下载文档原格式
简述阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤的不同导光原理引言光纤作为一种重要的通信传输媒介，根据折射率分布的不同可以分为阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤。
阶跃型折射率分布光纤由于其特有的导光特性被广泛应用于光通信领域，而渐变型折射率分布光纤由于其优越的性能在某些特殊应用上有较好的表现。
本文将分别介绍阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤的导光原理、特点以及应用。
一、阶跃型折射率分布光纤1.1 导光原理阶跃型折射率分布光纤的导光原理基于全反射效应。
当光线从高折射率介质边界入射到低折射率介质中时，会发生全反射现象。
阶跃型折射率分布光纤由两种不同折射率材料构成，其中芯区折射率较高，包层折射率较低。
当光线沿着光纤芯区传播时，会由于全反射现象而始终保持在芯区中传输，形成了光信号的传输通道。
1.2 特点阶跃型折射率分布光纤具有以下特点：1.折射率分布呈阶跃型，芯-包层之间有明显的折射率差异。
2.光信号在芯区中传播，避免了由于光信号的衰减和扩散而引起的能量损失。
3.光纤的传输损耗较小，传输距离较长，可以达到数十公里。
4.纤芯直径较小，允许光信号的多模传输，适用于高速传输需求。
1.3 应用阶跃型折射率分布光纤的导光原理以及特点决定了其在光通信领域的广泛应用。
主要应用包括：1.光通信传输：阶跃型折射率分布光纤作为光信号的传输介质，可以实现远距离、大带宽的光通信传输，广泛应用于光纤通信网络中。
2.光纤传感器：阶跃型折射率分布光纤作为传感器的敏感元件，可以通过测量光信号的损耗、相位等信息实现温度、压力等物理量的测量。
3.医疗领域：阶跃型折射率分布光纤广泛应用于光导导管、光纤光源等医疗设备中，用于实现光学成像、光疗等功能。
二、渐变型折射率分布光纤2.1 导光原理渐变型折射率分布光纤的导光原理基于光信号在折射率分布梯度中的偏转效应。
渐变型折射率分布光纤由折射率逐渐变化的材料构成，通过调节导纤结构的折射率分布，使光信号在纤芯中发生偏转而实现导光。
阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤的不同
导光原理
阶跃型折射率分布光纤是最早实现商业化生产的光纤之一、它的折射
率分布是由两种不同折射率的材料构成，即核心和包层。
核心的折射率较高，而包层的折射率较低，从而产生全反射，使光线在光纤的核心中传输。
这种设计特别适用于单模光纤，因为它能够防止模场间的混杂。
阶跃型折
射率分布光纤的直径通常较小（9-125微米），可以用于远距离传输和高
速数据传输，这使得它在通信技术领域得到了广泛应用。
渐变型折射率分布光纤。
渐变型折射率分布光纤是一种特殊的光纤，它的折射率分布具有渐变性。
渐变型折射率分布光纤的核心折射率是从中心向外逐渐降低的，这种
设计将导致光线的光路弯曲，因此能够支持多种波长和模式的传输。
渐变
型折射率分布光纤的优势在于它能够提供多芯光纤的支持，这使得它在计
算机网络和成像技术中得到了广泛应用。
导光原理的不同之处。
与之相反，渐变型折射率分布光纤的导光原理不基于全反射。
光线在
渐变型折射率分布光纤中的传播道路是曲线的。
这是由于不同位置的光纤
的折射率不同。
这种设计使得在光纤中传播的光线可以被曲线反射和散射。
由于不同频率、极化和模式的光线都能在这种光纤中传输，因此这种设计
