光纤光学第三章

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1、第三章 光纤传输理论研究光纤中光能量的传输形式和场分布。常有两种分析方法：光线理论和波动理论。p 光波如何进入光波导？（模式的激励）p 光波在光波导中如何传播？(模式分布)p 光波导的基本特征参数？参考文献：1 廖延彪.光纤光学，清华大学出版社，2000，32 刘德明，向清，黄德修.光纤光学，国防工业出 版社，19993 马军山.光纤通信技术，人民邮电出版社，2004学习方法：u 了解光纤传输理论的推导过程，u 掌握其基本概念及重要结论。3.1 光纤的基本结构Refractive Index (n)Diameter (r)CladdingPrimary coating (e.g., soft

2、plastic) Core1.480 1.460SiO2 Glass140 m100 m多模光纤的纤芯直径2a为5062.5m，包层外直径2b为125m，单模光纤的2a为8.3m，2b为125m。几何光学方法更简单直观，但用波动理论可以对光纤的传输特性和传输原理有更精确的分析 光线理论（几何光学方法）把光看作射线，并引用几何光学中反射与折射原理解释光在光纤中传播的物理现象； 波动理论 （波动光学方法）把光波当作电磁波，把光纤看作光波导，用电磁场分布的模式来解释光在光纤中的传播现象。3.2 光纤的光线理论几何光学方法波动光学方法适用条件l rr1的所有区域均为传播场。这 时,光能量直接地、不受阻

3、挡地向包层中辐射并被 损耗掉,光纤已经完全失去了波导约束模式功率的 作用。很明显,辐射模,是一种不受约束的模式。泄 漏 模u存在条件：n22k02 (21/4)a2 10-6时为高双折射率光纤HB。表明光纤的保偏能力的参量。本征双折射：形状双折射与应力双折射感应双折射：由弯曲、扭折、侧向受压及外场所引起。保偏光纤解决办法：设计能维持光波偏振态的偏振保持光纤， 即：保偏光纤。包括高双折射光纤和低双折射光纤。（a）椭圆包层光纤 (b)熊猫光纤 (c) 蝴蝶结光纤 3.4.2 单模光纤中偏振光的表示方法解析法：直接解矢量电磁场解，并考虑边界条件。Jones矩阵法：矢量电磁场的场解的矩阵表示。图示法：

4、Poincare球表示偏振光偏振态的变化。1、单位向量表示法琼斯矩阵法各向同性均匀介质中，光波的电矢量与波矢k垂直。光波的偏振态用琼斯矩阵 来表示。偏振态态归归一化 琼琼斯矩 阵阵偏振态态归归一化琼琼斯矩阵阵水平线线偏振-45o线线偏振垂直线线偏振右旋圆圆偏振45o线线偏振左旋圆圆偏振不同偏振态的光波的琼斯矩阵表示用琼斯矩阵表示全偏振光的偏振状态的优点：（1）处理多个相干的偏振光叠加时，只需将偏振光 对应的Jones矩阵相加。（2）计算偏振光通过线性光学元件后偏振态的变化， 只需将两矩阵相乘即可。若已知一光学元件的Jones矩阵为 ，则偏振态为 的偏振光通过此元件后，其偏振态为2、Poinca

5、re邦加球图示法不同偏振都是由仰角、椭圆度和旋转方向表示的。而这 三个量又可用三个正交坐标系（S1、S2、S3）来表示。每个偏振态的特征量都可在邦加球的表面表示，在邦加球的赤道上表示线偏振，北半球表示左旋椭圆偏振 ，北极点代表左旋圆偏振，南半球表示右旋椭圆偏振，南 极点代表右旋圆偏振。3.5 光在非正规光波导中的传播u 正规光波导（规则光波导）特点：折射率分布沿纵 向均匀，存在模式概念。u 非正规光波导特点：折射率沿纵向分布不均匀，不 存在严格意义下的模式。非正规光波导内的场可展开 为正规波导一系列模式之和。光在光纤中传输的总功率不变，但各个模式的功率 都在变，其中存在模式耦合。光纤中光场为各模式的线性叠加。