xiv
Contents
2.2
Basic Laws and Definitions of Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1
Concept of Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.2
Basis of Reflection and Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.3
Polarization Characteristics of Light . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.4
Polarization-Sensitive Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3
Optical Fiber Configurations and Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.1
Conventional Fiber Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.2
Concepts of Rays and Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.3
Structure of Step-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.4
Ray Optics Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.5
Lightwaves in a Dielectric Slab Waveguide . . . . . . . . . 55
2.4
Modes in Circular Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.1
Basic Modal Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.2
Cutoff Wavelength and V Number . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.3
Optical Power in Step-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.4
Linearly Polarized Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.5
Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.1
SMF Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.2
Definition of Mode–Field Diameter . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.3
Origin of Birefringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.4
Effective Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6
Graded-Index (GI) Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6.1
Core Structure of GI Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6.2
GI Fiber Numerical Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6.3
Cutoff Condition in GI Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.7
Optical Fiber Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.7.1
Glass Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.7.2
Standard Fiber Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.7.3
Active Glass Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.7.4
Plastic Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.8
Photonic Crystal Fiber Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.8.1
Index-Guiding PCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.8.2
Photonic Bandgap Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.9
Optical Fiber Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.9.1
Fiber Optic Cable Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.9.2
Designs of Indoor Optical Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.9.3
Designs of Outdoor Optical Cables . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Appendix: The Fresnel Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Contents
2.2
Basic Laws and Definitions of Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.1
Concept of Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.2
Basis of Reflection and Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.3
Polarization Characteristics of Light . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.2.4
Polarization-Sensitive Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3
Optical Fiber Configurations and Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.1
Conventional Fiber Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.2
Concepts of Rays and Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.3
Structure of Step-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.4
Ray Optics Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.5
Lightwaves in a Dielectric Slab Waveguide . . . . . . . . . 55
2.4
Modes in Circular Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.1
Basic Modal Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.2
Cutoff Wavelength and V Number . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.4.3
Optical Power in Step-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.4.4
Linearly Polarized Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.5
Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.1
SMF Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.2
Definition of Mode–Field Diameter . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.5.3
Origin of Birefringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
2.5.4
Effective Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6
Graded-Index (GI) Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6.1
Core Structure of GI Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.6.2
GI Fiber Numerical Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
2.6.3
Cutoff Condition in GI Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.7
Optical Fiber Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.7.1
Glass Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.7.2
Standard Fiber Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
2.7.3
Active Glass Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.7.4
Plastic Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.8
Photonic Crystal Fiber Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
2.8.1
Index-Guiding PCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.8.2
Photonic Bandgap Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.9
Optical Fiber Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
2.9.1
Fiber Optic Cable Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2.9.2
Designs of Indoor Optical Cables . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.9.3
Designs of Outdoor Optical Cables . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Appendix: The Fresnel Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90