光纤光学总复习
光纤光学-文档资料
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折射光线
条件:
0< n(r0) cosθz(r0)<√n22-(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
内散焦面半径: r = rr1
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GIOF中的最佳折射率分布
近轴子午光线： P2/ A
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P2/n(r0)nc0 oA sz(r0) 24
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隧道光线
条件:
n2> n(r0) cosθz(r0)>√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
光线存在区域: rl1 < r < rl2 r > rl3
内散焦面半径：rl1 外散焦面半径：rl2 辐射散焦面半径: rl3
02.07.2020
(dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
r r r ˆ z z ˆ x
z r
er
r0
r0 d
z dz
ds
r0
dr
y
e
er
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轴向运动
分析轴向分量方程:
d n dz 0 dS dS
有： n(dz/dS)=const., 令其为 n , 则有
n ＝n(r)dz/dS＝n(r)cosθz(r)=n(r0)cosθz(r0)
＝r0n(r0)sinθz(r0)cosθφ(r0)
I ---- 第二射线不变量
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角向运动特点
• 光线的角动量：
r2ω=r2dφ/dt=
Ic/
2n 恒为常数
《光纤光学》总复习
光纤光学复习光纤光学的基本理论什么是光纤？介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。
基本结构：纤芯、包层、套塑层Typical Dimension for Silica Fibers:SMF: 8~10 μm core, 125 μm claddingMMF: 50, 62.5, 100 um core, 125 um claddingIndex profile:Step vs. Graded vs. multi-step…光纤按纤芯折射率分布分类：a. 阶跃折射率分布光纤（SIOF）b. 渐变折射率分布光纤（GIOF）有关SIOF与GIOF光纤错误的观点是：SIOF是反射型光纤，而GIOF是折射型光纤；GIOF的通信容量比SIOF的通信容量大；弱导近似下，SIOF存在线偏振模，而GIOF不存在线偏振模；GIOF可以用作透镜成像，而SIOF则不能成像。
光纤传输模式分类：传输的模式总数：2)2(2V g gM +=V 为归一化频率，Δλπ=−=221022210n an n a k V 阶跃单模光纤的的确切判据：V < 2.405单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。
光纤光学的研究方法几何光学方法波动光学方法适用条件λ << dλ ∼ d研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题研究内容光线轨迹模式分布光线理论与波动理论分析思路2011-04-29光线方程的推导rv r dr+v v drv ds (),,Q x yz d dr n n ds ds ⎛⎞⇒=∇⎜⎟⎝⎠vSIOF中光线的传播数值孔径:定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即Δ=−==2sin 12221n n n n NA im i θ物理意义与光纤传输速率的关系数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的？NA越大，光纤的收光能力越大；NA越大，光纤的收光角越大；NA越大，光源与光纤的耦合效率越高；NA越大，多模光纤的模式色散越小。
光纤总复习一
光纤总复习一1光的自聚焦定义：不同的射线具有相同的轴向速度的现象解释：在渐变型的光纤中，纤心轴线处的折射指数最大，n随r的增加而逐渐减小。
由于v=c/r,靠近轴线处，射线速度慢，远离轴线处的速度快。
当光纤中的射线传输相同的轴线长度时，靠近轴线处的射线需要的时间长，但路程短；而远离轴线处的射线需要的时间短，但路程长。
如果折射指数n的分布取得合适，则可使不同的射线沿着不同的轨迹在相同的时间内走完规定的轴线长度。
即，光纤具有不同条件的子午线，如果他们的空间周期长度相同，则最终这些子午线同时到达终端，在光线中产生自聚焦。
2色散位移单模光纤：将零点色散点移动至1.55um处的光纤。
即，在1.55um的处，材料色散和波导色散互相补偿，在这个波长的单模光纤的总色散为零。
色散平坦光纤：在整个光纤通信的长波段（1.3―1.6um）都保持低损耗和低色散的光纤。
3光纤的色散：光纤的传输信号由不同的频率和不同的模式成分构成，有不同的传播速度，将引起脉冲波形的形状发生变化。
光脉冲在光纤的传输，随传输的距离加大，脉冲波形在时间上发生了展宽。
