渐变型光纤导光原理教案.

弱导光纤中存在线偏振模 LPlm , (l, m 0,1,2,3...) 主模式标号: p=2m+ι+1
最高阶导模主模式标号pmax近似对应于光纤 中的导模数目。而pmax对应于n2k0,
得到：pmax= V/2 ，或
V/4 m
2m l 1V / 2
导模数目： M= 4(1/2)(V/2)(V/4)= V2/4
条件:
n2＜n(r0) cosθz(r0)＜n1
光线存在区域: rg1 < r < rg2
内散焦面半径：rg1 外散焦面半径：rg2
导光条件: n2 n n1
gr n2 r I 2 r2 n 2
n12
n2(r)
n2(r)-I2 /r2
n
2 2
n2(a)- I2 /r2
2
nl
n2(a)- I2 /a2
n12 k 02
2 g
2 l
n22
k02
G2 (r) n2 (r)k02 l 2 / r 2 2
n2(r)k02
n2(r)k02-l2 /r2 n22k02-l2 /r2
2 r
0 rr1 rl1 rg1
a rg 2 rl 2
rl 3
r
导模
存在条件：n2k0＜β＜n1k0 场分布特点: 在rg1<r<rg2的区域内为传播场; 在其 它区域内为消逝场。因此导模被限制在rg1＜r＜ rg2的园筒内向前传播。对于SIOF, rg2＝a,对于 GIOF, rg2＜a; 对于TE模或TM模(ι＝0,与子午光线 对应),rg1＝0; 对于EH模或HE模(与偏斜光线对应)， rg1＞0。
n ＝n(r)dz/dS＝n(r)cosθz(r)=n(r0)cosθz(r0) n ---- 第一射线不变量

n14 n13 n12 n11 n11 n12 n13 n14
使光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播
1.渐变型光纤导光原理
• 渐变型光纤纤芯折射率呈连续变其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播。
n14 n13 n12 n11 n11 n12 n13 n14
渐变型多模光纤如图 在纤芯中心折射率最大为n1 沿径向r向外围逐渐变小
1.渐变型光纤导光原理
• 渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理是利用光的反 射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播。
直到包层变为n2
光线以正弦形状沿纤芯中心轴线方向传播
特点是信号畸变小
1.渐变型光纤导光原理
通信技术专业教学资源库 石家庄邮电职业技术学院
谢谢
主讲：杨斐
渐变型光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小
1.渐变型光纤导光原理
• 渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理是利用光的反 射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播。
n14 n13 n12 n11 n11 n12 n13 n14
可使高次模的光按正弦形式传播 这能减少模间色散 提高光纤带宽 增加传输距离
• 渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理是利用光的反 射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播。
n14 n13 n12 n11 n11 n12 n13 n14
渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化 渐变型光纤导光原理是利用光的反射和折射
1.渐变型光纤导光原理
• 渐变型光纤纤芯折射率呈连续变化，渐变型光纤导光原理是利用光的反 射和折射，使光线在其中以一条近似于正弦型的曲线向前传播。
通信技术专业教学资源库 石家庄邮电职业技术学院

