Б.Н. НЮШКОВ
ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
И ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ
СИСТЕМЫ
Часть I
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2010
1
УДК 621.391.63.029.7(075.8)
Н 987
Рецензенты: <...> Волоконная оптика и волоконные лазерные системы : учеб.
пособие / Б.Н. Нюшков. <...> Объясняется физический принцип распространения оптического излучения в волоконных световодах. <...> Описываются конструкция и структурные параметры наиболее типичных
кварцевых волокон. <...> В рамках этой теории устанавливаются зависимости волноводных свойств от структурных параметров волокна и частоты (длины волны) излучения. <...> Для сравнения приводятся параметры наиболее распространенных коммерческих телекоммуникационных волокон. <...> Так, в первой главе объясняется физический
принцип распространения излучения в волоконных световодах; описываются конструкция и структурные параметры наиболее типичных
кварцевых волокон, излагаются основы волновой теории распространения излучения в волоконных световодах, в рамках которой устанавливаются зависимости волноводных свойств от структурных параметров волокна и частоты (длины волны) излучения. <...> Для сравнения приводятся параметры наиболее распространенных коммерческих телекоммуникационных волокон. <...> Отражение и преломление на границе
раздела оптических сред
Распространение света по оптическому волокну основывается на
явлении полного внутреннего отражения. <...> При падении света на границу раздела двух оптических сред с
показателями преломления n1 и n2 в общем случае возникают отраженный и преломленный лучи (рис. <...> 1.2 показан пример простого планарного световода: оптическая среда с показателем преломления
n1 = 1,48 помещена между двумя плоскими слоями оптического материала с показателем преломления n2 = n3 = 1,46. <...> Световой луч вводится во внутренний слой световода таким образом, что его угол падения на границу
раздела внутреннего и наружного слоев превышает указанное значение
критического <...>
Волоконная_оптика_и_волоконные_лазерные_системы._Ч.1.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Б.Н. НЮШКОВ
ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
И ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ
СИСТЕМЫ
Часть I
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2010
1
Стр.1
УДК 621.391.63.029.7(075.8)
Н 987
Рецензенты:
Е.А. Титов, д-р физ.-мат. наук, проф.;
А.К. Дмитриев, д-р физ.-мат. наук, проф.
Работа подготовлена на кафедре лазерных систем
Н 987 Волоконная оптика и волоконные лазерные системы : учеб.
пособие / Б.Н. Нюшков. – В II ч. – Новосибирск : Изд-во НГТУ,
2010. – Ч. I. – 56 с.
Нюшков Б.Н.
ISBN 978-5-7782-1346-3
В первой части учебного пособия рассматриваются физические
основы волоконной оптики. Объясняется физический принцип распространения
оптического излучения в волоконных световодах. Описываются
конструкция и структурные параметры наиболее типичных
кварцевых волокон. Излагаются основы волновой теории распространения
излучения в волоконных световодах. В рамках этой теории устанавливаются
зависимости волноводных свойств от структурных параметров
волокна и частоты (длины волны) излучения. Дается
феноменологическое и математическое описание основных физических
явлений, приводящих к искажению оптических сигналов при
распространении в оптическом волокне, а именно дисперсии света и
оптических потерь. Указываются способы их учета и минимизации.
В пособии выводятся формулы, позволяющие самостоятельно рассчитывать
различные характеристики оптических волокон. Для сравнения
приводятся параметры наиболее распространенных коммерческих
телекоммуникационных волокон.
Пособие предназначено для студентов старших курсов физических
специальностей.
УДК 621.391.63.029.7(075.8)
ISBN 978-5-7782-1346-3
© Нюшков Б.Н., 2010
© Новосибирский государственный
технический университет, 2010
2
Стр.2
Оглавление
Предисловие ............................................................................................................. 3
Глава 1. ПРИНЦИПЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОЛОКНЕ ..... 4
1.1. Приближение геометрической (лучевой) оптики ....................................... 4
1.1.1. Отражение и преломление на границе раздела оптических сред ....... 4
1.1.2. Конструкция и структурные параметры оптического волокна .......... 6
1.2. Приближение волновой оптики .................................................................. 11
1.2.1. Исходные допущения. Линейное волновое уравнение ...................... 11
1.2.2. Решения волнового уравнения.............................................................. 13
1.2.3. Типы направляемых мод ....................................................................... 15
1.2.4. Нормированная частота. Отсечка направляемых мод ........................ 20
Глава 2. ИСКАЖЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ВОЛОКНЕ ............... 24
2.1. Дисперсия света в оптическом волокне ..................................................... 24
2.1.1. Общие положения ................................................................................. 24
2.1.2. Хроматическая дисперсия .................................................................... 25
2.1.3. Модовая дисперсия ............................................................................... 38
2.2. Оптические потери в волоконных световодах .......................................... 47
2.2.1. Общие положения ................................................................................. 47
2.2.2. Собственные потери ............................................................................. 50
2.2.3. Потери на изгибах ................................................................................. 54
Литература .............................................................................................................. 55
Нюшков Борис Николаевич
ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА И ВОЛОКОННЫЕ
ЛАЗЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
Часть 1
Учебное пособие
Редактор Т.П. Петроченко
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Корректор И.Е. Семенова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская
Компьютерная верстка Л.А. Веселовская
___________________________________________________________________________________
Подписано в печать 09.03.2010. Формат 60 Ч 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз.
Уч.-изд. л. 3,25. Печ. л. 3,5. Изд. № 386. Заказ № Цена договорная
___________________________________________________________________________________
Отпечатано в типографии
Новосибирского государственного технического университета
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
56
Стр.56