Глущенко А.Г., Головкина М.В. Физические основы волоконной оптики (2009)

Федеральное агентство связиГосударственное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования«Поволжский государственный университеттелекоммуникаций и информатики»Кафедра физикиКОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИПо специальности 210400, 210404, 210302, 210405, 200600,210401Самара – 2009ББК 32.889Г24УДК 621.372.8Глущенко А.Г., Головкина М.В.Физические основы волоконной оптики. Конспект лекций.– Самара.: ГОУВПО ПГУТИ, 2009. – 144 с.Книга представляет собой курс лекций по дисциплине"Физические основы волоконной оптики". В книге достаточнополно на высоком физико-математическом уровне изложенывопросы, относящиеся к особенностям распространения света воптических волокнах, рассмотрены физические механизмы возникновения различных видов дисперсии и потерь в оптическихволокнах.

Рассмотрены физические принципы действия полупроводниковых светоизлучающих диодов и лазеров.Для студентов вузов, изучающих вопросы оптической связи, а также для инженерно-технических работников.Рецензент: Васин Н.Н. - профессор, зав. кафедрой CCГОУВПО ПГУТИГосударственное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»© Глущенко А.Г., Головкина М.В., 20092СОДЕРЖАНИЕСписок сокращений и обозначений .............................................7Введение.........................................................................................8Лекция 1Тема 1. Введение в предмет. Уравнения Максвелла вкомплексной форме. ...................................................................91.1.

Введение. Особенности ВОЛС .......................................91.2. Уравнения Максвелла....................................................111.3. Уравнения Максвелла в комплексной форме..............121.4. Комплексная диэлектрическая проницаемость...........14Выводы...................................................................................16Вопросы и задачи..................................................................16Лекция 2Тема 2.

Волновые уравнения в комплексной форме.фазовая и групповая скорость ...............................................172.1. Волновые уравнения в комплексной форме................172.2. Волновое сопротивление...............................................182.3. Групповая скорость .......................................................20Выводы...................................................................................23Вопросы и задачи..................................................................24Лекция 3Тема 3. Отражение и прохождение света черезграницу раздела двух сред ......................................................243.1.

Законы отражения и преломления ...............................243.2. Нормальное падение на границу раздела ....................263.3. Наклонное падение. Формулы Френеля ......................28Выводы...................................................................................32Вопросы и задачи..................................................................32Лекция 4Тема 4. Распространение света в неоднородных средах.Гауссовы пучки..........................................................................334.1. Уравнение эйконала.......................................................334.2. Распространение лазерных пучков...............................344.3.

Гауссовы пучки в однородной среде............................35Выводы...................................................................................40Вопросы и задачи..................................................................40Лекция 5Тема 5. Гауссовы пучки в различных средах......................4135.1.

Гауссов пучок в линзоподобной среде. Лучевыематрицы .................................................................................415.2. Фокусировка гауссова пучка линзоподобной средой.455.3. Моды гауссова пучка.....................................................48Выводы...................................................................................50Вопросы и задачи..................................................................50Лекция 6Тема 6. Распространение волн в направляющих структурах.............................................................................................516.3.

Волны в неоднородной среде. Классификация волн ..516.4. Плоский металлический волновод ...............................52Выводы...................................................................................57Вопросы и задачи..................................................................57Лекция 7Тема 7. Плоский диэлектрический волновод.......................587.1. Поведение мод при изменении частоты ......................587.2. Плоский диэлекрический волновод .............................587.3. Поведение мод при изменении частоты.

Критическиечастоты...................................................................................63Выводы...................................................................................64Вопросы и задачи..................................................................64Лекция 8Тема 8. Оптические волокна ...................................................658.1. Типы оптических волокон.............................................658.2. Ступенчатое волокно. Числовая апертура...................698.3.

Градиентное волокно. Числовая апертура...................718.4. Мощность, вводимая в волокно....................................728.5. Траектория световых лучей ..........................................74Выводы...................................................................................76Вопросы и задачи..................................................................76Лекция 9Тема 9. Решения уравнений Максвелла для оптического волокна. Число мод в оптическом волокне. ....................779.1.

Моды распространения в оптическом волокне.Формулы для полей ..............................................................779.2. Количество мод в многомодовом волокне ..................829.3. Параметры оптических волокон...................................83Выводы...................................................................................864Вопросы и задачи..................................................................86Лекция 10Тема 10. Влияние межмодовой и материальнойдисперсии на распространение сигнала................................8710.1.

Межмодовая дисперсия в ступенчатом волокне.......8710.2. Межмодовая дисперсия в градиентном волокне ......8910.3. Материальная дисперсия.............................................89Выводы...................................................................................95Вопросы и задачи..................................................................95Лекция 11Тема 11. Учет совместного влияния различных видовдисперсии ....................................................................................9611.1. Расчет материальной дисперсии в объемной среде..9611.2. Хроматическая дисперсия...........................................9911.3. Совместное влияние межмодовой и хроматическойдисперсии.............................................................................10011.4.

Поляризационная модовая дисперсия......................10211.5. Компенсация дисперсии............................................103Выводы.................................................................................104Вопросы и задачи................................................................104Лекция 12Тема 12. Затухание в волокне. ..............................................10512.1. Потери в оптических волокнах.................................10512.2. Оптимальная длина волны для кварцевого оптического волокна. Потенциальные ресурсы оптическоговолокна.................................................................................108Выводы.................................................................................111Вопросы и задачи................................................................111Лекция 13Тема 13.

Источники излучения для оптической связи.Излучение света в p-n – переходе. ........................................11213.1. Источники излучения ................................................11213.2. Собственные и примесные полупроводники ..........11213.3. p-n-переход .................................................................11413.4.

Инжекционная люминесценция ...............................11613.5. Спектры рекомбинационного излучения.................117Выводы.................................................................................121Вопросы и задачи................................................................1215Лекция 14Тема 14. Эффективность излучения света вp-n - переходе ...........................................................................12114.1. Прямозонные и непрямозонные полупроводники..12114.2. Внутренняя квантовая эффективность.....................12314.3. Внешняя квантовая эффективность .........................125Выводы.................................................................................128Вопросы и задачи................................................................128Лекция 15Тема 15.

Светоизлучающие диоды дляоптической связи ....................................................................12915.1. Светоизлучающие диоды для оптической связи.....12915.2. Использование гетероструктур в светодиодах........132Выводы.................................................................................137Вопросы и задачи................................................................137Лекция 16Тема 16.