对于多模光纤和支持多频率的光纤传输是非常有用的。
总体而言，阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤都有各自
的优势和应用。
对于特定的应用场景，根据不同的需求来选择不同的光纤
类型是非常重要的。
§8.4 阶跃型光纤光学系统光学纤维（以下简称光纤）由于其具有传光、传像和传输其它光信号的功能，因此在医学、工业、国防和通讯事业等方面得到了广泛应用。
光纤根据其传光特性又分为二种，一种是阶跃型折射率光纤，即光纤的内芯和外包皮分别为折射率不同的均匀透明介质，因此光线在阶跃型光纤内的传输是以全反射和直线传播的方式进行。
另一种是梯度折射率光纤，即光纤的中心到边缘折射率呈梯度变化，因此光线在光纤内的传播轨迹呈曲线形式。
本节主要介绍阶跃型光纤的特性及其光学系统。
一、阶跃型光纤的基本原理由全反射原理知道，当光线由光密介质（折射率n1）射入光疏介质（折射率n2）的光滑分界面时，入射角I大于临界角Im时，则入射光将发生全反射，即阶跃型光纤就是根据全反射原理制成的细而长的光学纤维。
当光线的入射角为U时，则经光纤输入端面折射后，其折射角U'应满足下式根据全反射定律有所以即入射在光纤输入端面的光线最大入射角U，应满足上式，否则光线在光纤内不发生全反射而通不过光纤。
我们定义为光纤的数值孔径，即。
当光纤位于空气中时，。
与几何光学中的物镜一样，光纤的数值孔径表示光纤接收光能的多少，要想使光纤通过较多的光能，就必须增大光纤的数值孔径NA,须使n1和n2 的差值增大。
当光纤的直径不变、且不弯曲光纤时，光线在光纤子午面内传播，由光纤出射端面射出的光线出射角是不变的，但其射出方向视其在光纤内的反射次数而定，若光线在光纤内的反射次数为偶数时，则出射光线方向与入射光线方向相同，若光线在光纤内的反射次数为奇数时，则出射光线方向与入射光线方向对称于光纤的光轴。
因此一束平行光或一束会聚光入射在光纤的端面时，其出射光已不是一束平行光或发散光，平行光束变成一锥面平行光束，会聚光束变成一锥面发散光束。
当光纤的直径不均匀时或光纤被弯曲时，其出射光束将变得更加复杂。
当光纤的直径不均匀时，即光纤在某处直径稍大，在某处直径稍小，就会形成圆锥形光纤。
简述阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤的不同导光原理一、引言光纤作为一种重要的光学传输媒介，其导光原理是基于全反射现象。
在这个过程中，折射率分布对于光纤的性能至关重要。
阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤是两种常见的折射率分布类型，它们的导光原理有所不同。
本文将详细介绍这两种类型的原理。
二、阶跃型折射率分布光纤1. 折射率梯度阶跃型折射率分布光纤的折射率梯度是一个突变函数。
在这种情况下，当入射角大于临界角时，会发生全反射现象。
因此，只有入射角小于临界角时才会发生透射。
2. 全反射由于阶跃型折射率分布光纤中存在着突变的折射率梯度，因此当入射角大于临界角时，会发生全反射现象。
在这个过程中，入射光线被完全反弹回到了原始方向上。
3. 模场直径与传统单模光纤相比，阶跃型折射率分布光纤的模场直径更大。
这意味着它可以容纳更多的光线，从而提高了传输带宽。
三、渐变型折射率分布光纤1. 折射率梯度与阶跃型折射率分布光纤不同，渐变型折射率分布光纤中存在着连续的折射率梯度。
这种连续性使得入射角可以在一定范围内变化而不会发生全反射现象。