光的传播教案探索光纤通信技术的基本原理探索光纤通信技术的基本原理一、课程背景随着信息技术的快速发展，人们对通信技术的需求日益增长。

传统的电信通信方式受到带宽限、距离受限等制约，无法完全满足人们的需求。

而利用光纤传输数据和信息，不仅大幅提升传输速度、距离，而且能够增强信息的保密性和安全性。

因此，掌握光纤通信技术的基本原理成为现代通信技术领域必须掌握的核心知识之一。

二、教学目标1.了解光的基本特征及在通信中的应用。

2.学习光纤的基本构造及其工作原理。

3.掌握光纤的性能参数及其影响因素。

4.掌握光纤通信的基本工作原理和信号调制技术。

三、教学内容1.光的基本特征及应用光是一种电磁波，具有双重性质，既有波动性也有粒子性。

光波长范围广，被称为“光谱”。

在通信中，常用的光波长范围为1310nm和1550nm。

除了在通信中的应用，光还广泛应用于医学、工业制造、娱乐领域等。

例如，在医学中，激光可以用于皮肤削减、开颅手术等；在工业中，激光可以用于焊接、切割、雕刻等；在娱乐中，激光可以用于投影、演唱会、儿童乐园等方面。

2.光纤的基本构造及其工作原理光纤由纤维芯、包层和衬垫层三部分构成，其中纤维芯为信息传输的主要通道。

包层用于包裹纤维芯并使之获得总反射效应。

衬垫层用于保护包层和纤维芯，减少纤维间的耦合和干扰影响。

光纤的工作原理是利用光的全反射现象，使光信号在光纤中通过传输。

3.光纤的性能参数及其影响因素光纤的性能参数有多个，其中最基本的是传输损耗、带宽和折射率。

影响光纤性能的主要因素有几何尺寸、折射率分布和波长等。

在应用光纤时，需要根据实际需求确定合适的光纤类型和参数。

4.光纤通信的基本工作原理和信号调制技术光纤通信的基本工作原理是将一系列的数字信号转换成模拟光信号进行传输。

在实现这一过程中，需要先将数字信号进行调制（例如ASK、FSK、PSK），使其能够被转换成光模拟信号，然后将光模拟信号通过发射机转换成光信号在光纤中传输。

教学章节
光纤的导光原理
教学环境
多媒体机房
பைடு நூலகம்教学
内容
1.光纤的导光原理
2.光纤的数值孔径
教学
目标
3.掌握光纤的导光原理
4.掌握光纤的数值孔径
重点
难点
1.光纤的导光原理
2.光纤的数值孔径
教学
方法
讲授和总结
教学
过程
1.掌握光纤的导光原理
利用动画演示，说明光纤的导光原理是基于光的全反射。
2.掌握光纤的数值孔径
通过深入分析光纤的最大接收角的意义，说明光纤的数值孔径就是光纤最大接收角的正弦值，反映了光纤的接收光线的能力。
注意分析数值孔径和哪些参数有关：只决定于纤芯和包层折射率，而与光纤的尺寸是没有关系的。
练习：通过光纤的数值孔径和最大接收角的计算，加深理解概念。
课堂总结：
光纤的导光原理
光线的数值孔径

r0n(r0 )sinθZ(r0 )cosθφ(r0 )
角向运动特点
光线的角动量：
恒为常数
r
2
r2
df
dt
I n
Hale Waihona Puke dz dtI nVp
Ic
n2
– 这表明,光线角向运动速度将取决于光线轨迹 到纤轴距离r:在最大的r处光线转动最慢;在最 小的r处光线转动最快。
子午光线：θφ＝π/2， I 0
dφ/dz＝0 光线保持在同一平面
(dz/dS)|r0
＝rcosθrzr(ˆr0) zzˆ
x
P
r r
zdz
r P0 r0
ds
r0 p
r0df dl dr
f
y
ef
Q er
轴向运动
分析轴向分量方程:
d n dz 0 dS dS
有： n(dz/dS)=const., 令其为 n , 则有
n ＝n(r)dz/dS＝n(r)cosθz(r)=n(r0)cosθz(r0) n ---- 第一射线不变量
0
rl1
rl 2 a rl 3
r
隧道光线
条件:
n2> n(r0) cosθz(r0)>√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
光线存在区域: rl1 < r < rl2
r > rl3 内散焦面半径：rl1 外散焦面半径：rl2 辐射散焦面半径: rl3
n2(a)- I2 /a2
在r>rr1的所有区域均有光线存在，因此光线的约束作 用完全消失，光线毫无阻挡地进入包层中传播。
角向运动
分析φ分量方程:

光纤得导光原理光就是一种频率极高得电磁波，而光纤本身就是一种介质波导,因此光在光纤中得传输理论就是十分复杂得。

要想全面地了解它,需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面得知识。

但作为一个光纤通信系统工作者,无需对光纤得传输理论进行深入探讨与学习。

为了便于理解,我们从几何光学得角度来讨论光纤得导光原理,这样会更加直观、形象、易懂。

更何况对于多模光纤而言,由于其几何尺寸远远大于光波波长,所以可把光波瞧作成为一条光线来处理，这正就是几何光学得处理问题得基本出发点。

·5、１全反射原理我们知道,当光线在均匀介质中传播时就是以直线方向进行得,但在到达两种不同介质得分界面时,会发生反射与折射现象,如图5-1 所示。

图5-1 光得反射与折射根据光得反射定律,反射角等于入射角。

根据光得折射定律:(公式5－1)其中n1为纤芯得折射率,n2为包成得折射率。

显然，若n1>n2,则会有。

如果n1与n2得比值增大到一定程度,则会使折射率，此时得折射率光线不再进入包层，而会在纤芯与包层得分界面上经过(）,或者重返回到纤芯中进行传播（)。

这种现象叫光得全反射现象,如图5－2所示。

图5－2 光得全反射现象人们把对应于折射角等于90得入射角叫做临界角,很容易可以得到临界角。

不难理解,当光在光纤中发生全反射现象时,由于光线基本上全部在纤芯区进行传播,没有光跑到包层中去,所以可以大大降低光纤得衰耗。

早期得阶跃光纤就就是按这种思路进行设计得。

·5、2光在阶跃光纤中得传播传播轨迹了解了光得全反射原理之后,不难画出光在阶跃光纤中得传播轨迹，即按“之”之形传播及沿纤芯与包层得分界面掠过,如图5-3 所示。

图5-３光在阶跃光纤中得传输轨迹通常人们希望用入射光与光纤顶端面得夹角来衡量光纤接收光得能力。

于就是产生了光纤数值孔径ＮA得概念。

因为光在空气得折射率ｎ0＝1,于就是多次应用光得折射率定律可得:(公式5-－2)其中,相对折射率差:(公式５－-3）因此，阶跃光纤数值孔径NA得物理意义就是:能使光在光纤内以全反射形式进行传播得接收角θｃ之正弦值。

应用场景的比较
阶跃光纤
由于其较低的传输损耗和稳定的 导光性能，适合用于短距离、高 带宽的通信网络。例如，建筑物 内的光纤网络、局域网等。
渐变光纤
由于其优异的传输性能，常用于 长距离、大容量的通信系统，如 跨洋光缆、国家骨干网等。
05
阶跃光纤和渐变光纤 的发展趋势
新材料的应用
材料选择
随着科技的进步，新型的光纤材料不断涌现，如石英、塑料等，这些材料具有更 高的光学性能和机械强度，能够提高光纤的传输效率和稳定性。
。
03
渐变光纤导光原理
渐变光纤的结构特点
01
02
03
渐变折射率
渐变光纤的折射率从中心 到外部逐渐减小，形成连 续变化的折射率分布。
多模传输
由于折射率的变化，光线 在光纤中传播时发生折射 ，形成多模传输。
材料选择
常用石英材料制造渐变光 纤，因其具有优良的物理 和光学性质。
渐变光纤的折射率分布
抛物线型折射率分布
材料优化
通过改进材料的纯度、掺杂技术等手段，进一步优化光纤材料的性能，提高其导 光能力和抗干扰能力。
新工艺的研发
拉丝工艺
改进拉丝工艺，提高光纤的几何精度 和表面质量，降低光纤的散射损耗和 反射损耗。
涂覆工艺
研发新型的涂覆材料和涂覆技术，增 强光纤的机械强度和环境适应性，延 长光纤的使用寿命。
新结构的设计
1980年代
1990年代至今
光纤通信进入大规模商用阶段，光纤通信 系统逐渐成为长距离、大容量通信的主流 技术。
光纤通信技术不断创新和发展，传输速率 和传输距离不断提升，全光网络成为未来 通信技术的发展方向。
光纤的种类和特点
阶跃光纤

