與光纖的幾何尺寸無關(guān)，這一點和普通的光學(xué)系統(tǒng)有所不同。統(tǒng)有所不同。 增大增大NANA，對于提高光纖耦合效率有利。但是卻，對于提高光纖耦合效率有利

4、。但是卻使使光纖的另一重要傳輸特性光纖的另一重要傳輸特性“通信容量通信容量”降低降低。光光纖的通信容量正比于光纖的傳輸帶寬，或單位長纖的通信容量正比于光纖的傳輸帶寬，或單位長度光纖光脈沖展寬的倒數(shù)。度光纖光脈沖展寬的倒數(shù)。 HUST 20121/1/2022.SIOF的傳輸容量 傳輸容量傳輸容量: 時延差的倒數(shù)時延差的倒數(shù) 多模光纖多模光纖: n1=1.5, =1%, =50 ns/km傳輸帶寬傳輸帶寬: 1/ = 20 MHzkm結(jié)論結(jié)論1: 多模階躍光纖通信容量并不高多模階躍光纖通信容量并不高! 由一點發(fā)出的光線不能會聚在另一點由一點發(fā)出的光線不能會聚在另一點:結(jié)論結(jié)論2:多模階躍光纖不適

5、合于傳輸圖像多模階躍光纖不適合于傳輸圖像!（不聚焦）（不聚焦） HUST 20121/1/2022.傾斜光線傳播時不與纖軸相交，不在單一平面內(nèi)傳輸，光線是螺旋折線。傳播時不與纖軸相交，不在單一平面內(nèi)傳輸，光線是螺旋折線。 光線軌跡：(螺旋折線)內(nèi)散焦面半徑： 數(shù)值孔徑： (大于子午光線) 最大時延差： (大于子午光線)cnNAnnSs122111sin/NANAS HUST 20121/1/2022.極限情況，當(dāng)滿足極限情況，當(dāng)滿足coscosn n2 2/n/n1 1時，時，s s，盡管光線依，盡管光線依然可以滿足內(nèi)全反射條件而被約束在纖芯中，但光線僅僅在光然可以滿足內(nèi)全反射條件而被約束在纖芯中，但光線僅僅在光纖橫截面上頻繁反射而不沿纖橫截面上頻繁反射而不沿