子午光线在阶跃光纤内的传播示意图(光纤纵剖面图)如下,该光纤长为L。请推导该光纤的数值孔径NA和模间最大时延差
时间: 2024-05-25 19:11:29 浏览: 157
塑料光纤传光原理.docx
根据图中的示意图,可以看出光线在阶跃光纤内发生了多次反射和折射。在这个过程中,光线的传播路径会不断地变化,但是光线的入射角和折射率是不变的。因此,可以通过这些参数来计算光纤的数值孔径和模间最大时延差。
首先,我们定义数值孔径NA为:
$NA = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}$
其中,$n_1$为光纤芯的折射率,$n_2$为光纤包层的折射率。
在阶跃光纤中,$n_1 > n_2$,因此,数值孔径NA大于0。
我们知道,当光线沿着光纤的轴线传播时,它的入射角为0度,此时光线的传播速度最快。当光线偏离轴线时,它的入射角增大,传播速度变慢。因此,光线在光纤中的传播速度和传播路径都与入射角有关。
光线的入射角可以表示为:
$\theta_c = \arcsin{\frac{NA}{n_1}}$
其中,$\theta_c$为光线的截止角,表示光线能够被光纤芯完全接收的最大入射角。当光线的入射角大于$\theta_c$时,它就不能在光纤中传播,会被反射回去或者漏出光纤。
另外,光纤中的不同模式具有不同的传播速度,这就导致了不同模式之间的传播时延差。在阶跃光纤中,模间最大时延差可以表示为:
$\Delta\tau = \frac{L}{c}\cdot\Delta n_{max}$
其中,$\Delta n_{max}$为不同模式之间的最大折射率差,c为光速。
综上所述,阶跃光纤的数值孔径NA和模间最大时延差可以通过下列公式计算:
$NA = \sqrt{n_1^2 - n_2^2}$
$\theta_c = \arcsin{\frac{NA}{n_1}}$
$\Delta\tau = \frac{L}{c}\cdot\Delta n_{max}$
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