文档介绍：第三讲光纤的导光原理
主要内容
一、光的基本特性
二、阶跃光纤的导光原理分析
三、渐变光纤的导光原理分析
四、光纤的模式
五、光纤的特性参数
光的反射与折射示意图
光的全反射示意图
①② n1
n2
n2 n1
n2
阶跃光纤的导光原理示意图
阶跃型光纤折射率是沿径向呈阶跃分布,在轴向呈均匀分布, 是包层折射率, 是纤芯折射率。假设图中的阶跃型光纤为理想的圆柱体,光线若垂直于光纤端面入射,并与光纤轴线重合,或平行,这时光线将沿纤芯轴线方向向前传播。若光线以某一角度入射到光纤端面时,光线进入纤芯会发生折射。当光线到达纤芯与包层的界面上时,发生全反射或折射现象。
若要使光线在光纤中实现长距离传输,必须使光线在纤芯与包层的界面上发生全反射,即入射角大于临界角。由前面分析已知光纤的临界角为
渐变光纤的导光原理示意图
为了分析渐变型光纤中光的传播,将纤芯划分成若干同轴的薄层,假设各层内折射率均匀分布,而每层折射率从里到外逐渐减小,即有> > > >…。
若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交界面时,由于是从光密介质射向光疏介质,折射接角大于入射角,光线将折射进第二层射向与第三层的交界面,并再次发生折射进入第三层,依次第推,由于光线都是从光密介质射向光疏介质,入射角将随折射次数增大。当在某一界面处(图中是在第三层和第四层的界面上),入射角大于临界角时,光线将出现全反射,方向不再朝向包层而是朝向轴心。之后光线是从光疏介质射向光密介质,入射角逐渐减小,直至穿过轴心后,光线又出现从光密介质射向光疏介质,重复上述折射过程。因此,当纤芯分层数无限多,其厚度趋于零时,渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化,光线在其中的传播轨迹不再是折线,而是一条近似于正弦型的曲线。
光纤的光学参数
相对折射率差Δ
数值孔径 NA
相对折射率差Δ
对于阶跃型光纤,假设是包层折射率, 是纤芯折射率,且> , 和的差值大小直接影响光纤的性能。故引入相对折射率差Δ表示其相差程度。
对于通信光纤, ≈,上式简化成为
对于渐变型光纤,若轴心处(r=0)的折射率为,则相对折射率差定义为