光纤通信第二章
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折射率大的媒介称为光密媒介，反之称为光疏媒介 光在不同的介质中传输速度不同
11
reflection
[两种不同媒介的界面] 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和
入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin = qr
12
Snell law
折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和
9
The quantum nature of light
光的粒子性：光电效应 (1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦 成功解释) 1. 光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的 2. 光子的能量仅与光子的频率有关
一个频率为n的光子能量为 E = hn
其中h = 6.63 10-34 J·s为普朗克常数
的衍射 - 1865年麦克斯韦发表电磁场理论并
预言光是一种电磁波 - 1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的
预言
3
Spherical and plane wave fronts and their associated rays
假设光在各向同性的均匀介质中传播
定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前 性质：光的传播方向垂直于波前
电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振
光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：
E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t)
E E02x E02y 1/2
Ex(z, t) = exE0xcos(wt - kz)
arctan E0y
E0 x
Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +)
fiber ➢ The transmission character of fiber
2
2.1 The nature of light
光的波动性 - 17世纪意大利格里马蒂和英国胡克
观测到光的衍射现象 - 1690年海牙物理学家惠更斯提出光
的波动性学说 - 1801年托马斯·杨双缝干涉实验 - 1817年菲涅尔解释并重新演示了光
光的传播常数，它表征光向前传 播时相位变化的快慢。
电场(E)和磁场(H)相互正交
5
Polarization
根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：
.Linear polarization Ellipitical polarization Circular polarization
6
Linear polarization
2) 尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5 mm
3) 结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a) 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b) 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物
Chapter2 Optical Fiber
1
OUTLINE
➢ The nature of light ➢ The fabrication of optical fibers ➢ The structure of an optical fiber ➢ The propagation principle of light along a
1) 位置：位于纤芯的周围
2) 尺寸：直径d2 = 125 mm
3) 材料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而 掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层对光的
折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1 ＞ n2，它使得光信号能约束在纤芯中传输
18
Buffer coating
1) 位置：位于光纤的最外层
这两个垂直分量之间的相位
差满足 = 2mp, 其中m = 0,
±1, ±2,…
q
7
Ellipitical polarization
tan 2
2E0x E0 y cos E02x E02y
椭圆偏振光 ( ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)
Ex E0 x
2
Ey E0 y
2
2
Ex E0 x
4
Plane wave
作为一种电磁波，光波是一个横波，其传播方向垂直于电场 (E)和磁场(H)的振动方向 (1821年，菲涅尔)
给定一个空间直角坐标系o-xyz， 假设一列平面波始终沿 z 方向传
播，那么这列波可测量的电场可 以表示为：
E(z, t) = eEcos(wt - kz)
其中w为光的角频率，k = 2p/l为
Ey E0 y
cos
sin
2
8
circular polarization
特别地，当两个相互正交的分量 幅度相等，且二者之间的相位差
= ±p/2 + 2mp 时，椭圆偏振光
变成圆偏振光：
Ex2 Ey2 E02
迎着光传播的方向观察，根据 d
取p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋 圆偏振光和左旋圆偏振光
n1 sinc = n2 sin 90° [ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
14
1 < p/2 - c c
Phase shifts
1 < p/2 - c c n = n1/n2
空气与玻璃界面
48
全反射中，光的电场矢量与入射面
垂直时的相移(N)和与入射面平行时 的相移(p)
15
入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin1 = n2 sin2
空ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 玻璃
光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角
13
Total internal reflection
光疏媒质 光密媒质
c
玻璃的折射率为1.50，空气的 折射率为1.00，如果一束光从 玻璃入射到玻璃 - 空气界面， 那么，当入射角大于42度时， 入射光将发生全反射。
2.3 optical fiber modes and configurations
16
Core
1) 位置：光纤的中心部位
2) 尺寸：直径d1 = 4 mm ~ 50 mm
3) 材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，
