2009光纤光学总复习
光纤通信期末复习提纲——光纤资料文档
光纤通信期末总复习一、总述题型：判断（15% ）（1.5×10）+选择（30%）（2.5×12）+简答计算（55%）（5~6题）考试范围（第一章～第十章），重点第五章、第六章、第七章，第四章自学（不考）要求：考试可以用中文答题，但是要熟悉英文专业术语（已经将常用专业术语做了整理，可在网络教学平台下载），平时每次作业一定要会做，期末总成绩=考试成绩×60%+实验成绩×20%+平时成绩（讨论+作业）×20% 二、第一章 光纤通信系统1、光通信所用波长（红外、可见、紫外），2、dB ，dBm 计算，光通信系统功率预算3、分清波长，频率，介质中波长，介质中的频率v fλ=4、基本光通信系统构成（框图），各个模块的功能 4、光子能量（以J 为单位，eV 为单位），会计算光线中的光子数5、光纤（光纤通信）优点与缺点 三、光学概要1、Snell 定律：计算纤芯包层上临界角，空气和纤芯入射面入射光锥大小2、数值孔径（NA ）定义，意义3、什么是光斑尺寸 四、 波动学基础 1、α与γ的换算Proof::dB km 10lgexp(2)1dB 110lgexp(2)km-220=108.685ln10 2.3026dB L L L km dB kmγααγγααααγα用表示的衰减值；：衰减系数：传输距离当时值就是；单位为=-==--=≈-2、带宽和谱宽的换算（频率范围和波长范围换算）12212112122ccf f f c f c thenf f f c f f λλλλλλλλλλλλλλλλ⎛⎫-∆=-=-= ⎪⎝⎭⎛⎫∆∆== ⎪⎝⎭∆∆∆∆⎛⎫∆=⇒∆=⇒=⎪⎝⎭3、色散，材料色散，波导色散定义，展宽计算，单位长度展宽计算Dispersion （色散）: Wavelength dependent propagation velocity. 传输速度随波长变化的特性称为色散Material Dispersion （材料色散）: Dispersion caused by the material.Waveguide Dispersion （波导色散）: Dispersion caused by the structure of thewaveguide.L L ττ∆∆⎡⎤⎛⎫= ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦''n M L c τλλλ⎛⎫∆=-∆=-∆ ⎪⎝⎭4、光纤通信系统电带宽与光带宽关系5、谐振腔（F-P 腔），纵模概念1(1)222c m mc f f f m c mc c f Ln Ln Ln∆∆+=-+=-=2cc oo co c c of ff f ccλλλλλλ∆∆∆∆∆===7、平面边界上的反射，全反射临界角计算1212n n n n ρ-=+221212power reflected R power incidentR n n R n n ρ≡=⎛⎫-= ⎪+⎝⎭分界面上损耗计算什么是消逝场？发生全反射时低折射率材料中仍然有光能量 五、 光纤波导1、相对折射率与数值孔径：fractional refractive ；NUMERICAL APERTURE121n n n -∆=00sin NA n α== 单模光纤的NA 和多模光纤NA 通常哪个更大？光纤包层和纤芯折射率关系是怎样的？2、光纤损耗Losses may be classified as: AbsorptionScattering ： Rayleigh Scattering Geometric effects目前光纤损耗水平大致是多少？在什么波长？ 光纤三个透光窗口是什么，中心波长分别是多少3、归一化频率计算；V is called the normalized frequency or V parameter2a V NA πλ==归一化频率和光斑尺寸关系是什么？4、多模光纤模式数目计算对于阶跃折射率光纤，若V>1022V N =对于抛物线分布折射率光纤，若V>1024V N =5、单模传播条件2.405V =<aλ<2.4052aNAλπ<6、多模光纤中的畸变阶跃折射率：11211122()()n n n nn n L cn cn c τ-∆⎛⎫∆==∆≈ ⎪⎝⎭对于 GRIN 模式展宽近似表达式为:212n L c τ∆⎛⎫∆= ⎪⎝⎭可知多模阶跃折射率光纤中模式畸变一般情形下远大于GRIN 光纤这里大家需要记住的是模式失真不依赖于光源波长或者光源线宽. 因此总的脉冲展宽:τ∆=modal modal pulse spread τ∆=dispersion material and waveguide dispersive pulse spread τ∆=那么总的色散可计算如下()g M M L τλ⎛⎫∆=-+∆ ⎪⎝⎭由于色散导致的展宽和那几个因素有关？L 、D 、λ∆7、单模截止波长2.4052aNAλπ<=那么截止波长 (小于截止波长光纤将以多模形式传输) 为:c (2)2.612.405a NA a NA πλ==8、普通光纤中传输的光信号一般是非偏振的.六、光源和光放大器1、LED P-I 特性的斜率计算. 禁带宽度(能带间隙 bandgap)与辐射波长关系g i P W e η⎛⎫= ⎪⎝⎭P g W i η=2、量子效率定义，计算。
