《光纖光學教學ppt課件 》第九講匯編

?

HUST

2012

10/2/202310/2/20234.5

單模光纖中的場解10/2/20231單模光纖的特點10/2/2023?

HUST

2012210/2/2023單模光纖具有極小的色散和極低的損耗,一根光纖可傳輸數(shù)百兆甚至幾千兆的寬帶信息, 無中繼距離可達幾十甚至數(shù)百公里;單模光纖中基模的相位、偏振、振幅等參數(shù)對于各種外界物理量(如磁場、電場、轉(zhuǎn)動、振動、應(yīng)力、溫度等等)極為敏感,利用這種敏感特性可制成靈敏度極高的各種光纖傳感器。利用單模光纖的非線性效應(yīng)可制成光纖激光器與光纖放大器,還可應(yīng)用于測量和信息處理等方面,具有不可比擬的優(yōu)越性。一、單模光纖的場解單模光纖：當光纖中只有一個模式傳播時，稱之為單模光纖。單模光纖只傳輸基模，即：SIOF光纖：零階貝塞爾函數(shù)；平方率分布光纖：高斯函數(shù)10/2/2023?

HUST

2012310/2/202310/2/2023?

HUST

2012410/2/20231、高斯近似方法10/2/2023?

HUST

2012510/2/202310/2/2023?

HUST

2012610/2/202310/2/2023?

HUST

2012710/2/202310/2/2023?

HUST

2012810/2/20232、等效階躍光纖近似(ESF)尋找一條適當?shù)碾A躍型光纖去等效實際的漸變型光纖。而階躍型光纖的場解是已知的, 這樣就得到了漸變型光纖的場解。n1只需求出

V和

a10/2/2023?

HUST

2012910/2/2023(ESF):熱諾姆判據(jù)等效階型光纖參數(shù)V和a的選擇應(yīng)使│β2－β

2│為最??；g型光纖：n2(r)=n2

[1+2Δ(1?(r/a)g)]2V＝V(1＋2/g)-1/2a＝a(g＋2)/(g＋3)凹陷光纖：n2(r)=n2

{1+2Δ[1?γ(1?(r/a)g)]}2Vc=3.401

(g=2,

ESF近似)Vc=3.518

(g=2,精確值)10/2/2023?

HUST

20121010/2/20233、單模光纖的雙折射10/2/2023?

HUST

20121110/2/2023LP01

(HE11)包含兩個相互正交的偏振模。兩個模式的相速并不完全相同。隨著電磁波的向前傳播,基模場將沿z軸作線偏振波－橢圓偏振波－園偏振波－橢園偏振波－線偏振波的周期性變化。場形變化一周期所行經(jīng)的z向距離,即差拍長度為:Lb＝2π/

=

k0

(B:光纖雙折射參數(shù))光纖中存在三種雙折射：線雙折射:在x和y方向折射率不同，合成橢圓偏振光園雙折射:在左右旋方向折射率不同,引起線偏振面旋轉(zhuǎn)橢圓雙折射:上述兩種情形迭加光纖雙折射產(chǎn)生偏振模色散(PMD)HE11偏振態(tài)相互正交的兩個簡并模10/2/2023?

HUST

20121210/2/2023光纖拍長

/2單模光纖中的特有現(xiàn)象：光偏振態(tài)呈周期變化實際中，由于受到應(yīng)力影響，雙折射系數(shù)沿軸并非常量，因此線偏振光很快變成任意偏振光。δ

<π/2δ

=

0δ

=π/2兩個簡并模在傳播時會產(chǎn)生相位差。當二者相位差為2π整數(shù)倍時，則光的偏振態(tài)與入射點相同，此時稱該點處出現(xiàn)

“拍”，兩個拍之間的間隔稱為拍長：LB

=2π/β。2

δ

=

2πδ

>π/2LB10/2/2023?

HUST

20121310/2/2023復習與思考(1)10/2/2023?

HUST

20121410/2/2023為什么光纖要采用“芯包結(jié)構(gòu)”？“單模光纖”中有幾個導模？如果要求光纖只傳輸一個導模,應(yīng)如何設(shè)計光纖?簡述波動光學分析方法的基本思路.說明從麥克斯韋方程到波導場方程三次分離變量的理論依據(jù)。波導場方程具有什么樣的數(shù)學特征？模式的內(nèi)涵是什么？在單模光纖中能否激勵起LP11模式？為什么？從射線方程分別定性說明光線在SIOF和GIOF中的軌跡曲線。從廣義折射定理說明為什么光線總是向折射率高的區(qū)域彎曲。說明光纖數(shù)值孔徑的物理意義。說明內(nèi)散焦面、外散焦面和輻射散焦面的物理意義。SIOF中子午光線的內(nèi)、外散焦面半徑各是多少？復習與思考(2)10/2/2023?

HUST

20121510/2/2023子午光線的主要特征是什么?推導SIOF數(shù)值孔徑表達式;GIOF的數(shù)值孔徑有何不同?為什么GIOF又稱為“折射型”光纖？GIOF中光線角向運動有何特點？分別說明約束光線、隧道光線和折射光線的特點。分別說明導模、漏模和輻射模的場分布特點。簡述三種光線與三類模式的對應(yīng)關(guān)系。說明傳播常數(shù)β有何物理意義。說明V、U、W的物理意義。在什么條件下可以唯一確定光纖中的模式？復習與思考(3)10/2/2023?

HUST

20121610/2/2023“縱橫關(guān)系式”有何作用？光場分量的哪一個分量總是獨立滿足波導場方程？寫出該波導場方程式。SIOF中波導場方程具有什么數(shù)學特征？在SIOF中如何求波導場方程的解？寫出SIOF中推導本征值方程的主要數(shù)學步驟。導模截止與遠離截止的物理意義是什么?寫出SIOF中TE01、TE02、TE03在臨近截止和遠離截止時的本征值。寫出SIOF中模式數(shù)目與V值的關(guān)系式。根據(jù)SIOF色散曲線分析，在V=4.5時有那幾個模式存在？總模式數(shù)目是多少？并與模式數(shù)估算公式的結(jié)果比較。SIOF與GIOF中哪個導模數(shù)目更多？為什么單模條件Vc<2.405只適應(yīng)于SIOF？平方率光纖單模條件Vc是多少?復習與思考(4)10/2/2023?

HUST

20121710/2/2023弱導光纖中組成線偏振模式的理論依據(jù)是什么？為什么LP0m模式只有兩重簡并？實際光纖中傳播的模式是線偏振模式嗎？為什么？畫出LP6,8