光纤中的射线光学理论（2）

xx_912

光纤中的射线光学理论                  2．2．1 阶跃型光纤中的射线光学分析                                     ---- 全反射现象是光纤传输的基础。光纤的导光特性基于光射线在纤芯和包层界面上的全                         反射，使光线限制在纤芯中传输。光纤中有两种光线，即子午光线和斜射光线。子午光线                   是位于子午面(过光纤轴线的平面)上的光线，而斜射光线是不经过光纤轴线传输的光线。                         ---- 图2--5 所示阶跃型的光纤，纤芯折射率为  ，包层的折射率为 ，且 ，空     气折射率为 。在光纤内传输的子午光线，简称内光线，遇到纤芯与包层的分界面的入射     角大于 时，才能保证光线在纤芯内产生多次全反射，使光线沿光纤传输。                                                                                                                    图 2-5                  --- 然而，内光线的入射角大小又取决于从空气中入射的光线进入纤芯中所产生折射角 ，                   因此， 空气和纤芯界面上入射光的入射角 就限定了光能否在光纤中以全反射形式传输。                   --- 与内光线入射角的临界角 相对应， 光纤入射光的入射角 有一个最大值 。 如                         图2-6所示：                                                                                                    图2-6                  ---当光线以入射到纤芯端面上时，内光线将以小于的入射角投射到纤芯和包层界面上。 这样的光线在包层中折射角小于90度， 该光线将射入包层，很快就会漏出光纤。如图2-7所示：                                                                                                   图2-7                  --- 当光线以 入射到纤芯端面上时，入射光线在光纤内将以大于 的入射角投射                   到纤芯和包层界面上。这样的光线在包层中折射角大于90度，该光线将在纤芯和包层界面                         产生多次全反射， 使光线沿光纤传输。如图2-8所示：                                                                                                   图2-8                  ---- 由上面分析可知，当光线从空气入射到纤芯端面上的入射角 时，进入纤芯的                         光线将会在芯包界面间产生全反射而向前传播，而入射角 的光线将进入包层损失     掉。因此，入射角最大值 确定了光纤的接收锥半角。 是个很重要的参数，它与光     纤的折射率有关。下面讨论 的确定：                   ---- 由菲涅耳定律，对于内光线，有                                                                                                                                                                        因为                                                                                                                                                                                                                     所以                                                                                                           即                                                                                                      ---- 对于空气和纤芯界面，有                                                                                                                                                                  由（2-5）式代入（2-6）式得                                                                                                                                                                       即                                                                                                      定义为光纤的数值孔径，用NA表示。它的平方是光纤端面集光能力的量度。在                   空气中的折射率 ，因此，对于一根光纤，其数值孔径为                                                                                                                                                                                    纤芯和包层的相对折射率差 ，定义为                                                                                                                                                                  则光纤的数值孔径 可以表示为                                                                                                                                                                                    ---- NA是表示光纤波导特性的重要参数，它反映光纤与光源或探测器等元件耦合时的耦合                         效率。应注意，光纤的数值孔径 仅决定于光纤的折射率，而与光纤的几何尺寸无关。                                     ---- 在多模阶跃折射率光纤中，满足全反射、 但入射角不同的光线的传输路径是不同的，                   结果使不同的光线所携带的能量到达终端的时间不同，如图2-9所示，从而产生了脉冲展                   宽，这就限制了光纤的传输容量。                                                                                                                      图2-9                   <center></center></td>

    </tr>
. e/ o9 x" x& ]6 M  m- q( |$ E! U7 d
    <tr>