2. 全反射和漏耗在渐变型折射率分布光纤中，当入射角大于一定范围时，会发生全反射现象。
但是，在一些情况下，由于渐变型折射率分布的存在，会出现漏耗现象。
3. 模场直径与阶跃型折射率分布光纤相比，渐变型折射率分布光纤的模场直径更小。
这意味着它可以提供更高的传输速度和更低的延迟。
四、两种类型导光原理的比较1. 全反射范围阶跃型折射率分布光纤中，全反射范围是一个突变函数，而渐变型折射率分布光纤中则是一个连续的范围。
2. 漏耗由于阶跃型折射率分布光纤中不存在折射率梯度，因此不会出现漏耗现象。
而渐变型折射率分布光纤则存在一定程度的漏耗。
3. 模场直径阶跃型折射率分布光纤的模场直径更大，可以容纳更多的光线。
而渐变型折射率分布光纤的模场直径更小，可以提供更高的传输速度和更低的延迟。
4. 典型应用阶跃型折射率分布光纤主要用于长距离通信和高速数据传输。
阶跃型折射率分布光纤导光原理一、引言光纤作为现代通信领域中的重要组成部分，其导光原理是人们关注的焦点之一。
阶跃型折射率分布光纤是一种常用的光纤类型，其导光原理与传统的平缓型折射率分布光纤有很大不同。
本文将详细介绍阶跃型折射率分布光纤的导光原理。
二、阶跃型折射率分布光纤的结构阶跃型折射率分布光纤由芯、包层和包覆层三部分组成。
其中，芯是由高折射率材料制成的圆柱形结构，包层是由低折射率材料制成的套在芯外部的管状结构，而包覆层则是由低折射率材料制成，套在包层外部以保护整个结构。
芯和包层之间存在一个界面，称为芯-包层界面。
三、阶跃型折射率分布光纤的导光原理阶跃型折射率分布光纤与平缓型折射率分布光纤最大的不同在于其芯-包层界面的折射率跃变。
在阶跃型折射率分布光纤中，芯的折射率高于包层的折射率，因此光线在经过芯-包层界面时会发生反射和折射。
当光线从高折射率材料进入低折射率材料时，其传播速度会减慢，并发生向外弯曲的现象；而当光线从低折射率材料进入高折射率材料时，则会加速并向内弯曲。
四、阶跃型折射率分布光纤的工作原理阶跃型折射率分布光纤可用于实现单模和多模传输。
在单模传输中，芯的直径较小，使得只有一条模式可以通过；而在多模传输中，芯的直径较大，使得多条不同模式可以通过。
当一束光线从一端进入阶跃型折射率分布光纤时，由于芯-包层界面存在的阻挡作用，只有符合一定角度要求（即全反射角）的光线才能被完全反射，并沿着芯轴向前行。
这样，在整个光纤中，只有符合全反射条件的光线可以传输，而其他角度的光线则会被芯-包层界面反射或折射而被阻挡。
五、阶跃型折射率分布光纤的应用阶跃型折射率分布光纤广泛应用于通信、医疗、工业等领域。
在通信领域中，阶跃型折射率分布光纤可用于实现长距离高速数据传输；在医疗领域中，阶跃型折射率分布光纤可用于实现内窥镜等医疗器械的成像和治疗功能；在工业领域中，阶跃型折射率分布光纤可用于实现激光加工和检测等功能。
六、总结阶跃型折射率分布光纤是一种常见的光纤类型，其导光原理与传统的平缓型折射率分布光纤有很大不同。
阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤的不同导光原理(一)阶跃型折射率分布光纤与渐变型折射率分布光纤光纤是近年来快速发展的重要领域，其中阶跃型折射率分布光纤和渐变型折射率分布光纤是两种常见的光纤类型。
虽然它们都可以传输光信号，但导光原理却有所不同。
阶跃型折射率分布光纤的导光原理阶跃型折射率分布光纤中，折射率在纤芯和包层之间发生突变，如同一个台阶，因此又被称为“台阶式光纤”。
