第四講 光導纖維的傳輸原理-1

1、光的基本知識n光是一種電磁波光是一種電磁波n可見光可見光350nm750nmn光纖通信所用的波長光纖通信所用的波長8001600nmn光的反射、折射光的反射、折射n全反射全反射31.1.2 2.2 .2 光在均勻介質中的傳播特性光在均勻介質中的傳播特性1.2.2.1 1.2.2.1 三個基本定律三個基本定律（1 1） 光線在均勻介質中按直線傳播，稱直線傳播定律光線在均勻介質中按直線傳播，稱直線傳播定律。其傳播速度為：其傳播速度為： v=c/nv=c/n 式中：式中：c c2.9972.99710108 8m/sm/s，是光在真空中的傳播，是光在真空中的傳播速度；速度；n n是介質的折射率。是介

2、質的折射率。 4 常見物質的折射率：常見物質的折射率：空氣空氣 1.000271.00027；水水 1.331.33； 玻璃玻璃 (SiO(SiO2 2) 1.47) 1.47； 鉆石鉆石 2.422.42；硅硅 3.53.5折射率大的媒介稱為光密媒介，反之稱為光疏媒介折射率大的媒介稱為光密媒介，反之稱為光疏媒介光在不同的介質中傳輸速度不同光在不同的介質中傳輸速度不同5（2 2） 來自不同方向的光線在介質中相遇后，來自不同方向的光線在介質中相遇后，各保持原來的傳播方向繼續(xù)傳播，這就是光的各保持原來的傳播方向繼續(xù)傳播，這就是光的獨立傳播定律。獨立傳播定律。（3 3） 光在兩種各向同性、均勻介質分

3、界面上光在兩種各向同性、均勻介質分界面上要發(fā)生反射和折射。即一部分光能量反射回原要發(fā)生反射和折射。即一部分光能量反射回原介質，另一部分光能量折射入另一介質。介質，另一部分光能量折射入另一介質。n所謂平面波是指在與傳播方向垂直的無限大平面上，電場強度E和磁場強度H的幅度和相位都相等的波型。即這種波的等幅、等相面是無限大的平面。1.補充知識1.1簡諧振動1.1、簡諧振動 定義：簡諧運動是最簡單的周期運動，它是時間的單一正弦或余弦函數(shù) 。)sin()(tAtx)cos()(tBtx其中:A為振幅、為圓（角）頻率、為初相位單位分別是弧度（rad/s）、赫茲（Hz）秒（s），簡諧振動三要素頻率和周期：T

4、221Tf1.簡諧振動的旋轉矢量表示方法 用大小不變而繞固定始點旋轉的旋轉向量表示簡諧振動能形象地說明簡諧振動的物理概念。 OM是一個長度為A，以角開始以等逆時針原點O旋轉的矢量，任一時在縱軸上的投影ON即為x=Asin(wt+)2.簡諧振動的復數(shù)表示方法 平面波在均勻介質上的反射與折射平面波在均勻介質上的反射與折射OzyxK平面波的表示式與坐標的選取有關為了方面取如圖所示：取觀察點P，由原點至P點的直徑為R，則平面波的電磁場表示為：E0和H0是常復矢量，表示電場強度和磁場強度P)exp()()exp()(00RjkHRHRjkERERRkiRkRjksincosexpn在進入光纖的討論之前，

5、先用射線法分析薄膜波導，不僅因為介質薄膜波導是建立介質波導的基礎，也是構成集成波導的基礎。n如圖所示，表示均勻薄膜波導的縱向剖面，由三層均勻介質構成，中間一層折射率為n1,厚度為1-10um,光波就在其中傳輸。n另兩層為n2和n3，為使光波集中，n2和n3必需小于n1，如果n2=n3則為對稱波導，一般假設n1n2n3n1n3n2薄膜波導的橫向（y向）寬度一般為12cm，與光波相比，很長，如當波長為1um時，有上千個波長，被認為是無限寬。有折射率指數(shù)為n1,n2的無限大介質，X=0為其交界面，反射和折射的基本規(guī)律是由斯涅耳定律和菲涅耳公式表示斯涅耳定律斯涅耳定律 _說明三者之間方向的關系說明三者

6、之間方向的關系221111sinsinnnn2n1n1n212入入射射折折射射反射反射1反射定律折射定律當n1n2，當2=90時，射線不再進入第二種媒質此時的入射角滿足：21n2n1n1n212入入射射折折射射反射反射121sinnn當1再增大時，能量全部返回第一媒質，這種現(xiàn)象叫全反射，此時入射角叫全反射角：12sinnnc1n2n1n1n212入入射射折折射射反射反射水平偏振波：電場矢量與入射面相垂直的平面波垂直偏振波：電場矢量在入射面上的平面波EHn2n1n1n212入入射射折折射射反射反射EH11水平偏振波垂直偏振波v 入射面：界面法線與入射光線組成的平面入射面：界面法線與入射光線組成的

7、平面菲涅耳公式菲涅耳公式_說明三者之間振幅的關系說明三者之間振幅的關系22112211coscoscoscosnnnnR221111coscoscos2nnnT21122112coscoscoscosnnnnR211211coscoscos2nnnT)exp()exp()exp(202210111011RjkEERjkEERjkEEn2n1n1n212入入射射折折射射反射反射設入射波、反射波、折射波的電場強度為：引入反射系數(shù)R與透射系數(shù)T表示他們之間的關系)2exp(10101jREER)2exp(20102jTEET1n2n1n1n212入入射射折折射射反射反射)2exp(10101jREER)