2 特点
3.2均匀渐变波导结构具有较好的光传输和耦合特性。
3.2均匀渐变的原理解析
光波导结构关键点
3.2均匀渐变的实现需要设计合适的波导截面结 构。
优势和应用领域
3.2均匀渐变波导在光通信和传感等领域具有广 泛的应用。
3.2均匀渐变实验演示
1
实验装置及材料介绍
介绍实验所需的装置和材料以及其功能和用途。
《光波导理论教学课件》 3.2均匀渐变
这个教学课件将介绍和讲解光波导理论中3.2均匀渐变的相关知识和概念。
光波导理论概述
1 定义
光波导理论是研究光在特定介质中传播的原理和性质。
2 应用
光波导在通信、激光技术和光学传感等领域有着广泛的应用。
3.2均匀渐变的定义和特点
1 定义
3.2均匀渐变是指波导截面特定参数在传播方向上均匀变化。
2
实验操作步骤详解
逐步解析进行3.2均匀渐变实验的具体操作步骤。
3
实验结果和分析
展示实验结果并对实验数据进行详细分析和讨论。
结论与展望
通过学习光波导理论中的3.2均匀渐变，我们可以更好地理解光传输的特性和 应用，

2.
2 r d r l n ( r ) n ( r ) s i n ( r ) c o s( r )( 3 . 4 5 ) z a d sa

d z nr () nr ( )c o s z d s




由3.4-4和3.4-5得：
a l cos ( r ) 1 / 2 2 2 rn ( r )
(3.4 2)
定义角、z、是r的函数，它们之间的关系：
cos (r) sin z(r)sin r) ( dr cos (r) ds
dz cos z (r) dr d 1 sin z (r) cos (r) ds r
（1）
d dz n(r ) 0 ds ds


( 3 . 4 6 )
3.4.2 光线路径及光线分类 光线路径：
dz cos z (r ) ds d 1 sin z (r ) cos (r ) r 光学不变量： ds
由3.4－2c得： 3.4-3
dz n ( r ) n ( r ) cos ( r ) z ds
条件：光源对光纤均匀激发（不同角度辐射的射线包含的功率相同） 设纤芯处和离轴线为 r的功率密度各为p(0)、 p(r), 有
2 2 2 P ( r ) NA ( r ) n ( r ) n ( a ) 2 2 2 P ( 0 ) NA ( 0 ) n ( 0 ) n ( a )
光纤折射率分布近场测试法的原理
2 2 dr l a 2 2 2 n (r ) 2 r dz 引入函数 2 2 l a 2 2 g (r ) n (r ) 2 r
2

斯涅耳定律给出了定义这些光线方向的规则 1 = 3 n1sin 1 = n2sin 2
7
光传输技术 全反射
1.全内反射理论
图
光的折射与全反射
8
光传输技术
1.全内反射理论
若要使光线在光纤中实现长距离传输，必须使角大于临界角。由前面分
析已知光纤的临界角为
多模光纤中传输多个模式。
18
光传输技术 模场直径
2.波动理论
单模光纤中基模场强在光纤的横截面内有一特定的分布，该分布与 光纤的结构有关。光功率被约束在光纤横截面的一定范围内。也就是 说，单模光纤传输的光能不是完全集中在纤芯内，而是有相当部分在包 层中传播。所以不用纤芯直径来作为衡量单模光纤中功率分布的参数，
1
2
nc 渐变光纤的导光原理：依据折射原理,光线最迟 在芯包界面发生全反射，将子午射线限制在纤芯中
向前传播的。
n1sin 1=n2sin n4 n3 n1>n2 > 1 n2 =2 > 1 n1 21 n2 同理： n3 1 ＜ 2＜ 3＜ ＜ n n4
光传输技术
1
光传输技术
全内反射理论 波动理论
2
光传输技术
掌握反内反射原理 掌握光纤的数值孔径和截至波长的概念 了解单模传输条件
3
光传输技术
1.全内反射理论 2.波动理论
4
光传输技术
1.全内反射理论
光的性质
波动性
射线理论 （全内反射）
粒子性 波动理论
5
光传输技术 折射和折射率
1.全内反射理论
n1sin Фc =n2sin90° sin Фc＝ n2/n1
sin θa =n1(1－sin2 Фc )1/2=n1[1－(n2/n1)]1/2 =n1(2)1/2