模式色散（存在多模光纤中，单模没有）：光纤的不同模式，在同一波长下，各自的相位常数为Bmn不同,所引起的色散材料色散：光纤本身的折射指数n和波长成非线性关系，从而使光的传播速度随波而变化所引起的色散。
波导色散：光纤中同一模式在不同的频率下传输，其相位常数不同所引起的色散。
4光纤的非线性效应：一类是散射的作用而产生的，如：受激拉曼散射和受激布里渊散射，一类是光纤的折射指数随光的强度变化而引起的，自相位调制，交叉相位调制，四波混频受激拉曼散射：强光信号输入光纤后，引发介质中的分子振动，对入射光调制后产生新的光频，从而对入射光产生散射作用。
5．自发辐射：在不受外界的影响下，高能级的电子不稳定，自发地从高能级跃迁到低能级，发射出光子的频率为f=（E2-E1）/h.特点：它是自发跃迁，发出的是非相干光。
光纤光学重要知识点
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
程？写出该波导场方程式。
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
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1. 说明从波动方程到波导场方程两次分离变量的依据。 2. 波导场方程具有什么样的数学特征？ 3. 说明光线在SIOF和GIOF中的轨迹曲线是什么样的。 4. 传播常数的的物理意义是什么。 5. 说明V、U、W参数的物理意义及其相互关系。 6. 说明光波导数值孔径的物理意义 7. 子午光线的主要特征是什么? 8. 光线时延差影响光通信的什么性能？ 9. 在什么条件下才可以唯一确定光波导中的模式？ 10. 在纤芯和包层中选取的贝赛尔函数分别具有什么数学
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
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1. 哪些因素限制光通信传输距离？ 2. 一光纤长220公里，已知光纤损耗为0.3dB/km，当输出光功
率为2.5 mW时，输入光功率为多少？ 3. 为什么光纤在1.55mm的波长损耗比1.3mm波长小? 4. 光纤的损耗能否降为零？为什么？ 5. 三角形折射率分布光纤与平方率折射率分布光纤哪种波导色散
图1
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孙琪真：光纤光学 华中科技大学·光电子工程系
色散值计算
标准单模光纤，普通激光二极管光谱宽度 6 nm，传输10 公里距离，色散脉冲展宽值为 :
D = 17ps/nm/km × 6 nm × 10 km = 1020 ps
对于 1 Gbps速率的光脉冲，脉宽约为 1 ns. 如果脉冲展宽 达到脉宽的20％，则系统将不能工作。上述情形显然不适 合于1 Gbps速率，因为脉冲展宽已经达到100％；但是对 于展宽为1300ps。
光纤光学复习题答案
光纤光学复习题答案1. 光纤光学中，光信号在光纤中传输的基本原理是什么？答案：光信号在光纤中传输的基本原理是全内反射。
当光信号从光纤的中心轴向侧面传播时，由于光纤的折射率分布特性，光线会在光纤的内壁上发生全内反射，从而使得光信号能够在光纤内沿轴向方向传播。
2. 光纤的折射率分布有哪些类型？答案：光纤的折射率分布主要有三种类型：阶跃型、梯度型和W型。
阶跃型光纤的折射率在纤芯和包层之间有一个突变；梯度型光纤的折射率从纤芯到包层逐渐变化；W型光纤的折射率分布则呈现出W形状，即在纤芯和包层之间有多个折射率变化区域。
3. 光纤通信中，单模光纤和多模光纤的区别是什么？答案：单模光纤和多模光纤的主要区别在于它们传输光信号的模式数量。
单模光纤只能传输一个模式的光信号，而多模光纤可以传输多个模式的光信号。
单模光纤具有较高的带宽和较低的色散，适用于长距离传输；多模光纤则适用于短距离传输，成本较低。
4. 光纤通信中，色散是如何产生的？答案：光纤通信中的色散主要是由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，导致不同波长的光信号在光纤中传播速度不同，从而产生时间延迟，这种现象称为色散。
色散可以分为材料色散和波导色散，材料色散与光纤材料的折射率特性有关，波导色散与光纤的几何结构有关。
5. 光纤通信中，衰减是如何产生的？答案：光纤通信中的衰减主要是由于光纤材料的吸收和散射造成的。
吸收衰减是由于光纤材料对光信号的能量吸收，导致光信号强度减弱；散射衰减是由于光信号在光纤内部的散射作用，使得光信号的能量分散，导致光信号强度降低。
此外，光纤的弯曲、连接和接头也会引起额外的衰减。
6. 光纤通信系统中，常用的光纤连接器有哪些？答案：光纤通信系统中常用的光纤连接器包括FC、SC、ST、LC、MU和MPO等类型。
FC连接器采用螺纹连接，具有较好的连接稳定性；SC连接器采用卡槽式连接，安装方便；ST连接器采用卡口式连接，操作简便；LC连接器体积较小，适用于高密度连接；MU连接器适用于微型光纤；MPO连接器则适用于多芯光纤的连接。
光纤复习整理
光纤复习整理光纤复习整理-----郭1、物质内部三种跃迁过程，半导体激光器发光原理。
⼯作物质和泵浦源是实现光的⾃发发射、受激吸收和受激发射的最基本条件。
⾃发发射：⼤量处于⾼能级的粒⼦，各⾃分别发射⼀列⼀列频率为ν=(E2 -E1) /h ) 的光波，但各列光波之间没有固定的相位关系，可以有不同的偏振⽅向，沿所有可能的⽅向传播。
各光⼦彼此⽆关。
LED受激发射：处于⾼能级：E2的粒⼦受到光⼦能量为ε的光照射时，粒⼦会由于这种⼊射光的刺激⽽发射出与⼊射光⼀模⼀样的光⼦，并跃迁到低能级 E1上。