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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程？写出该波导场方程式。
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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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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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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。
09级光纤通信期末
二、12. 光纤按折射率分布分类，可分为 阶跃型 和 渐变型。
14.阶跃型光纤的单模传输的条件是 V= <=2.405 课本p2515.最基本的光纤通信系统由 光发射机、光纤线路、光接收机 组成。
20.光弧子是 群速度色散 和 非线性效应 的影响达到平衡时所产生的。
21. 波导色散 是由于光纤传输的信号不是单一频率所引起的。
22. 光功率计的主要技术指标有 波长范围 和 光功率测量范围。
23. 要LED 正常工作,应加 正向 偏压。
24. 激光器一般包括 工作物质 ,谐振腔 ,泵浦源 三个部分。
25. 数值孔径NA : 表示光纤捕捉光射线能力的物理量。
26. 光纤通信中常用的光源器件有 半导体激光二极管(LD ,或称半导体激光器)和半导体发光二极管(LED ) 两种。
三、1.粒子数反转在外界能量作用下,处于低能级的粒子将不断地被激发到高能级上去,从而使高能级上的粒子数 大于 低能级上的粒子数,这种分布状态称为，粒子数反转分布。
2.动态范围在限定的误码率条件下，光接收机所能承受的最大平均接受光功率<P>max 和所需最小平均接受光功率<P>min 的比值DR=10lg minP max P ><>< dB 3.光接收机灵敏度在保证达到所要求的误比特率的条件下，接收机所需要的最小输入光功率。
四、1. 简述半导体激光器产生激光的过程在有源区中高掺杂的PN 结上，由于外加电压不断注入电子形成粒子反转分布，在有源区中产生受激辐射而发出激光。
激光产生需要满足三个条件：可实现粒子数反转分布的增益介质，汞浦源到激发态，光学谐振腔，通过有源区两端的反射镜实现正反馈。
3. EDFA 能放大哪个波段的光信号？简述EDFA 的结构？工作原理？答：（1）EDFA 能对1550nm 波段的光进行放大；（2）结构：由掺铒光纤、泵浦源、波分复用器、光隔离器、滤波器组成；（3）原理：铒离子吸收泵浦光产生受激辐射光,使传输信号光得到放大。
《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。
光纤复习整理课件资料
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。
光纤光学总复习 经典习题,做的不仅仅是习题而是教你知识的重点39页PPT
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢ห้องสมุดไป่ตู้ 走到底 ，决不 回头。 ——左
光纤光学总复习 经典习题,做 的不仅仅是习题而是教你知
识的重点
41、实际上，我们想要的不是针对犯 罪的法 律，而 是针对 疯狂的 法律。 ——马 克·吐温
42、法律的力量应当跟随着公民，就 像影子 跟随着 身体一 样。— —贝卡 利亚
43、法律和制度必须跟上人类思想进 步。— —杰弗 逊
44、人类受制于法律，法律受制于情 理。— —托·富 勒
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。
2009光纤光学4-1_lesson 8
华中科技大学·光电子工程系 华中科技大学 光电子工程系
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§4.2 波导场方程及模式性质
