光电子技术教案.doc

光电子技术教案.doc:..。。光纤的典型结构如图 1所示,它由纤芯、包层和护套三部分组成。波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定,工程上定义△为纤芯和包层间的相对折射率差(-1)(-2)n2y(r)]/2n1A<,上式简化为A夸一—nn12n1这即为光纤波导的弱导条件。光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构, 而且为制造提供了很大的方便。护套 包层 纤芯(C)(a)(b)Ll <a<100mu << <<<< <<(d)图1典型光纤的结构、折射率分布和尺寸范围一般介质波导截面上的折射率分布可以用指数型分布表示为lll"2A(L)ajn(r)='‘n1= —△a=n(r)n(1 2J2n1丿2(ra)a)(-3).—UVdr」n(「)dsddsn(r)(-4)r:空间光线上某点的位置矢量,s:该点到光线到原点的路径长度, 折射率的空间分布。应用上式,结合初始条件,原则上就可确定任意已知折射率分布n(r)介质光线的轨迹。(1)阶跃光纤中光波的传播均匀介质中光线轨迹是直线,光纤的传光机理在于光的全反射。光纤可视为圆柱波导,在圆柱波导中,光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内,如图2(a)所示,也可以不在通过光纤轴线的主截面内,如图02(b)所示。为完整的确定里条光线,必须用两个参量,即光线在界面的入射角 和光线与光纤轴线的夹角Q n2 q门2(b)图2阶跃折射率光纤纤芯内的光纤路径 (a)子午光线的锯齿路径;(b)偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影①子午光线当入射光线通过光纤轴线,且入射角6大于界面临界角Oo=sin^^-时,光线将在柱体界面上不断发生全反射,形成曲折回路,而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线,包含子午光线的平面称为子午面。设光线从折射率为no的介质通过波导端面中心点入射,进入波导后按子午0>0光线传播。根据折射定律,当产生全反射时,要求1 ,因此有0sin9一般情况下,9行2o(n1n0(空气)(m)sin$m2(血1它代表光纤的集光本领。NAni(2221/n)2(-5),则子午光线对应的最大入射角称为光纤的数值孔径21/2n)NA2在弱到条件下1/2)(-6)(2-6-7)②斜射光线 09当入射光线不通过光纤轴线时,传导光线将不在一个平面内,这种光线称为斜射光线。 e如果将其投影到端截面上,就会更清楚地看罰传导光线将完全限制在两个共轴圆柱面之间,其中之一是纤芯•包层边界,另一个在纤芯中,其位置由角度 1和1决定,称为散焦面。显然,随着入射角1的增大,内散焦面向外扩大并趋近为边界面。在极限情A11BPa,光纤端面的光线入射面与圆柱面相切( 1=90),在光纤内传导的光线演(b)為丽阴的螺线个散焦(a)图3阶跃光纤中的斜射光线当满足全反射条件sin1n/n吋,得到波导内允许的最大轴线角 絆2 1 m为60221/2Q(m)sin0 =-03—_sin(S) 1 2yOrrf/to nnmcoscos119(-8)当non21(空气■尉r孚大入射角为(m)sin、sin(s) 0m0m9)式中畀cos是传导子午光线的最大入射角。(-在圆柱界面上一点A处所有可能的入射光线可分为三部分:(折射光线)。。(隧道光线)。③不同光程引发的光脉冲的弥散阶跃光纤中与光纤轴成不同夹角旳导引光线, 在轴向经过同样距离时,各自走过的光程是不同箭—RET■若有二4光脉冲在入射端激发起各种不同角度的导引光线,那么由于每根光线巻圾的光程1同, 就会先后到达终端,从而引起光脉冲宽度的加宽,称为光脉冲2勺弓辎。 1光线经过轴向距离L所花的最长和最短时间差为2LnLrnLrii(-I2-△「一可见,光脉冲弥散正比于⑵渐变折射率光纤我们只讨论平方率梯度光纤中光波的传播特性。平方律折射率分布光纤的n(r)可表示为 QQ2()nr①平方律梯度光纤中的光线轨迹由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化rrosin(z)(-11)(-12)式中ro、 由光纤参量决定。可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质,又称自聚焦光纤,如图4所示。一段/4(=2/)长的自聚焦光纤与光学透