作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号
17
Cladding
在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而 与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光 照频率。
10
2.2 Basic optical law and definitions
光速 c = 3 108 m/s 波长：l = c/v 当光在媒介中传播时，速度cm = c/n
常见物质的折射率：空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5
11
reflection
[两种不同媒介的界面] 反射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，反射光线和
入射光线处于法线的两侧，且反射角等于入射角：qin = qr
12
Snell law
折射光线位于入射光线和法线所决定的平面内，折射光线和
9
The quantum nature of light
光的粒子性：光电效应 (1887年赫兹发现，1905年爱因斯坦 成功解释) 1. 光能量的发射与吸收总是以光量子的离散形式进行的 2. 光子的能量仅与光子的频率有关
一个频率为n的光子能量为 E = hn
其中h = 6.63 10-34 J·s为普朗克常数
的衍射 - 1865年麦克斯韦发表电磁场理论并
预言光是一种电磁波 - 1888年赫兹实验证实了麦克斯韦的
预言
3
Spherical and plane wave fronts and their associated rays
假设光在各向同性的均匀介质中传播
定义：具有相同相位的点的集合称为光的等相面或者波前 性质：光的传播方向垂直于波前
电场矢量在xy平面上的运动轨迹为一条直线的光称为线偏振
光，它可以表示为两个相互正交的线偏振光：
E(z, t) = Ex(z, t) + Ey(z, t)
E E02x E02y 1/2
Ex(z, t) = exE0xcos(wt - kz)
arctan E0y
E0 x
Ey(z, t) = eyE0ycos(wt - kz +)
fiber ➢ The transmission character of fiber
2
2.1 The nature of light
光的波动性 - 17世纪意大利格里马蒂和英国胡克
观测到光的衍射现象 - 1690年海牙物理学家惠更斯提出光
的波动性学说 - 1801年托马斯·杨双缝干涉实验 - 1817年菲涅尔解释并重新演示了光
光的传播常数，它表征光向前传 播时相位变化的快慢。
电场(E)和磁场(H)相互正交
5
Polarization
根据光的电场矢量在xy平面上的运动轨迹，可以将光分为：
.Linear polarization Ellipitical polarization Circular polarization
6
Linear polarization
2) 尺寸：涂覆后的光纤外径约为1.5 mm
3) 结构和材料：包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层 a) 一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料 b) 缓冲层一般为性能良好的填充油膏 (防水) c) 二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物
Chapter2 Optical Fiber
1
OUTLINE
➢ The nature of light ➢ The fabrication of optical fibers ➢ The structure of an optical fiber ➢ The propagation principle of light along a
1) 位置：位于纤芯的周围
2) 尺寸：直径d2 = 125 mm
3) 材料：其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而 掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层对光的
折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1 ＞ n2，它使得光信号能约束在纤芯中传输
18
Buffer coating
1) 位置：位于光纤的最外层
这两个垂直分量之间的相位
差满足 = 2mp, 其中m = 0,
±1, ±2,…
q
7
Ellipitical polarization
tan 2
2E0x E0 y cos E02x E02y
椭圆偏振光 ( ≠ 2mp, m = 0, ±1, ±2,…)
Ex E0 x
2
Ey E0 y
2
2
Ex E0 x
4
Plane wave
作为一种电磁波，光波是一个横波，其传播方向垂直于电场 (E)和磁场(H)的振动方向 (1821年，菲涅尔)
给定一个空间直角坐标系o-xyz， 假设一列平面波始终沿 z 方向传
播，那么这列波可测量的电场可 以表示为：
E(z, t) = eEcos(wt - kz)
其中w为光的角频率，k = 2p/l为
Ey E0 y
cos
sin
2
8
circular polarization
特别地，当两个相互正交的分量 幅度相等，且二者之间的相位差
= ±p/2 + 2mp 时，椭圆偏振光
变成圆偏振光：
Ex2 Ey2 E02
迎着光传播的方向观察，根据 d
取p/2和-p/2，圆偏振光分为右旋 圆偏振光和左旋圆偏振光
n1 sinc = n2 sin 90° [ c = sin-1(n2/n1), n1 > n2]
14
1 < p/2 - c c
Phase shifts
1 < p/2 - c c n = n1/n2
空气与玻璃界面
48
全反射中，光的电场矢量与入射面
垂直时的相移(N)和与入射面平行时 的相移(p)
15
入射光线位于法线的两侧，且满足：n1 sin1 = n2 sin2
空ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 玻璃
光从光密媒质折射到光疏媒质 折射角大于入射角
13
Total internal reflection
光疏媒质 光密媒质
c
玻璃的折射率为1.50，空气的 折射率为1.00，如果一束光从 玻璃入射到玻璃 - 空气界面， 那么，当入射角大于42度时， 入射光将发生全反射。
2.3 optical fiber modes and configurations
16
Core
1) 位置：光纤的中心部位
2) 尺寸：直径d1 = 4 mm ~ 50 mm
3) 材料：高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(GeO2，P2O5)，
作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号
17
Cladding
在光的照射下，金属是否发射电子，仅与光的频率相关，而 与光的亮度和照射时间无关。不同的金属材料要求不同的光 照频率。
10
2.2 Basic optical law and definitions
光速 c = 3 108 m/s 波长：l = c/v 当光在媒介中传播时，速度cm = c/n
常见物质的折射率：空气 1.00027； 水 1.33； 玻璃 (SiO2) 1.47； 钻石 2.42； 硅 3.5