有相同的偏振⽅向和传播⽅向。
LD受激吸收:低能级粒⼦吸收光⼦能量跃迁⾄⾼能级。
2、LD 采⽤双异质结结构的好处：（简答题）双异质结中存在的禁带宽度的差加强了对载流⼦的限制作⽤，存在的折射率差加强了对光⼦的限制作⽤，对光⼦和载流⼦限制作⽤的加强，提⾼了载流⼦的利⽤效率，减⼩了光⼦的损失，因⽽激光器的阈值电流降低，激光器的输出功率提⾼。
3、常⽤的线路编码码型：扰码、字变换码、插⼊型码。
mBnB码的缺点是在信号传输速率不变的情况下提⾼了线路信号传输速率。
4、PIN与APD的⼯作原理PIN：让中间吸收层尽量较厚，扩散区尽量变薄是降低扩散分量，提⾼响应速度的⼀种⽅法。
APD：利⽤雪崩倍增效应实现内部电流增益的半导体光电转换器件。
（不改变量⼦效率）5、接收机灵敏度基本概念光接收机灵敏度是表征光接收机调整到最佳状态时，接收微弱光信号的能⼒。
6、光隔离器⽤途：放置于激光器及光放⼤器前⾯，防⽌系统中的反射光对器件性能的影响甚⾄损伤，即只允许光单向传输。
结构：由起偏器、检偏器和旋光器组成。
（填空题）7、SDH帧结构的组成部分及其作⽤（简答题）1）信息净负荷，作⽤：STM-N帧中放置各种业务信息的地⽅。
2）段开销，作⽤：对STM-N整体信号流进⾏性能监控。
3）管理单元指针，作⽤：定位低速信号在STM-N帧的净负荷中的位置，使低速信号在⾼速信号中的位置可预知。
光纤光学重点
一、名词解释1.光纤光栅（P144）：通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅2.数值孔径：入射媒质折射率与最大入射角的正弦之积3.基模模场半径(P101)：基模场在光纤的横截面分布曲线中心最大值e-1处所对应的半径。
4.子午光线：子午面上传播的光线5.光隔离器（P140）：是一种基于法拉第旋转的非互易性的传输器件，只允许光波沿着一个方向传输（光信号沿着指定正方向传输时损耗低，光路被接通），而另一个方向的传输是禁止的。
6.平均能流密度（P20）：在足够长的观测时间内平均单位时间内通过单位面积的能量。
能流密度（百度）：在一定的空间范围内，单位面积所取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率。
7.相速度（P19）：场的等相位面沿Z轴的传播速度。
群速度（P19）：光脉冲或波包的中心或光能量沿Z轴的传播速度，也即场的等幅面沿z 轴的传播速度。
8.群速度色散：在高速大容量的光纤通信中，由于光纤介质表现出非线性，光脉冲包络的形状会发生变化，这种影响光信号的接收的变化成为群速度色散9.光无源器件（P122）：有光纤式和光纤耦合分立元件两种，前者利用自身特性直接实现功能，后者利用光学元件对光的传播特性进行交换，并用透镜奖器件和光纤耦合。
10.自聚焦透镜（P122）：芯径大，长度短，数值孔径大，光线在其中的传播轨迹为正弦曲线。
由一点发出的不同角度的光线经过一周期的传播后又汇聚到另一点的类似平方律折射率分布光纤。
11.模式色散：在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，到达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽12.传播常数（P17具体看书）：纵向传播常数β：导模的相位在Z轴单位长度上的变化量，波矢在Z轴上的投影β=K·e z=nk0cosθz；横向传播常数：波矢k的横向分量，U和W分别反映了导模在芯区中的驻波场的横向振荡频率，W值则反映了导模在包层中的消逝场的衰减速度二、简答题1.光纤导光的基本原理全反射原理2.什么是光纤的色散？光纤的色散主要有几种？其对光纤通信有何影响？在光纤中传输的光信号（脉冲）的不同频率成分或不同的模式分量以不同的速度传播到达一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽），这种现象叫做光纤的色散。
光纤光学总复习-2015.
光纤光学复习孙军强光纤光学的基本理论什么是光纤？介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。
基本结构：纤芯、包层、套塑层⏹Typical Dimension for Silica Fibers:⏹SMF: 8~10 μm core, 125 μm cladding⏹MMF: 50, 62.5, 100 um core, 125 um cladding⏹Index profile:⏹Step vs. Graded vs. multi-step…光纤按纤芯折射率分布分类：a. 阶跃折射率分布光纤（SIOF）b. 渐变折射率分布光纤（GIOF）有关SIOF与GIOF光纤错误的观点是：SIOF是反射型光纤，而GIOF是折射型光纤；GIOF的通信容量比SIOF的通信容量大；弱导近似下，SIOF存在线偏振模，而GIOF不存在线偏振模；GIOF可以用作透镜成像，而SIOF则不能成像。
光纤传输模式分类：传输的模式总数：2)2(2V g gM +=V 为归一化频率，∆λπ=-=221022210n an n a k V 阶跃单模光纤的的确切判据：V < 2.405单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。
