光纤光学总复习-09

光纤光学复习第一章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）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2009-4-30光线方程的推导rv r dr+v v drv ds (),,Qx 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GIOF中光线的传播（子午光线）同一光线：值相同；不同光线：值不同！：第一射线不变量,由光线的入射条件所决定！n 光线分类、特征及其激励条件：n n 约束光线隧道光线折射光线2009-4-30GIOF中子午光线的轨迹()r g dz dr n =⎟⎠⎞⎜⎝⎛22()()2222n rIr n r g −−=平方律分布的光纤、双曲正割折射率分布光纤等光程条件光线间延迟小传输速率高模式分类、特征及其激励条件：导模泄漏模辐射模导模分析中的重要参量及其物理意义纵向传播常数（β）、归一化频率（V）、横向传播常数（U、W）SIOF模式分析的基本过程基模模场的表示式导模的分类及其特征导模的截止与远离截止条件•导模截止与远离截止条件:模式临近截止远离截止*除了HE 1m 模式以外,U 不能为零•模式本征值β、l 满足：lmEH ()0c llmJ U =()10l lmJ U ∞+=lmHE ()()()()210 10 1c l lmc lmJ U l J U l −=>==()10l lmJ U ∞−=()000cm J U=()100m J U ∞=()00m m TE TM (), clm lmlmU U U ∞∈(), c V V ∈∞色散曲线及其物理含义光纤的单模工作条件22122 2.405c a n nV πλ−=<弱导光纤的特征线偏振模基模模场的表示线偏振模与精确模式间的关系导模的数目（估计）、模组与主模标号、模斑平方率光纤中的导模场的特征平方率光纤中的基模场的表达式模场半径的概念WKB的基本思想任意折射率分布的本征值方程模式容积SIOF、平方率单模光纤中的场解任意折射率分布单模光纤中的场解的求解方法第二章光纤的特性及特征参数测量损耗的定义及来源L P Pinout 10[]1010log ()dBm P mW =()()()out in P dBm P dBm L km α−⎡⎤⎣⎦=−光纤的衰减系数与损耗的关系：()e f 10log 10αα=第三传输窗口第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(d B /k m )波长(nm)通信窗口：由0.85μm 、1.31μm 、1.55μm 到S 波(1.49μm~1.53μm)、C 波(1.53μm~1.57μm)、L 波(1.57μm~1.61μm)。

光纤的弯曲损耗光纤发生弯曲波导内完全内反射遭破坏波导模转化为泄漏模甚至辐射模引起弯曲损耗弯曲损耗的种类：宏弯曲、微弯曲、过渡弯曲光纤色散概念与种类各类色散的计算、色散位移概念光纤的演变(1)G.651光纤：工作波长850nm；多模；损耗：3dB/km(2)G.652光纤：常规单模光纤，零色散波长1310nm ；最低损耗窗口1550 nm(3)G.653光纤：DSF，零色散波长1550nm ；最低损耗窗口1550 nm(4)G.655光纤：NDSF，Lucent：零色散波长1530nm；Corning：>1570nm(5)大有效面积光纤：LEAF 降低非线性效应的影响。

(6)色散补偿光纤：(7)全波光纤：消除OH的吸收损耗通信窗口：由0.85、1.31、1.55到S波(1.49~1.53)、C波(1.53~1.57)、L波(1.57~1.61)2009-4-30光纤中色散与脉冲展宽的关系如何利用色散实现脉冲压缩？光纤的传输带宽光纤的设计：损耗、色散、非线性；折射率、折射率分布、掺杂光纤的制作：预制棒（MCVD、OVD、VAD、PCVD）、拉丝、涂覆、成缆光纤的模场半径、截止波长的定义•光纤损耗的测量•数值孔径的测量•模场直径的测量•截止波长的测量OTDR的基本原理、测量精度、分辨率、动态范围等自聚焦透镜光有源与无源器件、自聚焦光纤、自聚焦透镜自聚焦透镜与自聚焦光纤的比较自聚焦透镜与一般球透镜的比较由射线方程如何得到自聚焦透镜的传输矩阵自聚焦透镜的成像特性、节距的概念0.23P、0.25P、0.29P自聚焦透镜的成像性质光纤耦合器R 11'2'11'12'0π2π1Kz0.5:0.5 1.0:0.00.0:1.02cos ()Kz 0δ=2sin ()Kz2009-4-30R 1'12S 2R S +≠max ()1R S +=对相同波长、相同光功率的耦合会产生3dB 损耗。