当光线穿过界面时，会发生漫反射和折射，从而在光纤中传输。
光线在高折射率区域向低折射率区域传输的时候会发生全反射现象，确保了光线只在纤芯中传输，有效避免信号衰减。
渐变型折射率分布光纤的导光原理与阶跃型折射率分布光纤不同，渐变型折射率分布光纤中折射率随着离纤芯的距离而缓慢变化，如同一个倾斜的斜面，因此称为“渐变折射率光纤”。
这样的设计使得光纤具有更大的孔径，更容易引入光束，并使其逐渐地随着纤芯逐渐衰减。
由于渐变型折射率分布光纤中折射率渐变，光线会与界面缓慢地转向，因此在光纤中传输路径是曲线的，而不单是直线的，从而增加了光纤的损耗，影响了光纤传输的效率。
两种光纤的比较阶跃型折射率分布光纤比渐变型折射率分布光纤更容易制造和连接，并且信号传输损失小，速度更快、效率更高。
但是，它的折射率悬崖式的变化可能会导致模式耦合和模式失真等问题。
而渐变型折射率分布光纤则有更大的孔径和更好的耦合性，但损失较高，传输速度较慢。
因此，在实际应用中，需要根据具体的传输需求来选择不同类型的光纤，以达到最佳的传输效果。
应用领域阶跃型折射率分布光纤主要应用于长距离通信和高速宽带网络，例如高速铁路、远程医疗和监控等，它可以支持更高的数据传输速率。
同时，阶跃型折射率分布光纤也适用于成像设备、激光雷达和传感器等。
渐变型折射率分布光纤主要应用于医疗成像、光学传感器和工业自动化等领域。
由于其更大的孔径和更好的耦合性，可以使得光束更容易进入光纤，使得成像和测量更加精确。
同时，渐变型折射率分布光纤也可以用于单模光纤放大器和激光器等领域。
14㊀光纤通信技术(第3版)3.平面波的全反射全反射是一个重要的物理现象㊂当光射线由折射率大的物质(n 1)射向折射率小的物质(n 2)时,射线将离开法线而折射,即折射光线靠近两种物质的界面传播㊂如图2-5所示,当n 1>n 2时,θ2>θ1,如果进一步增大入射角θ1,则折射角θ2也随着增大㊂当入射角增加到某一值时,折射角θ2将可达到90ʎ㊂也就是说,这时折射光将沿界面传播㊂若入射角θ1再增大,光就不再进入第二种介质了,入射光全部被反射回来,这种现象称为全反射㊂我们把折射角刚好达到90ʎ时的入射角称为临界角,用θc 表示㊂利用折射定律可得出s i n θc =n 2n 1(2-2-10)阶跃光纤所取的结构就是使入射光在光纤中反复地通过上述全反射形式,闭锁在其中向前传播㊂由上所述,即可得出全反射的条件是n 1>n 2θc <θ1<90ʎ2.2.2㊀阶跃型光纤的导光原理阶跃型光纤的折射指数分布已在图2-2(a)中给出㊂下面将从几何光学的角度来分析光在光纤中传输时的某些特性㊂主要讨论阶跃光纤中的射线种类㊁子午射线的数值孔径以及影响光纤性能的主要参量相对折射指数差㊂1.相对折射指数差光纤的纤芯和包层采用相同的基础材料S i O 2,然后各掺入不同的杂质,使得纤芯中的折射指数n 1略高于包层中的折射指数n 2,它们的差极小㊂n 1和n 2差的大小直接影响着光纤的性能㊂在光纤的分析中,常常使用相对折射指数差来表示它们的相差程度,用符号Δ表示㊂Δ=n 21-n 222n 21(2-2-11)当n 1与n 2差别极小时,这种光纤称为弱导波光纤,其相对折射指数差可用近似式表示为Δʈn 1-n 2n 1(2-2-12)2.阶跃型光纤中的光射线种类按几何光学射线理论,阶跃型光纤中的光射线主要有子午射线和斜射线㊂(1)子午射线如图2-7所示,过纤芯的轴线O Oᶄ可做许多平面,这些平面称为子午面㊂子午面上的光射线在一个周期内和该中心轴相交两次,成为锯齿形波前进㊂这种射线称为子午射线,简称为子。
