Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Теория оптических волноводов.pdf
Скачиваний:
44
Добавлен:
23.03.2015
Размер:
1.67 Mб
Скачать

Параксиальное приближение

• В параксиальном приближении можно считать, что sinθ θ .

Параксиальное приближение не позволяет упростить уравнения эйконала (Ф. - 23). Однако позволяет существенно упростить выражение для длины пути Lp.

В общем случае профиль ОВ может быть записан в виде:

n2 (x)= n2 {12f (x)}

 

 

 

 

 

 

 

 

,

(Ф. - 43)

 

co

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где f(x) – неотрицательная функция, а ∆ - константа, определяемая с учетом

 

n

 

1

n2

(Ф. - 3), как

2

 

 

 

 

 

 

θc = arccos

cl = arcsin

cl

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nco

 

nco2

 

2∆ =1

ncl

 

= sin2 θ

c

 

 

 

 

 

 

n2

(Ф. - 44)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ncl , а

 

 

co

 

 

,

• В однородной оболочке n(x)

f (x)=1

. Такое определение ∆

 

предполагает выполнение условия ∆ << 1 в приближении

 

 

слабонаправляющего волновода, т.е. условия

 

nco ncl . Таким образом, в

 

первом порядке приближения

 

θ2

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∆ ≈

c

co

 

cl

,

θc <<1

 

 

 

 

 

nco

(Ф. - 45)

 

 

 

 

 

2

 

 

,

и характеризует относительную высоту профиля.

При ∆f(x) << 1 из (Ф. - 43) следует, что n(x)≈ n

{1−∆f (x)}

(Ф. - 46)

co

 

Параболический профиль, аналитическое решение

Если задать профиль показателя преломления в виде:

n2

(x)= n2

{12(x ρ)q },

q =1,2,4,8,...,

,

(Ф. - 47)

 

co

 

 

 

 

 

 

 

 

то мы охватим случаи «треугольного», «параболического», степенных, … вплоть до «ступенчатого» профилей. Все эти профили, за исключением ступенчатого, не ограничены в пространстве. В результате каждая траектория луча имеет точку поворота. В частности, для параболического профиля:

xtp = ±ρ

nco2

β

2

sinθ

 

(0)

≈ ±ρ

θ

 

(0)

,

(Ф. -

48)

n

2

= ±ρ

 

z

(0)

 

z

(0)

 

 

 

 

 

sinθc

 

θc

 

 

 

 

 

 

 

co

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

направляемых лучей

все лучи являются направляемыми, а инвариант β

 

удовлетворяет условию

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nco

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 β

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ф. -

49)

подставляя (Ф. - 48) в выражение (Ф. - 39) для zp и сделав замену, x = xtp sin w получим

x= xtp sin π z ; zp = 1 = πρβ, (Ф. - 50)

zp N nco 2

где zp – полупериод траектории луча, вычисленный аналогично с помощью

(Ф. - 39).

Параболический профиль, аналитическое решение

Аналогично, получаем

 

 

 

(n2

 

 

 

 

 

2 )

 

 

 

Lo = zp

 

+β

 

 

co

 

 

 

 

 

 

,

(Ф. - 51)

 

 

 

 

 

 

 

 

2β

 

 

 

 

 

Геометрическая длина пути выражается через полный эллипитический интеграл 2-го рода E(v) согласно соотношению .

π2

Ev = 1vsin2 θdθ

В случае0 слабонаправляющего волновода при ∆ << 1 можно получить упрощенное выражение

L

 

=

 

2

 

2

xtp2

zp

3n

β

 

,

(Ф. -

52)

 

ρ

 

E

 

 

co +

n

 

 

 

p

 

 

 

 

ρ2

 

4

β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

co

 

 

 

 

• Для времени прохождения луча получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

(n2

 

 

 

 

2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t = z

+β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

co

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Ф. -

53)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2cβ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волоконные световоды

Направляемые лучи в волоконных световодах

Можно показать, что время прохождения луча в ступенчатых и усеченных круглых и некруглых световодах совпадает с временем прохождения луча в планарных световодах соответствующего профиля.

Волоконные световоды круглого сечения.

Характерный вид ОВ круглого сечения приведен на рис. В пределах сердцевины осесимметричный профиль показателя преломления n(r) является либо постоянным (ступенчатый ОВ), либо изменяется (градиентный ОВ), а в оболочке имеет постоянное значение ncl.

Для характеристики круглого ОВ используется волоконный параметр:

V = 2πρ n2

n2

 

(Ф. - 69)

λ

co

cl

 

 

 

nco2 ncl2

 

 

Величину

 

часто называют числовой апертурой ОВ,

а выражение

n2

(r)−ncl2 - локальной числовой апертурой.

Рис. 10. – Обозначения, используемые при описании круглых волоконных световодов.