π2πKz2cos ()Kz 0δ=2sin ()Kz 1R S +=1R S +=1R S +=R1'12S 1λ2λ12λλ+()K zλ2cos (())K z λ2λ1λ 1 1'2 1'2sin (())K z λ1λ2λ12λλ+R 11'2'()K zλ2cos (())K z λ2λ1λ1 1'光隔离器玻片（互易）YIG磁环inout偏振分光镜（a）正向玻片（互易）YIG磁环in偏振分光镜（b）反向out光环行器光纤光栅n n1θ1θ2θΛ0m =1m =12sin sin n n mλθθ=+Λ1θ2θ21ββ=−122πβ=Λ1θ2θ2m co clπββ−=Λ155000.10.20.30.40.50.60.70.80.91Wavelength (nm )R e f l e c t i v i t y1549.81549.91550.11550.21550.31550.41550.50.10.20.30.40.50.60.70.80.91Wavelength (nm )R e f l e c t i v i t y1547154815491550155115521553色散补偿应用Chirped Bragg grating•••λlong λshortOADM 应用2009-4-30掺铒光纤放大器EDFA ：Erbium －Doped Fiber Amplifier透明点（）亚稳态Pump Photon 980 or 1480 nm SIGNAL PHOTON1550 nm 基态激发态弛豫Amplified Signal 1550 nm基态铒离子在外界泵浦光的作用下外界信号光引起受激辐射信号光放大隔离器WDM EDF隔离器输入信号输入信号泵浦激光器4,000GHz1500 1520 1540 1560 1580 1600波长2009-4-30掺铒光纤激光器光放大器与激光器的差别光纤激光器＝光纤放大器＋激光谐振腔用已学的光纤器件构建光纤激光器pump P laserP thP αtg α斜率效率＝第四章光纤的连接与耦合引起光纤连接损耗的因素：内部损耗因子：光纤结构参数的失配外部损耗因子：光纤调整参数的偏离、端面质量端面反射损耗：光纤活动连接中各种光纤连接损耗的特点：（1）内部损耗因子引起的连接是非互易的；（2）横向失准和角向失准对损耗的影响比纵向损耗大的多，且难调准；（3）多模光纤间的a和Δ的偏差会引起较大的损耗，其量级可达0.05～0.2dB ；（4）单模光纤的内部损耗因子归结为唯一的参数：基模的模场半径；单模光纤由于纤径小，对于横向偏移与角向偏移极为敏感。

为保证接续损耗低于0.05dB，要求光纤对准调整误差在十分之几微米之内。

内部损耗因子（1）数值孔径不匹配（2）纤芯半径不匹配（3）折射率分布形式不匹配二、单模光纤连接损耗的理论分析模场半径的失配光纤固定接头的制作：光纤端面制备光纤对准调节光纤接头焊接固定光纤活动连接器种类：光纤与光源间的耦合技术：半导体激光的发光特性：①近场不对称；②远场光斑不对称；③具有很大的发散角。

影响耦合损耗的因素：①场型失配；②场分布非园对称性；③模场半径失配；④菲尔反射损耗；⑤透镜相差损耗。

常见的几种变换透镜光纤光学作业解答1、证明，并说明上式的物理意义。

其中R是光线弯曲的曲率半径，为光纤法向单位变量。

()()r n N r n R r r r ∇⋅=11N r ()()()()()111d dr n n r ds ds d dr N n r N n n r n r ds ds dn dr d dr N n n r ds ds ds ds ⎛⎞=∇⎜⎟⎝⎠⎛⎞⋅∇=⋅⎜⎟⎝⎠⎛⎞⎛⎞=⋅⋅+⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠r r r r r r r r r r r r。