光纤光学的研究方法几何光学方法波动光学方法适用条件λ << dλ ~ d研究对象光线模式基本方程射线方程波导场方程研究方法折射/反射定理边值问题研究内容光线轨迹模式分布光线理论与波动理论分析思路2015/11/20光线方程的推导rr dr+ drds (),,Q xyz d dr n n ds ds ⎛⎫⇒=∇ ⎪⎝⎭SIOF中光线的传播数值孔径:定义光纤数值孔径NA为入射媒质折射率与最大入射角的正弦值之积,即∆=-==2sin 12221n n n n NA im i θ物理意义与光纤传输速率的关系数值孔径NA是光纤的一个重要参数，下列哪些命题是错误的？NA越大，光纤的收光能力越大；NA越大，光纤的收光角越大；NA越大，光源与光纤的耦合效率越高；NA越大，多模光纤的模式色散越小。
《光纤光学》复习提纲1
光线理论 模式理论 光纤性能 光纤器件 光纤连接
光线理论
• 重要概念
– 光波导、光纤分类、子午光线、数值孔径、传输 容量、传光传像特性、散焦面、广义折射率定理、 光线轨迹及特点、光线分类
• 重要公式
– 射线方程、散焦面半径、折射率分布、数值孔径
模式理论
• 重要概念
– 模式定义及性质、模式分类及场分布特点、模式简 并、线偏振模、主模、分离变量法、传播常数、导 模截止与远离截止、基模场分布函数、基模偏振特 性、色散曲线分析、模式确定及数目分析、导模光 斑分布图、模式输出特性、WKB近似方法思路
• 重要公式
– 波导场方程、截止与远离截止条件、单模工作条件、 模式数目、归一化工作频率、模群精确模式数目。
光纤性能
• 重要概念
– 损耗机理、光通信窗口、色散机理、色散补偿、 损耗测试的三种方法（后向散射法OTDR）、不 同型号的通信光纤性能。
• 重要公式
– 材料色散与波导色散的计算、脉冲展宽的计算、 模场半宽的计算、截止波长的计算
• 解：
• 解：
3.10 标准通信光纤芯径50um，数值孔径0.2，求其中传输模 群的最大主模标号及存在的线偏振模，模式和模数。
• 解：
3.11 画出 LP 4,5 模式模斑图 解：LP4，5模沿径向的亮斑数为5，沿角向亮斑数为 8，如下 图：
5.1 哪些因素限制光通信传输距离？ 答： 光通信传输距离主要取决于光纤的损耗和色散。 光纤损耗包括：光纤材料的吸收损耗：1.本征吸收，2. 杂质吸收， 3.原子缺陷吸收； 散射损耗（瑞利散射）和 非线性散射损耗（受激拉曼散射，受激布里渊散射）； 还 有弯曲损耗（主要包括宏弯损耗，微弯损耗和过渡弯曲损 耗） 光纤色散包括：1.材料色散 2. 波导色散 3. 模间色散
光纤光学 复习
适用条件 研究对象 基本方程
研究方法
研究内容
分析思路
光线理论
光线分类
子午光线： •限制在子午平面 内传播的光线 •与纤轴相交
光线轨迹
倾斜光线： •轨迹曲线不限制在 一个平面内 •与纤轴既不相交也 不平行
子午光线
t 0 /cos z - t 0 t 0 (n1 - n 2 )/n 2 n1 / c
当ι=0时，LP0m模式只有两重简并
径向两种模式：沿x或y方向偏振
LP模式的简并
导模场分布的一般规律
LPιm模：
•沿径向的亮斑数为m
•沿角向的亮斑数为2ι
•ι=0，中心为亮斑
•ι≠0，中心为暗斑
LP45
光纤的损耗
损耗的定义：单位长度(km)光纤光功率衰减分贝数
10 log(Pout / Pin ) / L
Notice
波长相同时(1=2)，不可能实现完全的分离与合成， 对于1:1的耦合器，必定要引起3dB的损耗； 当两波长不同时(1≠2)，可以通过改变 耦合器的长 度L或者选择适当的波长，使1与2的光功率达到接 近全分波或合波；
如果1与2很接近时，需要增加耦合器的长度L,才能 使1与2的光功率达到完全分波或合波。
光纤损耗谱特性
光纤的色散
色散一般分为 4 种：
1、模间色散：发生于多模光纤中由于各模式之间群速度不同而产生的色散， 即各模式以不同时刻到达光纤出射端而使脉冲展宽。
2、波导色散：由于某一传播模的群速度对于光的频率(或波长)不是常数， 同时光源的谱线又有一定的宽度，因而产生波导色散。
3、材料色散：由于光纤材料的折射率随入射光频率变化而产生的色散。 4、偏振模色散：一般的单模光纤中都同时存在两个正交模式。若光纤的结构 为完全的轴对称，则这两个正交偏振模在光纤中的传播速度 相同，即有相同的群延迟，故无色散。实际的光纤必然会有 一些轴的不对称，因而两正交模有不同的群延迟，这种现象 称之为偏振模色散。在理论讨论中不考虑。
光纤光学-1-8-复习
7. 从广义折射定理说明为什么光线总是向折射率高的区域 弯曲。
8. 说明光纤数值孔径的物理意义。 9. 说明内散焦面、外散焦面和辐射散焦面的物理意义。 10. SIOF中子午光线的内、外散焦面半径各是多少？
2021/4/6
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复习与思考(2)
1. 子午光线的主要特征是什么? 2. 推导SIOF数值孔径表达式; GIOF的数值孔径有何不同? 3. 为什么GIOF又称为“折射型”光纤？ 4. GIOF中光线角向运动有何特点？ 5. 分别说明约束光线、隧道光线和折射光线的特点。 6. 分别说明导模、漏模和辐射模的场分布特点。 7. 简述三种光线与三类模式的对应关系。 8. 说明传播常数b有何物理意义。 9. 说明V、U、W的物理意义。 10. 在什么条件下可以唯一确定光纤中的模式？
示意图。
6. 说明高斯近似最大激发效率判据的物理意义。
7. 说明等效阶跃光纤近似的物理意义。 8. 已知平方率分布光纤V=2，求基模模场半径。
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2021/4/6
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传播,基模场将沿z轴作线偏振波－椭圆偏振波－园 偏振波－椭园偏振波－线偏振波的周期性变化。场 形变化一周期所行经的z向距离,即差拍长度为:
Lb＝2π/b=l0 / B; Bb/k0 (B:光纤双折射参数) • 光纤中存在三种双折射：
–线双折射:在x和y方向折射率不同，合成椭圆偏振光
–园双折射:在左右旋方向折射率不同,引起线偏振面旋转
W0/a＝√2 V-1/2 ＋0.3716V-3/2＋26.77V-6 (平方率光纤)
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等效阶跃光纤近似(ESF)
• 寻找一条适当的阶跃型光纤去等效实际的渐变型 光纤。而阶跃型光纤的场解是已知的, 这样就得 到了渐变型光纤的场解。
光纤复习资料
1、光与物质相互作用光可以被物质吸收也可以从物质中发射；在研究光与物质的相互作用时，存在着三种不同的基本过程，即自发辐射、受激吸收、受激辐射。
其中,半导体二极管的工作原理基于自发辐射,半导体激光器的工作机理基于受激辐射,光电检测器的工作原理机理基于受激吸收。
自发辐射：物质原子中的电子在未受到外界激发的情况下，高能级E2上的电子由于不稳定，自发地向低能级E1跃迁，在跃迁的过程中，多余的能量以发光的形式表现出来，这个过程称为自发辐射 。
受激吸收：物质在外来光子的激发下，低能级E1上的电子吸收了外来光子的能量，而跃迁到高能级E2上，这个过程叫做受激吸收受激辐射：当受到外来光子的激发时，跃迁到低能级E1上，同时放出一个能量为12E E h -=υ的光子，由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，因此叫做 2、隔离器的组成功能和原理：光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。
原理：对于正向入射的信号光，通过起偏器后成 为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。
对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻作用：防止光路中的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响。
应用：光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统等。
按性能分类：偏振相关型和偏振无关型两类光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。
偏振方向的旋转只与磁场强度的方向有关，而与光传播的方向无关。
由起偏器、检偏器和旋光器三部分组成。
光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件。
传输损耗低、抗电磁干扰、质量轻、柔韧、化学稳定及电绝缘。
3、光纤光栅的原理及解调。
光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜，利用这一特性构成光纤无源器件。
光纤复习总结.docx
第一章光纤的基本理论1 •光纤的结构纤芯、包层、涂覆层2 •纤芯和包层的作用纤芯：位于光纤屮心，直径2a 为5〜75 u m,作用是传输光波。
包层：位于纤芯外层，直径2b 为:L00〜150 u m z 作用是将光波限制在纤芯中。
3 •阶跃光纤纤芯折射率和包层折射率的定性关系为了使光波在纤芯中传送，应对材料进行不同掺杂，使包层材料折射率n2比纤芯材料折射率nl 小，即光纤导光的条件能nl>n2。
4 •按照支持的模式数量对光纤进行分类单模光纤：单模光纤在给定的工作波长上只传输单一基模。
多模光纤：多模光纤纤芯内传输多个模式的光波。
5. 对光纤中传输的光采用射线光学分析法的前提：光纤尺寸与光波长的定性关系射线光学理论：当光波导尺寸远大于光波长时，对忽略光波长用光射线代表光能量传输路线的方法。
波动光学理论：求解满足边界条件的麦克斯韦方程组的光场。
6•阶跃光纤的子午光线传输路径（以最大入射角为临界角分析各种情况）7•数值孔径的定义，计算，及其与光纤聚光能力、模式色散的定性关系数值孔径：表征光纤的聚光能力NA = sin ^max = - V2A 由此可以看出，比、n?差别越大，即△越大，光纤收集射线的能力越强。
最大群时延差与相对折射率差△成正比，使用弱导波光纤有助于减少模式色散。
时延差限制了多模阶跃折射率光纤的传输带宽。
△越大，模式色散越大，限制光纤传输带宽8•渐变折射率光纤对阶跃光纤的哪个缺点进行了改善（采用渐变折射率光纤的目的是减小多模光纤的模式色散）① 、同样的入射角，传输路径变短（入射角为零除外），从而减小最大群时延差。
② 、离轴心越远，传播速度越快（v=c/n ）,进一步减小最大群时延差。
适当选择折射率分布，可以使不同入射角的光线有人致相等的光程。
9•阶跃光纤的归一化频率计算（只有特定入射角的光波才会在光纤中传递能量）V — Vt/2 + W 2 — Hj 2 — nfka — V2An ）Z:06Z k （） = -人）U —导波的归一化径向相位常数，W —导波的归一化径向哀减常数，a —光纤的半径，△—光纤的相对折射率差，叫一纤芯折射率，入一 工作波长 V-8值情况下的儿点结论：① 、W-*8：w>0,光纤导波。
光纤技术复习资料全
《光纤技术》复习资料第一章 绪论要求：1、了解光纤的基本结构和基本特性；2、充分认识光纤传感和光纤通信在现代工农业生产、军事、科研及日常生活中的作用和地位，明确学习目的；3、了解光纤技术的发展动向；4、知道本课程的学习方法。
具体：1、光纤的定义：光纤是“光导纤维”的简称，是指能够约束并导引光波在其部或表面附近沿轴线方向传播的传输介质。
