光纤的初步认识

光纤的结构与类型
- 折射率较高的纤芯
  - 二氧化硅
    - 参杂少量二氧化锗五氧化二磷提高纤芯的折射率
- 折射率较低的包层
  - 二氧化硅
    - 参杂少量三氧化二硼降低包层对光的折射率
- 涂覆层
- 多模光纤(Multi-Mode Fiber)和单模光纤(Single SMF)
  - 分类取决于光纤中传输的模式数
    - 在光纤的受光角内,以某一角度射入光纤断面,并能在光纤纤芯-包层交界面上产生全反射传播光线,就可以称为一个光的传播模式
  - 判断方法
    - 结构参数
      - 多模传输
        光纤的几何尺寸(芯径)远大于光波波长(1um)
      - 单模传输
        光纤的几何尺寸(芯径)与光波波长(1um)在同一数量级
    - 传输的光波长
      - 短波长光纤 0.8um - 0.9 um
      - 长波长光纤 1.3um - 1.6 um
      - 超长波长光纤
    - 光纤截面上折射率分布
      - 阶跃型光纤 Step-Index Fiber SIF
      - 渐变型光纤 Grade-Index Fiber GIF
        纤芯的折射率随半径的增加而递减直到等于包层的折射率
        用于降低模间色散(多径色散)
    - 按二次涂覆层分类
      - 松套光纤和紧套光纤
        光纤能否在套管中自由活动
  - 多模光纤
    - 优点
      - 纤径大,可以使用LED作为光源
    - 缺点
      - 存在模间色散,只能用于短距离传输
  - 单模光纤
    - 优点
      - 不存在模间时延差,有更大的带宽,适用于高码速长途传输
    - 缺点
      - 芯径小,不容易进行光耦合,需要使用半导体激光器激励
光纤中光线的传播
- 光线时钟在一个包含光纤中心轴线的平面内传播,并且一个传播周期与光纤轴线相交两次,这种光线称为子午射线 . 包含光纤轴线的固定平面称为子午面
- 光线在传播过程中不在固定的平面内,并且不与光纤的轴线相交,这种光线称之为斜射线
光纤的光学特性
- 折射率分布
- 最小入射角
  - 空气的最小入射角 $nsin\phi=\sqrt{n_1^2-n_2^2}$
- 最大理论数值孔径
  - 定义 $NA_{max}=(n_1^2-n_2^2)^{1/2}$
- 模场直径和有效面积
  - 模场直径使指描述单模光纤中光能集中程度的参量
  - 模场直径越小,通过光纤横截面的能量密度就越大.
    - 当通过光纤的能量密度过大时,会引起光纤的非线性效应,造成光纤通信系统的光信噪比降低,影响系统性能
- 截止波长
  - 单模光纤中光信号能以单模方式传播的最小波长
导波原理
- 等相面或波前
  - 相同相位点的集合
  - 光的传播方向垂直于波前
- 平面波
  - $E(z,t)=eEcos(\omega t-2\pi/\lambda z)$
- 偏振态
  - 光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹
    - 线偏振光
    - 椭圆偏振光
    - 圆偏振光

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