快与慢这些学习特性是可以改变，学生
摘要： 分层教学使职业学校实 施素质教育成为现实。本文阐述了 “分层教学”的可行性、意义及在 《电子线路》 课的教学中实施 “分层 教学” 的关键环节。
的身心健康会有很大的改善， 所以说 “分 层教学” 是目标教学的重要手段。 “分层教学” 的理念 “分层教学” 的 理念是教会全体学生， 这也正体现了 “以 学生为本、 以学定教” 的原则， 面向每个 学生，面向学生的每个方面，让学生生 动、 活泼、 轻松地学习， 这也正是我们追 求的教育理想境界。原苏联教育家维果 斯基的 “最近发展区” 理论认为： 每个学生都存 在两种发展水平， 一是现有水平， 二是潜在水 平， 它们之间的区域被称为 “最近发展区” 。教 学只有从这两种水平的个体差异出发， 把 “最 近发展区” 转化为现有水平， 并不断地创造出 更高水平新的 “最近发展区” ， 才能促进学生的
职 业 教 育 研 究
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内容适当增减， 重点使学生掌握基 基 础 普 遍 较 因材施教， 课堂上注意学生的学习反 差 ， 反 应 较 础知识 和 基 本 技 能 ， 慢。 应， 及时捕捉学生的疑惑并加以解决。 会 自 学 能 力 不 引 导 学 生 在 课 堂 学 会 要 用 耳 、用 眼 ，会 听 、 动手、 动脑 ， 会记、 会思， 做到知其然还要知 够， 喜欢死记 看， 硬背。 分析能力一 般。 其所以然， 以达到知识的融会贯通和记忆。 根据多媒体 课 件 演 示 ， 通过 “点 评 法 ” 让学生分 析渐变光纤中的各种模式在光纤中传播时间 为什么几乎相同。
摘要：教学设计是对教学目的、 教 学内容与学生认识水平的联结点科学、 合理、 巧妙 的 筹 划 与 安 排 ， 并确定具体 的教学过程与教学方法、 教学手段的教 学方案和计划。 教学设计注重对教学对 象学习情况的分析， 并进而有针对性地 对学生进 行 学 法 指 导 ， 充分体现 “以 学 生为主体 ” 的教学原则， 提高课堂教学 质量。 本文以 《光纤导光原理》 课堂教学 为例， 给出教学设计的具体方案。

光纤的导光原理光是一种频率极高的电磁波,而光纤本身是一种介质波导,因此光在光纤中的传输理论是十分复杂的。

要想全面地了解它，需要应用电磁场理论、波动光学理论、甚至量子场论方面的知识。

但作为一个光纤通信系统工作者，无需对光纤的传输理论进行深入探讨与学习。

为了便于理解,我们从几何光学的角度来讨论光纤的导光原理，这样会更加直观、形象、易懂.更何况对于多模光纤而言，由于其几何尺寸远远大于光波波长,所以可把光波看作成为一条光线来处理，这正是几何光学的处理问题的基本出发点.·5.1 全反射原理我们知道，当光线在均匀介质中传播时是以直线方向进行的，但在到达两种不同介质的分界面时，会发生反射与折射现象，如图5—1 所示。