当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时,须 当采用波动理论来分析光波在光纤中的传输时 须 求解波导场方程。 求解波导场方程。其方法是首先求出纵向场分量 然后利用纵横关系式求出场的横向分量。 Ez和Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。 然后利用纵横关系式求出场的横向分量 在园柱坐标系中,E 满足的波导场方程为： 在园柱坐标系中 z和Hz满足的波导场方程为：
n ＝n(r)dz/dS＝n(r)cosθz(r)=n(r0)cosθz(r0) n ---- 第一射线不变量
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轴向运动： 轴向运动： 广义折射率定理
r
rip
n(r)
θz(r)
nz1 cosθ z1 = nz 2 cosθ z 2 = nz 3 cosθ z 3 = .... = Const
P0
r0 dφ
ez
P
θr
r
r0
dl
θz
p
ds
dz
r0 r
θ dr
θφ
er
y
ˆ ˆ r = rr + zz
x
Q
eφ
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轴向运动
分析轴向分量方程:
d dz n = 0 dS dS
有： n(dz/dS)=const., 令其为 n , 则有
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轴向运动特点
相速: 相速 Vp＝ω/β＝c/ n 恒为常数 ＝ 这说明渐变折射率分布光纤(GIOF)中的光 这说明渐变折射率分布光纤 中的光 线沿z轴传播的速度恒定不变 轴传播的速度恒定不变, 线沿 轴传播的速度恒定不变 与光线的轴 向夹角θ 无关,这是一个与均匀折射率分 向夹角 z无关 这是一个与均匀折射率分 布光纤(SIOF)完全不同的重要特点 布光纤 完全不同的重要特点(SIOF 完全不同的重要特点 中不同角度的光线轴向速度不同) 中不同角度的光线轴向速度不同 GIOF带宽大于 带宽大于SIOF! 带宽大于
《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。
2009光纤光学6-2_lesson 14
31
逆序传输
• • ••
由2端口向1端口传输的光，首先由block B进行分光，两束 互相正交的偏振光经45°法拉第旋光片与互易旋光片后，两 束光的偏振态维持不变，由block B输出后，两光束通过反 射棱镜和偏振分光镜作合并，最终由3端口输出。
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应用
应用光环形器构成单纤双向传输
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偏振相关光隔离器
自然偏振光入射功 率损耗50％! 与起偏方向垂直的 偏振光入射损耗100 ％！. 随机偏振光入射带 来严重的偏振噪声!
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偏振无关光隔离器
将入射的任意偏 振光分解为两束 相互正交的线偏 振光； 分别处理这两束 线偏光； 再将经过处理的 两束线偏振光合 束输出。
1 1
P1
1
P2
1
1 2
0.5
2
P4
0
R (z)=sin (K (z))
2
2 2
2
-0.5
两个波长从P1, P4端口输入,在同一个输出端口P2输出
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光纤耦合器WDM
(1)对EDFA注入光功率（泵浦光＋信号光） (2)对简单的 WDM系统作波长分离 (3)对DWDM系统增加管理信道
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经L长度的传输之后，耦合到2号光纤中的光信号功 率为 2
sin KL 2 L 2 2 * P2 SS KL KL 2 L 2
仍在1号光纤中传输的光信号功率为
2009光纤光学3-3_lesson 6
9.761
15
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SIOF中的线偏振 SIOF中的线偏振模式 中的线偏振模式
V 0--2.405 2.405--3.832 3.832--5.136 5.136--5.520 5.520--6.380 . . 模式 LP 01 LP 11 LP 02 , LP 21 LP 31 LP 12 . 导模总数 2 2+4=6 6+6=12 12+4=16 16+4=20 . .
