光纤光学-光纤特性.ppt

光纤光学
冉洋
暨南大学 光子技术研究所
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1
光纤的定义
可以将具有波粒二象性的特定波段电磁波以一定特有形式在其中传播的硅基介质材料
Optical Fiber
光导纤维
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2
光纤的发展历史
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3散
光纤的双折射（偏振）特性
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光纤的分类
光纤按纤芯和包层材料性质分：
石英光纤、塑料光纤、特殊材料光纤
按传播模式分：
多模光纤和单模光纤
按折射率分：
阶跃型和渐变型
ITU-T官方定义
光纤 (渐变型多模光纤)
光纤 (常规单模光纤)
光纤 (色散位移光纤)
光纤 (衰减最小光纤)
光纤 (非零色散位移光纤)
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光纤的特性
光纤的结构
光纤的分类
光纤的模式
光纤的数值孔径
光纤的损耗
光纤的色散
光纤的双折射（偏振）特性
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光纤的模式
单模光纤(Single Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤
多模光纤(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式传播
什么样的模式可以存在？
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29
James Clerk Maxwell
1831-1879
英国 爱丁堡
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30
上述场在边界条件下的分布与边值关系
静电场有源
变化的电场可以产生磁场
磁场是无源的
变化的磁场可以产生感应电场
1
2
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31
高等光学
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电磁波导模式
麦克斯韦方程组
光纤中没有电流和自由电荷
E 电场强度；D 电感矢量；H 磁场强度；B 磁感强度
J 电流密度；r 自由电荷密度
各项同性介质
D = eE
B = mH
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简化的波动方程
柱坐标系下
选择Ez作为独立分量
单色光
贝塞尔函数的微分形式
通解
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光纤波动方程的一个特征解为一个模式，光纤中总的光场分布是这些模式的线性组合。
模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征
按分布形式，模式可以分为以下几种类型：
1. 横电模 (TE)：z方向上的电场分量为0，或电场分量垂直于z
2. 横磁模 (TM)： z方向上的磁场分量为0，或磁场分量垂直于z
3. 混合模 (HE or EH)：z方向上的电场和磁场都不为0
HE (Ez > Hz) 相反 EH (Ez < Hz)
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模式的特性
稳定性：一个模式沿z方向有稳定的分布。
有序性：模式是离散的、可排序的。
叠加性：光波导中总的场分布是模式的线性叠加。
正交性：不同的模式之间满足正交关系。
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传播常数
传播常数β是描述光纤中各模式传输特性的一个参数，光纤中各模式的传输或截止都可以由该参数决定。
k0n2＜β＜ k0n1
当β<k0n2时，包层中的电磁场不再衰减，而成为振荡函数，这时传导模已不能集中于光纤纤芯中传播，此时的模式称为辐射模，即传导模截止。
当β=k0n2时，传导模处于临界截止状态，光线在纤芯和包层的界面掠射。
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光纤单模的条件
归一化频率
V<Vc
Vc是最低阶贝塞尔函数J0(Vc)=0的解
光纤中所支持的电磁波模式数量由光纤的具体结构和折射率分布决定
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当V ≤ ，光纤只支持一个模式，即单模。减小 V 的一个途径就是减小光纤半径 a。故单模光纤半径比多模光纤小。
0 1 2 3 4 5 6
n1
β/k0

n2
HE11
TE01
HE12
HE41
HE31
TE01
HE21
HE22
EH11
TM01
TM02
EH21
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光纤的特性
光纤的结构
光纤的分类
光纤的模式
光纤的数值孔径
光纤的损耗
光纤的色散
光纤的双折射（偏振）特性
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数值孔径（NA）：光线能进入纤芯的最大圆锥的半顶角的正弦，乘以圆锥顶所在介质的折射率。
θc
n1
n2
n0
NA是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示无论光源发射功率多大，只有2θc张角内的光才能被光纤接收、传播(全反射)；入射角超出这个范围，进人光纤的光线便会进人包层而散失。
数值孔径
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光纤的特性
光纤的结构
光纤的分类
光纤的模式
光纤的数值孔径
光纤的损耗
光纤的色散
光纤的双折射（偏振）特性
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光纤的损耗
光纤的损耗决定了光信号在光纤中被增强之前可传输的最大距离。