图5—1 光的反射与折射根据光的反射定律，反射角等于入射角。

根据光的折射定律：（公式5—1）其中n1为纤芯的折射率，n2为包成的折射率.显然，若n1>n2，则会有.如果n1与n2的比值增大到一定程度，则会使折射率,此时的折射率光线不再进入包层，而会在纤芯与包层的分界面上经过（）,或者重返回到纤芯中进行传播（）。

这种现象叫光的全反射现象，如图5-2所示。

图5-2 光的全反射现象人们把对应于折射角等于90的入射角叫做临界角，很容易可以得到临界角.不难理解，当光在光纤中发生全反射现象时，由于光线基本上全部在纤芯区进行传播，没有光跑到包层中去,所以可以大大降低光纤的衰耗.早期的阶跃光纤就是按这种思路进行设计的。

·5。

2光在阶跃光纤中的传播传播轨迹了解了光的全反射原理之后，不难画出光在阶跃光纤中的传播轨迹，即按“之”之形传播及沿纤芯与包层的分界面掠过，如图5-3 所示。

图5—3 光在阶跃光纤中的传输轨迹通常人们希望用入射光与光纤顶端面的夹角来衡量光纤接收光的能力。

于是产生了光纤数值孔径NA的概念。

因为光在空气的折射率n0=1，于是多次应用光的折射率定律可得:（公式5——2）其中，相对折射率差：（公式5——3）因此，阶跃光纤数值孔径NA的物理意义是：能使光在光纤内以全反射形式进行传播的接收角θc之正弦值。

光纤技术原理课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光纤的基本结构、分类和原理；2. 掌握光纤通信系统中光信号的发射、传输和接收过程；3. 了解光纤技术在现代通信领域的应用及其优势。

技能目标：1. 能够运用光纤技术原理，分析光纤通信系统中的性能指标；2. 学会使用光纤通信设备，进行基本的光缆敷设、接续与测试操作；3. 能够针对实际问题，运用光纤技术提出解决方案，并进行初步的评估。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对光纤技术原理的兴趣和探究精神，激发其学习热情；2. 增强学生团队协作意识，培养共同解决问题的能力；3. 提高学生对我国光纤通信技术发展的认识，增强国家自豪感和责任感。

本课程针对高中年级学生，结合物理和信息技术学科知识，以光纤技术原理为核心内容，充分考虑学生的认知水平、兴趣和实际需求。

通过本课程的学习，旨在使学生掌握光纤技术的基本知识和技能，培养其创新意识和实践能力，为培养未来通信技术领域的人才奠定基础。

课程目标具体、可衡量，便于后续教学设计和评估的实施。

二、教学内容1. 光纤基本概念：光纤的结构、分类及其工作原理；教材章节：第二章“光纤与光缆”，第一节“光纤的基本概念”。

2. 光纤通信系统：光信号的发射、传输和接收过程，光纤通信系统的性能指标；教材章节：第二章“光纤与光缆”，第二节“光纤通信系统”。

3. 光纤技术及应用：光纤技术在现代通信领域的应用，如光纤接入网、光纤传感器等；教材章节：第二章“光纤与光缆”，第三节“光纤技术的应用”。

4. 光纤通信设备与操作：光纤通信设备的组成、功能及使用方法，光缆敷设、接续与测试操作；教材章节：第三章“光纤通信设备与工程”，第一节“光纤通信设备”，第二节“光缆敷设与接续”。

5. 光纤技术案例分析：分析实际案例，运用光纤技术原理解决具体问题；教材章节：第四章“光纤通信案例分析”。

教学内容按照课程目标进行选择和组织，确保科学性和系统性。

教学大纲明确规定了教学内容的安排和进度，使学生能够循序渐进地掌握光纤技术原理及相关应用。