模式本征值: 模式本征值 Uιmc<Uιm<Uιm∞
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J0
LP01
LP11 J1
LP02 LP21 LP31 J2 J3
LP12
LP03
LP13
J4
2.405
3.832
5.136 5.52
6.38
7.016
7.588 8.417 8.654 8.711
场的横向分量最大值与纵向分量最大值之比： 场的横向分量最大值与纵向分量最大值之比：
E t max H t max k 0 n 1a ≈ ≈ = E z max H z max U n 1k 0 n k −β
2 1 2 0 2
>
1 2∆
场的横向分量要比纵向分量大一个数量级以上， 场的横向分量要比纵向分量大一个数量级以上， 即在光纤中传播的场近乎是横电磁的。 即在光纤中传播的场近乎是横电磁的。所以场 的横向分量更能反映场分布特性。 的横向分量更能反映场分布特性。
EH ι -1.m
Z 0 = µ 0 / ε 0 是真空中平面波的特征阻抗
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选择题16 选择题
重要公式
– 波导场方程、截止与远离截止条件、单模工作 波导场方程、截止与远离截止条件、 条件、模式数目、归一化工作频率、 条件、模式数目、归一化工作频率、模群精确 模式数目。 模式数目。
3 光纤光学 华中科技大学·光电子工程系 华中科技大学 光电子工程系
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）、 损耗测试的三种方法（后向散射法 ）、 不同型号的通信光纤性能。 不同型号的通信光纤性能。
《 光纤光学》复习提纲 光纤光学》
光线理论 模式理论 光纤性能 光纤器件 光纤连接
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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 光波导、光纤分类、子午光线、数值孔径、 容量、传光传像特性、散焦面、广义折射率定理、 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、 光线轨迹及特点、光线分类
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选择题7 选择题
一光信号在光纤中传播了5000m,功率损耗 功率损耗 一光信号在光纤中传播了 了15%，该光纤的损耗是 ，
– A、0.14dB/km； 、 ； – B、0.71dB/km； 、 ； – C、0.64dB/km； 、 ； – D、0.32dB/km。 、 。
重要公式
– 端面反射损耗计算、模场失配损耗计算、朗伯 端面反射损耗计算 模场失配损耗计算、 计算、 光源耦合损耗计算、 光源耦合损耗计算、半导体激光器耦合效率计 算。
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模拟考试
一、选择题（下列各题四个备选答案中只有 选择题（ 一个正确答案， 一个正确答案，请将其代号写在题干前面 的括号内。每小题1.5分 的括号内。每小题 分，共30分） 分 简答题（每小题5分 二、简答题（每小题 分，共20分） 分 设计题（每小题10分 三、设计题（每小题 分，共20分） 分 四、计算题 (共30分) 共 分
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选择题12 选择题
有关光纤中的色散论述错误的是： 有关光纤中的色散论述错误的是： 错误的是
– A、色散的存在使光纤通信系统的传输速率降 、 传输容量变小； 低、传输容量变小； – B、色散位移的目的是使零色散波长与最低损 、 耗波长一致； 耗波长一致； – C、正色散的光纤使光脉冲展宽，而负色散的 、正色散的光纤使光脉冲展宽， 光纤使光脉冲压缩，所以， 光纤使光脉冲压缩，所以，负色散的光纤也成 为色散补偿光纤； 为色散补偿光纤； – D、通过适当调整光纤波导的结构参量可使波 、 导色散和材料色散互相抵消
重要公式
– 准直透镜输出光束半径和发散角、耦合器分支 准直透镜输出光束半径和发散角、 功率计算、不同耦合比对应的最小耦合长度、 功率计算、不同耦合比对应的最小耦合长度、 光纤光栅中心波长。 光纤光栅中心波长。
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光纤连接与耦合
重要概念
– 光纤连接损耗来源、光纤连接损耗特点、透镜 光纤连接损耗来源、光纤连接损耗特点、 耦合系统、光束变换特性、有源对准（ 耦合系统、光束变换特性、有源对准（局部损 耗法） 耗法）。
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选择题2 选择题
光纤中能够支持的模式由光纤波导本身决 定，但光纤中能够激励出的模式与很多因 素有关， 素有关，问光纤中实际能够激励出的模式 无关： 与下列哪些因素无关 与下列哪些因素无关：
– A、入射光源的光功率； 、入射光源的光功率； – B、入射介质的折射率； 、入射介质的折射率； – C、光的入射角； 、光的入射角； – D、入射点的位置。 、入射点的位置。
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选择题11 选择题
以下那一种是非零色散位移光纤： 以下那一种是非零色散位移光纤： 非零色散位移光纤
– A、G．655光纤； 光纤； 、 ． 光纤 – B、G．653光纤； 光纤； 、 ． 光纤 – C、G．652光纤； 光纤； 、 ． 光纤 – D、G．651光纤。 光纤。 、 ． 光纤