2、光纤的结构：主要由纤芯、包层和涂敷层构成。
其中纤芯的折射率比包层要高。
纤芯和包层的折射率差引起光在纤芯发生全反射，从而使光在纤芯传播。
3、通信光纤的标准包层直径是125m μ，涂敷层的直径大约是250m μ。
4、常用的光纤材料有纯石英（2SiO ）、玻璃和塑料。
5、列举光纤相对于金属导线的优点（至少5点）：如容量大、抗电磁干扰、电绝缘、本质安全；灵敏度高；体积小、重量轻、可绕曲；测量对象广泛；对被测介质影响小；便于复用，便于成网；损耗低；防水、防火、耐腐蚀；成本低、储量丰富等。
6、光纤通信所占的波长围大概是0817..m μ。
7、1953年，在伦敦皇家科学技术学院开发出了用不同光学玻璃作纤芯和包层的包层纤维，由此导致光纤的诞生。
8、1966年，光纤之父高锟博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因。
9、目前，F T T H（光纤到户）是宽带接入的一种理想模式，各国发展迅猛。
10、目前流行的“三网合一”指的是将现存三个网络：电信网、有线电视网和计算机网的信号在同一个光纤网络中传输。
11、光纤被喻为信息时代的神经。
第二章光纤拉制及成缆要求：1、了解光纤的分类方法和光纤的种类，理解各种不同种类光纤之间的区别及每种光纤的特点；2、知道光纤的制作材料及要求；3、了解光纤预制棒的制造原理和工艺；4、知道各种光缆结构和材料的用途。
具体：1、光纤的分类：按照光纤横截面折射率分布不同分为：阶跃光纤和渐变光纤（折射率在纤芯中保持恒定，在芯与包层界面突变的光纤称为阶跃光纤，折射率在纤芯按某种规律逐渐降低的光纤称为渐变光纤。
光纤光学总结
光纤光学总结说明：重点放在了二三四章以及第五章前面部分，别的则比较缩略。
第一章1.光纤通信优点宽带宽，低损耗，保密性好，易铺设2.光纤介质圆柱光波导，充分约束光波的横向传输（横向没有辐射泄漏），纵向实现长距离传输。
基本结构：纤芯、包层、套塑层光波导：约束光波传输的媒介导波光：受到约束的光波光波导三要素：“芯 / 包”结构凸形折射率分布，n1>n2低传输损耗3.光纤分类通信用和非通信用4. 单模光纤：只允许一个模式传输的光纤；多模光纤：光纤中允许两个或更多的模式传播。
5. 如何改善光纤的传输特性：减少OH- ，降低损耗；改变芯经和结构参数，色散位移；改变折射率分布，降低非线性6.光纤制备工艺预制棒：MCVD OVD VAD PCVD之后为光纤拉丝，套塑，成缆工艺。
第二章1.理论根基2.2. 光纤是一种介质光波导，具有如下特点：①无传导电流；②无自由电荷；③线性各向同性3. 边界条件：在两种介质交界面上电磁场矢量的E(x,y)和H(x,y)切向分量要连续,D与B 的法向分量连续：4.由程函方程推得射线方程，再推得光线总是向折射率高的区域弯曲。
5. 光纤波导光波传输特征：在纵向（轴向）以“行波”形式存在，横向以“驻波”形式存在。
场分布沿轴向只有相位变化，没有幅度变化。
6.模式求解波导场方程可得本征解及相应的本征值。
通常将本征解定义为“模式”. 每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波；每一个模式对应于某一本征值并满足全部边界条件;模式具有确定的相速群速和横场分布.模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。
给定的波导中能够存在的模式及其性质是已确定了的,外界激励源只能激励起光波导中允许存在的模式而不会改变模式的固有性质。
(χ和β及边界条件均由光纤本身决定，与外界激励源无关)横模光波在传输过程中，在光束横截面上将形成具有各种不同形式的稳定分布，这种具有稳定光强分布的电磁波，称为横模。
横模（表现在光斑形状）的分布是和光波传输区域的横向（xy 面）结构相关的；相长干涉条件：2 nL＝Kλ纵模是与激光腔长度相关的，所以叫做“纵模”，纵模是指频率而言的。
《光纤光学》复习提纲2
• 线偏振模的模斑为：
– A、径向亮斑数为2m，角向亮斑数为 l，而且中 心为暗； – B、径向亮斑数为m，角向亮斑数为2l，而且中 心为暗； – C、径向亮斑数为2l，角向亮斑数为m，而且中 心为亮； – D、径向亮斑数为l，角向亮斑数为2m，而且中 心为亮。
12
选择题6
• 光纤的损耗是由许多不同因素造成的，其 中不可能消除的因素是：
29
计算题1
• 某光纤出现故障，用OTDR仪表进行测量。OTDR 发射的周期性矩形脉冲的宽度10ns，测得光脉冲 从光纤始端返回光纤始端的时间为3μs，已知光纤 纤芯折射率n1=1.5， （1）问此光纤故障点距始端距离有多长？ （2）该OTDR判断故障点的误差为多少？ （3）若OTDR能测的损耗范围为32dB,想用它测试78 km的光缆线路，光缆的衰减系数为0.3 dB／km， 问OTDR能否看到末端的衰减曲线？
30
计算题2
• 某抛物线分布光纤，n1=1.5，Δ=0.001，纤 芯直径2a=50μm，当用波长λ0=0.85μm的光 激励时，试求： （1）光纤的最大数值孔径； （2）光纤的截止波长；（3）基模的模场 半径；（4）模式总数。
31
计算题3
• 如下图所示为X－型光纤耦合器，工作波长为1.55mm。若 仅由Input1端口注入光功率，从Output1和Output 2端口 输出的分别为注入光功率的75％和25％。耦合器的耦合 系数为：，求：（1）在上述耦合分光比下，耦合器的最 小耦合长度；（2）若仅从Output1端口注入0dBm光功率， 则从Input1和Input 2端口分别输出多少光功率；
《 光纤光学》复习提纲
光线理论 模式理论 光纤性能 光纤器件 光纤连接
