第七講光纖的傳輸

光纖的光傳輸理論21.3光纖的光傳輸理論31.3光纖的光傳輸理論1.3.1光纖中光波的傳播軌跡根據(jù)光線在光纖中的傳播軌跡，可以將光纖中傳播的光線分為兩類：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱為子午射線41.3光纖的光傳輸理論1.3.1光纖中光波的傳播軌跡根據(jù)光線在光纖中的傳播軌跡，可以將光纖中傳播的光線分為兩類：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播，并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次，這種光線稱為子午射線，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱為子午面。51.3光纖的光傳輸理論另一種是光線在傳播過(guò)程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi)，且不與光纖的軸線相交，這種光線稱為斜射線。71.3光纖的光傳輸理論1.3.2階躍型多模光纖中的光波傳播理論目前，在通信領(lǐng)域最常用的多模光纖有兩種類型：階躍型多模光纖和漸變型（梯度型）多模光纖。光纖的折射率分布9子午射線在階躍折射率多模光纖中的傳播10

若使子午光線在多模階躍型光纖中以全反射形式向前傳播，必須保證三點(diǎn)：（1）芯層折射率n1必須大于包層折射率n2，即：n1>n2。（2）光線在芯/包界面上必須發(fā)生全反射，包層內(nèi)折射光線的折射角大于或等于90°，則對(duì)應(yīng)的芯層的入射光線的入射角θ1必須大于或等于臨界角θc，即：θ1≥θc。（3）對(duì)應(yīng)光纖入射端面上的入射光線的入射角Φ

（又稱孔徑角）必須小于或等于臨界孔徑角Φc，即：Φ

≤Φc。11

光纖端面的光線最大入射角Φc（又稱臨界孔徑角或最大接收角）是一個(gè)非常重要的參數(shù)，為描述光纖這種集光和傳輸光的能力與光線最大入射角Φc的關(guān)系，在這里引入一個(gè)物理量—數(shù)值孔徑N·A。對(duì)光纖而言，這個(gè)最大的孔徑角Φc只與光纖的折射率n1

、n2有關(guān)。因此，將它的正弦值定義為光纖的數(shù)值孔徑NA：N·A=sinΦc數(shù)值孔徑（NumericAperture）

θ接收錐NA=SINΦcRayPictureofOpticalFibers(N.A)A:NumericalAperture:反映了光纖搜集射線的能力14斜射線在階躍型多模光纖中的傳播斜射線在階躍型多模光纖中的傳播17子午射線在彎曲圓柱形纖維中的傳播

在纖維的彎曲部位，光線有兩種傳播途徑。一種在彎曲部位仍能很好的發(fā)生全反射，傳送到另一端面；另一種在彎曲部位穿透纖維而散失。

可用一個(gè)簡(jiǎn)化公式來(lái)判斷能否發(fā)生全反射：

R≥4dR為曲率半徑，d為纖維的直徑。18子午射線在階躍折射率多模光纖中的傳播子午射線在漸變折射率多模光纖中的傳播1.3.3漸變型多模光纖中的光波傳播理論19

漸變型光纖的導(dǎo)光原理示意圖1.3.3漸變型多模光纖中的光波傳播理論20n(0)為光纖軸線處的折射率；nc為包層折射率；

為漸變光纖的相對(duì)折射率差。1.3.3漸變型多模光纖中的光波傳播理論21斜射線在漸變型多模光纖中的傳播斜射線在漸變型多模光纖中的傳播22斜射線在漸變型多模光纖中的傳播斜射線在漸變型多模光纖中的傳播231.3.4.1模式及其基本性質(zhì)“?！眮?lái)源于電磁場(chǎng)的概念，指光場(chǎng)的模式。從幾何光學(xué)的觀點(diǎn)比較容易理解。以某一角度射入光纖端面，并能在光纖的纖芯—包層界面上形成全反射的傳播光線就可以稱為一個(gè)光的傳輸模式。1.3.4光纖中的模式傳輸24高次?；５痛文?/p>

在光纖的受光角內(nèi)，以某一角度射入光纖斷面，并能在光纖纖芯-包層交界面上產(chǎn)生全反射的傳播光線，就可以稱為一個(gè)光的傳播模式。25模式及其基本性質(zhì)這束光可看作是沿光纖軸向傳播的行波和垂直于該射線的駐波的合成。波長(zhǎng)為λ的光波在纖芯與包層界面上的場(chǎng)強(qiáng)為零，場(chǎng)強(qiáng)的分布是周期地重復(fù)波峰與波谷。圖中λx是波峰與波峰之間的間距，根據(jù)λ/λx，得到場(chǎng)強(qiáng)的波峰數(shù)目為1、2、3……，按順序稱呼這些傳輸?shù)哪Ｊ綖榛！⒁淮文！⒍文５?，基模以外都屬于高次模?6多模光纖：顧名思義，多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w，或者說(shuō)在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模。優(yōu)點(diǎn)：芯徑大，容易注入光功率，可以使用LED作為光源缺點(diǎn)：存在模間色散，只能用于短距離傳輸1.3.4.3多模光纖與單模光纖（1）多模光纖27模間色散：每個(gè)模式在光纖中傳播速度不同，導(dǎo)致光脈沖在不同模式下的能量到達(dá)目的的時(shí)間不同，造成脈沖展寬。28單模光纖和多模光纖

一根光纖是不是單模傳輸，與(1)光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)和(2)光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)有關(guān)。當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d）遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)（約1μm），光纖傳輸?shù)倪^(guò)程中會(huì)存在著幾十種乃至幾百種傳輸模式，即多模傳輸。當(dāng)光纖的幾何尺寸（主要是芯徑d）較小，與光波長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)，如芯徑d在4μm～10μm范圍，這時(shí)，光纖只允許一種