第二章光纖傳輸與導光原理

1、第二章光纖傳輸與導光原理21光波的本質(zhì)狹義地說，光是波長在380780nm范圍的可見光，但是，它又包含有紅外線、紫外線，因此沒有嚴格的界限。廣義地講，光是波長較電波短，頻率較電波高的一種電磁波的總稱。目前通信用光波是在近紅外波和可見的紅光波段，工作波長在λ＝0.80～1.65μm之間，或者說通信用光波的頻率更高f＝1014～1015Hz。所謂可見光是指人的眼睛可見的電磁波。人的眼睛可以感受到較長波長的光，如七色光—紅橙黃綠青藍紫，在可見

2、光中，人眼最易感受的是555nm的黃綠光。綠色光的波長約為500nm，紅色光的波長在700nm，紫色光的波長約為400nm，可見光波的范圍在400nm—700nm之間，波長小于380nm或大于780nm的光，無論光強度有多強，人的肉眼幾乎不可能看得到。紅外線是比可見紅光的波長更長，比電波波長更短的光之總稱。按照到可見光的排列順序，可分為近紅外線、紅外線、遠紅外線三種。近紅外線是人眼不可見光中最常用的光，它的性質(zhì)同可見光幾乎無大的區(qū)別。借

3、助半導體材料（InGaAsP）、某些氣體材料（CO2）或紅寶石(αAl2O3)可有效地發(fā)光、感光，廣泛用于光通信領(lǐng)域；波長稍長的紅外線，熱作用最高，若利用黑體輻射，從遠紅外區(qū)到紅外區(qū)范圍的紅外光將呈峰值效應，這種光對物質(zhì)具有很強的穿透力，因此，多用于微波爐、取暖器等；遠紅外線到電波范圍，電磁波中包含有許多分子的旋轉(zhuǎn)運動、振動所對應的頻率，這對材料結(jié)構(gòu)與性能分析非常有用。紫外線是比可見光中的紫光波長更短的波，是不可見光，具有很強的殺菌作用

4、。2.1.1光的波粒二象性光具有波粒二象性，即：波動性和粒子性。如上所述，光的干涉、衍射現(xiàn)象說明光具有波動性，但黑體輻射、光電效應則證明光具有粒子性，所以既可以將光看成是一種電磁波，又可以將光看成是由光子組成的粒子流。1光的波動性光波在均勻透明介質(zhì)中傳播的電磁場分布形式可用麥克斯韋波動方程的弱導近似式波動方程描述：▽2H=[12][2H22t]（21???1）▽2E=[12][2E22t]???式中：E—電場強度；H—磁場強度；—均勻介

5、質(zhì)的波數(shù)，=1(ｎε0μ)12=1(ｎк0)12??▽2—二階拉普拉斯算符。2光的粒子性光是一種電磁波，用波動理論的觀點可以正確地解釋許多光學現(xiàn)象。但是像“光電效應”這種光學現(xiàn)象就不能用波動理論去解釋。為了正確地解釋光電效應現(xiàn)象，1905年愛因斯坦提出了光子假說并得到證實：光是一種以光速運動的粒子流，這些粒子稱為光子，或稱為光量子。如果電子或原子從一個較高的能級E2躍遷到一個低能級E1時，兩個能級間將存在著一個能量差Eg=E2E1這個能

6、量差將以量子的能量形式釋放，一個量子的能量稱為光子。像所有運動的粒子一樣，光也可以產(chǎn)生壓力和引起粒子旋轉(zhuǎn)。所以光可以用粒子數(shù)來V=1√εrε0μ0（2112）相速度只代表電磁波的相位變化速度，并不代表電磁波能量傳播的速度，因此又可以將相速度理解為電磁波中恒定相位點推進的速度。V=dZdt=ωβ（2113）相速度可以與頻率有關(guān)，也可以與頻率無關(guān)，僅取決于相位常數(shù)β。介質(zhì)折射率：介質(zhì)折射率：介質(zhì)折射率定義為光在自由空間的傳播速度C與它在介質(zhì)

7、中的傳播相速度V之比。n=CV=√εr（2114）由式（2113）可知介質(zhì)折射率n與材料的相對介電常數(shù)εr有關(guān)。由于光在密集介質(zhì)中傳輸更慢，密集介質(zhì)具有較大的介質(zhì)折射率。在非晶體材料中，如玻璃，材料結(jié)構(gòu)具有各向同性，n與方向無關(guān)。在晶體中，原子的排列和原子間的結(jié)合在不同的方向互不相同，這種晶體（除立方晶系外）具有各向異性的特性。相對介電常數(shù)εr在不同的晶體方向上各不相同，因此介質(zhì)折射率n在不同晶體方向也互不相同。nx=√εrx（2115

8、）此時電磁波傳輸?shù)南嗨俣瓤杀硎緸椋篤x=Cnx（2116）群速度：群速度：實際工程應用中，很難存在純的單色光。設有兩個振幅為Am光波，它們的頻率分別為ωΔω和ωΔω，在色散系統(tǒng)中傳播的相位常數(shù)相差不大，可以用以下兩式表示這兩個波：E1=Emej(ωΔω)tej(βΔβ)ZE2=Emej(ωΔω)tej(βΔβ)Z（2117）合成波可表示為：E=2Emcos(ΔωtΔβZ)ej(ωtβZ)（2118）兩者相互作用的結(jié)果是產(chǎn)生一個光包絡，即

9、一個以中心頻率ω的振蕩場，其幅度被頻率為Δω的低頻電場調(diào)制，稱為包絡波（圖213虛線）。群速度定義為包絡波上某一恒定相群速度定義為包絡波上某一恒定相位點推進的速度。它代表信號能量傳播的速度位點推進的速度。它代表信號能量傳播的速度。若已知包絡波為2Amcos(ΔωtΔβZ)，它的群速度應為：Vg=dZdt=ΔωΔβ（2119）當Δωω時，上式可變?yōu)椋篤g=dωdβ=1[dβdω（2120）利用（219）式，Vg=dωdβ=d(Vβ)dβ=