光纤光学期末试题及答案
光纤光学期末试题及答案一、选择题（每题2分，共10分）1. 光纤通信中，光纤的传输介质是：A. 铜线B. 玻璃C. 塑料D. 空气答案：B2. 光纤通信中，光的传输模式是：A. 单模B. 多模C. 单模和多模D. 以上都不是答案：C3. 光纤通信中，光的波长通常在哪个范围内？A. 400nm-700nmB. 800nm-1600nmC. 1600nm-2000nmD. 2000nm-3000nm答案：B4. 光纤通信中，光纤的损耗主要是由于：A. 材料吸收B. 散射C. 弯曲损耗D. 以上都是答案：D5. 光纤通信中，光纤的色散主要分为：A. 模式色散B. 材料色散C. 波导色散D. 以上都是答案：D二、填空题（每题2分，共10分）1. 光纤的折射率分布通常为_________型。
答案：阶跃2. 光纤通信中，_________色散会限制光纤通信的传输距离。
答案：材料3. 光纤通信中，_________色散会限制光纤通信的传输速率。
答案：模式4. 光纤通信中，光纤的损耗系数通常用_________来表示。
答案：dB/km5. 光纤通信中，_________是光纤通信系统中的关键组件之一。
答案：光放大器三、简答题（每题5分，共20分）1. 简述光纤通信的基本原理。
答案：光纤通信的基本原理是利用激光作为载波，通过光纤传输光信号，实现信息的传输。
2. 光纤通信有哪些主要优点？答案：光纤通信的主要优点包括传输距离远、传输速率高、抗电磁干扰能力强、保密性好等。
3. 光纤通信中，如何减少光纤的损耗？答案：减少光纤损耗的方法包括使用高纯度材料、优化光纤结构设计、使用波分复用技术等。
4. 光纤通信中，如何减少光纤的色散？答案：减少光纤色散的方法包括使用单模光纤、优化光纤折射率分布、使用色散补偿技术等。
四、计算题（每题10分，共20分）1. 已知光纤的损耗系数为0.2dB/km，计算1000km光纤的总损耗。
答案：总损耗= 0.2dB/km × 1000km = 200dB2. 已知光纤的色散系数为17ps/(nm·km)，计算波长为1550nm的光信号在100km光纤中的色散。
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第一章石料与集料⑴石料密度：真实密度表观密度毛体积密度⑵孔隙率：吸水性：材料吸入水分的能力①吸水率：常温（20±2℃）、标准大气压（101.325kPa)②饱水率：常温、真空抽气（2.67 kPa）吸水率（保水率）＝抗冻性：石料在水饱和状态下，能经受反复冻融而不破坏，并不严重降低强度的能力直接冻融法（冻融循环试验：-15℃冰冻4h←→20℃融解4h）坚固性法1）抗压强度①道路试件: 50×50×50（±2）mm立方体φ50×H50（±2）mm的圆柱体②桥梁试件:70×70×70（±2）mm立方体计算公式：2) 磨耗率①双筒式（狄法尔法）②搁板式（洛杉矶法）集料：由不同粒径矿物质颗粒组成的混合料，包括各种天然砂、人工砂、卵石、碎石及各类工业渣。
集料按其粒径范围分为粗集料和细集料。
水泥混凝土分界：4.75MM 沥青混凝土：2.36MM集料密度：表观密度、毛体积密度、堆积密度、表干密度堆积密度：表干密度：空隙率：粗集料骨架间隙率：4.75mm以上粗集料在捣实状态下颗粒间的空隙体积百分率（确定混合料中细集料和结合料的数量，评价集料的骨架结构）计算公式：针片状如何定义：游标卡尺法（沥青）规准仪法（水泥）含泥量与矿粉含量含泥量：集料中小于0.075mm颗粒含量计算公式：矿粉含量：人工砂中小于0.075mm颗粒含量砂当量（作用）：用于测定细集料中粘性土和杂质含量，判定集料的洁净程度亚甲蓝MB值：用于确定细集料中是否存在膨胀性粘土矿物并测定其含量，评定集料的洁净程度。
压碎值：如何测定、试验方法：将9.5～13.2mm碎石在低于100℃烘箱烘干不超过4h，三组3kg试样，每组分三层夯实（金属棒夯实25次），夯实后试样在筒内深度为100mm，在0～10min加压至400kN，稳压5s后卸载，过2.36mm筛计算公式：试验压力：400KN 加压关系：磨光值：石料抵抗磨光的能力，即保持其原有粗糙的能力磨耗值：石料抵抗磨擦、剪切的能力矿质混合料的组成设计：计算①分计筛余百分率ai ②累计筛余百分率A的百分率③通过百分率Pi粗度→细度模数→评价砂（0.16～4.75mm）粗细程度计算公式：粗砂：Mf＝3.7～3.1 中砂：Mf＝3.0～2.3 细砂：Mf＝2.2～1.6连续级配的计算最大密度曲线计算公式：级配范围曲线——泰波公式：确定各集料用量：图解法设计步骤：一、绘制级配曲线坐标图二、确定各种集料用量三、合成级配的计算与校核看例题1.2第二章沥青材料石油沥青的分类：直馏沥青、溶剂脱沥青、氧化沥青、调和沥青、乳化沥青、改性沥青沥青的主要化学成分：碳C 氢H 硫S 氧O 氮N四组分：饱和分－S、芳香分－A、胶质－R、沥青质－At沥青的胶体结构：1) 溶胶型结构：当油分胶质足够多时，沥青质形成的胶团全部分散，胶团能在分散介质的粘度许可范围内自由运动。
特点是沥青质少，芳香树脂较多，具有良好的粘结性，温度敏感性强。
2) 凝胶型结构：油分与胶质很少，胶团浓度相对增加，相互之间靠拢较近，胶团会形成不规则的骨架结构，胶团移动比较困难。
特点是弹性好，温度稳定性好，具有触变现象。
但是如果沥青中含有较多芳香树脂，即使沥青质含量大，胶团的吸引力也小，也不能形成凝胶型结构。
这类沥青在路用性能上，虽具有较好的温度感应性，但低温变形能力较差3) 溶凝胶型结构沥青中沥青质含量适当(例如在15％-25％之间)，并有较多数量芳香度较高的胶质。
这样形成的胶团数量增多，胶团的浓度增加，胶团距离相对靠近，他们之间有一定的吸引力。