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选择题10 选择题
下列光纤的色散，由小到大的排列次序为： 下列光纤的色散，由小到大的排列次序为： 的排列次序为
– A、多模的 、多模的GIOF、多模 、多模SIOF、单模光纤； 、单模光纤； – B、多模 、多模SIOF、多模的 、多模的GIOF、单模光纤； 、单模光纤； – C、单模光纤、多模的 、单模光纤、多模的GIOF、多模 、多模SIOF； ； – D、多模 、多模SIOF、单模光纤、多模的 、单模光纤、多模的GIOF
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选择题13 选择题
以下关于自聚焦透镜论述错误的是： 以下关于自聚焦透镜论述错误的是： 错误的是
– A、0.25节距的 节距的GRIN的物方焦点在透镜入射平 、 节距的 的物方焦点在透镜入射平 面上 – B、0.25节距的 节距的GRIN，同一点离轴入射，出射 、 节距的 ，同一点离轴入射， 仍为平行光线 – C、0.25节距的 节距的GRIN，不同入射点的斜平行线 、 节距的 ， 入射，出射位置不同； 入射，出射位置不同； – D、自聚焦透镜的长度一般以节距来表示。 、自聚焦透镜的长度一般以节距来表示。
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选择题9 选择题
数值孔径NA是光纤的一个重要参数， 数值孔径 是光纤的一个重要参数，下列 是光纤的一个重要参数 哪些命题是错误 错误的 哪些命题是错误的？
– A、NA越大，光纤的收光能力越大； 越大， 、 越大 光纤的收光能力越大； – B、NA越大，光纤的收光角越大； 越大， 、 越大 光纤的收光角越大； – C、NA越大，光源与光纤的耦合效率越高； 越大， 、 越大 光源与光纤的耦合效率越高； – D、NA越大，多模光纤的模式色散越小。 越大， 、 越大 多模光纤的模式色散越小。
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ℓ
ℓ
选择题5 选择题
线偏振模的模斑为： 线偏振模的模斑为：
– A、径向亮斑数为 ，角向亮斑数为 l，而且 、径向亮斑数为2m， ， 中心为暗； 中心为暗； – B、径向亮斑数为 ，角向亮斑数为 ，而且 、径向亮斑数为m，角向亮斑数为2l， 中心为暗； 中心为暗； – C、径向亮斑数为 ，角向亮斑数为 ，而且中 、径向亮斑数为2l，角向亮斑数为m， 心为亮； 心为亮； – D、径向亮斑数为 ，角向亮斑数为 ，而且中 、径向亮斑数为l，角向亮斑数为2m， 心为亮。 心为亮。
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选择题8 选择题
对于1330nm的单模光纤，当入射光中心波 的单模光纤， 对于 的单模光纤 长为1550nm，光谱宽度为 长为 ，光谱宽度为10nm时，不可 时 能存在的色散是哪一个？ 存在的色散是哪一个？
– A、模间色散； A、模间色散； – B、材料色散； 、材料色散； – C、波导色散； 、波导色散； – D、偏振模色散。 、偏振模色散。
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选择题14 选择题
下列光波长不属于通常所说的光纤的三个 下列光波长不属于通常所说的光纤的三个 不属于 传输窗口是： 传输窗口是：
– A、0.85mm； 、 ； – B、1.31mm； 、 ； – C、1.48mm； 、 ； – D、1.55mm。 、 。
选择题4 选择题
通常将光纤通信划分为三个传输窗口， 通常将光纤通信划分为三个传输窗口，其 主要原因是： 主要原因是：
– A、光纤的弯曲损耗； 、光纤的弯曲损耗； – B、OH－吸收损耗； 吸收损耗； 、 – C、过渡金属离子吸收； 、过渡金属离子吸收； – D、瑞利散射损耗。 、瑞利散射损耗。
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重要公式
– 射线方程、散焦面半径、折射率分布、数值孔径 射线方程、散焦面半径、折射率分布、
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– 模式定义及性质、模式分类及场分布特点、模 模式定义及性质、模式分类及场分布特点、 式简并、线偏振模、主模、分离变量法、 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、 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、 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、 目分析、导模光斑分布图、模式输出特性、 WKB近似方法思路 近似方法思路
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选择题15 选择题
有关G.652光纤，以下命题哪个是错误的： 光纤，以下命题哪个是错误的 有关 光纤 错误
– A、工作在 波长时， 、工作在1310nm波长时，损耗是通信容量的 波长时 主要限制因素； 主要限制因素； – B、工作在 波长时， 、工作在1550nm波长时，色散是通信容量的 波长时 主要限制因素； 主要限制因素； – C、工作在 波长时， 、工作在1550nm波长时，损耗与色散均是通 波长时 信容量的主要限制因素； 信容量的主要限制因素； – D、工作在 波长时， 、工作在850nm波长时，损耗与色散均是通 波长时 信容量的主要限制因素； 信容量的主要限制因素；