特点是比溶胶型沥青稳定，粘结性＆感温性都比较好。
这类沥青的路用性能，在高温时具有较低的感温性；低温时又具有较好的形变能力。
沥青的物理性质：密度：在规定温度下单位体积所具有的质量，15℃体积膨胀系数作用：沥青与储罐的设计和沥青作为填缝、密封材料是十分重要的数据，与沥青的录用性能也有密切的关系。
介电常数的作用：与沥青对氧、雨、紫外线等的耐候性有关。
路面的抗滑性能(构造深度)与沥青的介电常数有关，而与沥青标号无关粘度的基本定义：沥青材料在外力作用下沥青粒子产生相互位移的抵抗剪切变形的能力。
针入度法：试验条件：0.1MM计、25℃、100g、5s软化点：试验条件：18.9mm铜环、3.5g钢球起始温度：5℃加热速度：5℃/min加热液体类型：试样软化点在80℃以下，加热蒸馏水度为5±0.5℃，试样软化点80℃以上，加热甘油起始温度为32±1℃延度：延度试验条件：试验温度有0℃、15℃、25℃三种；拉伸速度有1 cm/min、5cm/min两种实验注意事项：试样表面距水面不得小于25mm闪点试验方法：克利夫兰开口杯法燃点试验方法：脆点试验方法：费拉斯法针入度指数（PI）作用：评价沥青感温性物理意义：计算方法：温度感应性系数lgP=AT+B •式中P为针入度（0.1mm），T为温度℃，A为针入度温度敏感性系数，B为回归系数•A越大表示对温度变化说敏感，其性能越差。
针入度指数：沥青的粘附性：形成机理：一、表面张力理论一、表面电位理论二、酸碱理论试验方法：水煮法和水浸法试样•光电分光光度法评价方法：沥青与集料的粘附性试验，根据沥青混合料的最大粒径决定，大于13.2mm者采用水煮法；小于(或等于)13.2mm者采用水浸法。
按剥落面积百分率来评定沥青与寂寥的粘附性沥青的老化机理：轻质组分挥发、氧化、组分转化试验方法：薄膜烘箱加热试验、旋转薄膜加热试验、压力老化试验蠕变：在应力保持不变的情况下，应变随时间增加而增加应力松弛：在保持应变不变的情况下，应力随时间增加逐渐衰减沥青的劲度模量：现行规范沥青等级、标号的划分：等级A、B 标号160号、130号、110号、90号、70号、50号、30号气候分区指标：高温、低温、雨量改性沥青的基本分类：第三章沥青混合料（后续）沥青混合料的类型：按矿质混合料的级配组成分：连续密集配、连续半开级配、开级配、间断级配按矿质最大粒径分：特粗式、粗粒式、中粒式、细粒式，沙粒式按拌和及铺筑分: 热拌热铺、冷拌、再生沥青混合料的组成结构：密实-悬浮结构、骨架-空隙结构、密实-骨架结构沥青混合料的路用性能：高温稳定性低温抗裂性耐久性（水、疲劳、老化）表面功能（抗滑、降噪、排水）施工和易性施工试验方法：马歇尔稳定度试验沥青混合料的低温抗裂性试验方法：一、间接拉伸或直接拉伸试验二、低温蠕变试验三、低温弯曲试验沥青混合料的水稳定性及其评价方法：浸水马歇尔试验冻融劈裂强度试验沥青混合料的抗滑性指标：构造深度、磨阻系数、马歇尔试验配合比设计技术指标：第四章水泥与石灰硅酸盐水泥的矿物组成及作用：影响水泥强度水泥后期强度早期强度、凝结速率抗折、抗冲击强度水泥中的有还成分及其危害：•游离氧化钙f-CaO、氧化镁f-MgO 高温生成方镁石结晶，水化速度慢，生成青氧化镁体积膨胀•三氧化硫SO3：主要来自石膏，引起水泥硬化后体积膨胀•碱含量（Na2O、K2O）生成物附着在集料与水泥石界面上遇水膨胀，引起水泥石胀裂，导致粘结强度降低，破坏混凝土结构水泥的硬化凝结过程：初始反应期：水泥熟料颗粒初始水解和水化。
潜化期：水化物薄膜围绕水泥颗粒成长变厚。
凝结期：膜层破裂，水泥颗粒进一步水化。
硬化期：水化物进一步发展，填充毛细孔。
硬化水泥石的腐蚀类型：1）溶析性侵蚀（淡水腐蚀）2）盐类腐蚀3）酸类腐蚀硅酸盐水泥的技术要求：主要指标：细、凝、安、强，以强为主测定方法：细：比表面积发、筛析法安：沸煮法、压蒸法凝结时间的测定：强度等级如何划分：根据定龄期测定的抗压强度和抗折强度来划分水泥:标准砂＝1:3、水灰比＝0.5，试件4×4×16cm道路水泥矿物的组成要求：（P155）物理力学性质要求：高抗折强度、低干缩率、高耐磨性第五章水泥混凝土与砂浆混凝土拌合物施工和易性的概念：易于施工操作的性能→质量均匀、密实成型包括：流动性、捣实性、粘聚性、保水性施工和易性的测定方法：坍落度实验：条件：集料dmax＜31.5mm 坍落度＞10mm目测项目：V.B稠度试验：条件：dmax＜31.5mm V.B稠度值=5～30s捣实因数试验：影响和易性的主要因素分析：⑴水泥浆的稠度——水灰比W/C ⑵水泥浆的数量⑶砂率⑷水泥品种和集料性质⑸外加剂⑹温度和时间混凝土的强度：内容等级划分立方体抗压强度立方体抗压强度标准值轴心抗压强度弯拉强度劈裂抗拉强度影响混凝土强度的主要因素分析：⑴组成材料的影响①水泥强度等级与水灰比灰水比与强度关系②集料特性（影响到骨料与水泥浆界面强度）⑵养护条件（温度和湿度）的影响（3）龄期图混凝土强度与龄期⑷试验条件硬化混凝土的变形特征弹性模量：在混凝土应力应变曲线上，任一点的应力与应变的比值。
自己画图徐变变形：在载荷的持续作用下，变形随时间连续增长。
混凝土的碱—集料反应发生条件：有水存在类型：碱—硅集料反应碱—碳酸钙反应危害：水化生成物引起混凝土的不均匀膨胀，导致混凝土胀裂外加剂与掺和料：基本类型：无机化合物类，有机化合物类减水剂在不影响混凝土工作性的条件下，具有减水及增强作用外加剂、引气剂经搅拌能在混凝土拌和物中引入大量分布均匀的独立微小气泡，以改善其工作性，并在其硬化后能保留微小气泡以改善其抗冻融耐久性的物质缓凝剂能延缓混凝土凝结时间，并对其后期强度无不良影响的外加剂早强剂能提高混凝土早期强度并对后期强度无影响的外加剂混凝土初步配合比设计1，计算混凝土的配制强度2，计算水灰比体积法密度法。