光纤光学1-1
光纤光学
1.4 光纤与通信网络 光纤的带宽和具有吸引力的特征使其成为理想的线缆 传输媒介。对于通信系统，光纤是具有强大运载信息 能力的工具。光纤工业已经进入显著的繁荣期。在过 去的20年里，一根光纤所能承载的最大数据率差不多 平均每年翻一番，比电子行业的摩尔定律（每18个月 翻一番）还要快 1.4 光纤与通信网络（续） （1）全球海底网络（2）陆地网络 （3）卫星系统与光纤网络（4）光纤到户 （5）局域网
光纤传感技术应用： 工业、制造、土木工程、军用科技、环境保护、地质勘
探、石油探测、生物医学等。
光纤传感器种类： 包括湿度、温度、应变、应力、振动、声音和压力传感
器等。 （1）光纤光栅传感器（2）光纤法布里－珀罗传感器（3）光 纤白光干涉传感器 （4）光纤陀螺传感技术（5）其他光纤传感技术 1.6 光纤的发展 种类：多模光纤 单模光纤、保偏光纤、塑料光纤、掺杂 光纤、光子晶体光纤等数十种； 材料：石英光纤 聚合物/塑料光纤、光子晶体光纤、掺 稀土光纤等
z ds
路径 dr
r r+dr
ls
ls＝
dr ds
dr=ds
o
y
x
图 光线传播路径示意图
z
a
b
r
r=(s/n)a+b
o
y
x
图 均匀介质中路径方程的解
矢量b 指出了光线的起始位置； 矢量a 则指明了光线的传播方向。
总结
当光纤纤芯的横向尺寸（直径）远大于光 波长时，可以用较成熟的几何光学（射线光 学）分析法进行分析；
在工业发达国家及我国：干线大容量通信线路不再新建 同轴电缆，而全部铺设光缆。
光波导1-1
0< n(r0) cosθz(r0)<√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
光线 存在区域: r > rr1
子午光线运动轨迹
近轴光线：
P 2 / A
n0 A P 2 / n(r0 ) cos z (r0 )
波动光学方法
2
光线入射条件 (dr／dS) |r0 ＝sinθz(r0)sinθφ(r0) (r dφ／dS)|r0 ＝sinθz(r0)cosθφ(r0) (dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
z
ez
e
er
y
r
r0
r0 d
z z dz
dr
r0
ds
ˆ zz ˆ r rr
内外散焦面
• 倾斜光线限制在内外散焦面之间传播 • 在内外散焦面，
(ric ) (rip ) 0
a I cos 2 2 r n (r ) n
1/ 2
• 其半径ric和rip是二次方程的两个根：
a 2 g (r ) n (r ) n 2 I 0 r
n(r)
z(r)
nz1 cos z1 nz 2 cos z 2 nz 3 cos z 3 .... Const
轴向运动特点
• 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 线沿z轴传播的速度恒定不变, 与光线的轴 向夹角θz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(SIOF中 不同角度的光线轴向速度不同)
n
2 1
n2(r)
光纤光学课件第一章
幻灯片 1
光纤光学 第一章
光纤传输的基本理论
W-C Chen
幻灯片 2 §1. 前言
Foshan Univ.
低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。光纤在工程上的 使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科——光纤光学。
NA ni sinim n12 n22 n1 2
*相对折射率差:
(n12 n22 ) / 2n12
约束光： z zc
*折射光: z zc
幻灯片 14 *渐变折射率分布：
子午光线：渐变折射率分布
n(r) n1 1 2(r / a)2 1/2 n2
0ra ra
*光线轨迹: 限制在子午平面内传播的周期曲线。 轨迹曲线在光纤端面投影线仍 是过圆心的直线，但一般不与纤壁相交。
波动理论的数学基础——麦克斯韦方程：
H D/ t J
E B / t
D
B 0
幻灯片 20 从麦克斯韦方程组出发导出一般波导介质中电场的波动方程
2E
(E
)
E
2E t 2
J t
由
E
B
E
t
B
( H )
t
t
根据恒等式关系，有
10
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
幻灯片 26
模式的基本性质
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。其方法是首先求出
纵向场分量 Ez 和 Hz,然后利用纵横关系式求出场的横向分量。求出 Ez 和 Hz，再通过
麦克斯韦方程组求出其他电磁场分量，就得到任意位置的电场和磁场。
光纤光学PPT课件02
石英 纯度高, 通信 塑料 成本低,损耗大 红外光纤 极低理论损耗,用于跨洋通信等
特种光纤：
保偏(单偏振)光纤；有源光纤；晶体光纤 零/非零色散位移光纤；负色散光纤； 特殊涂层光纤；耐辐射光纤；发光光纤
1-2 光纤光学的基本方程
光纤光学的研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
模式的场分量
模式场分布由六个场分量唯一决定： Ex Ey Ez Hx Hy Hz Er Ef Ez Hr Hf Hz
场的横向分量可由纵向分量来表示： 纵横关系式（1.2.25-1.2.28)—直角坐标系 （1.2.29-1.2.32)—直角坐标系
Ez 和 Hz 总是独立满足波导场方程。
模式命名
“芯 / 包”结构 凸形折射率分布，n1>n2 低传输损耗
光纤的分类(1)按用途分
通信光纤 传感光纤 传光光纤 传像光纤
光纤的分类(2)按折射率分布
光纤的分类(3)按光纤传输模式分
模式: 光场在光纤横截面上的分布, 横模 单模光纤: 针对给定的光波长,只允许一个模式传输
光纤的分类(4)按材料分
刘海荣 (Dr. Liu Hairong)
第一章 光纤光学的基本理论
光纤光学所涉及的基本问题
(1)模式的激励 (光的入射) (2) 模式的分布 (光线传播轨迹) (3)传输损耗 (损耗) (4)光信号的畸变 (色散) (5) 模式耦合
光纤技术所涉及的基本问题
(1)参数的测试技术 (2)自聚焦,准直技术 (3)光纤间连接技术,光纤与光源间的耦合技术 (4)光隔离滤波技术 (5)光的放大技术
根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否,可将模式命 名为:
(1)横电磁模(TEM): Ez＝Hz＝0;
1-1 光纤的损耗与色散
《光纤传感技术》•几何光学：•物理观点：等周期的电磁场分布•数学观点：导波方程的一组离散的解单模光纤SM 多模光纤MM 梯度折射率光纤 GIF阶跃折射率光纤 SIF •只能传输一种模式•纤芯直径小（2a=2-10μm ）纤芯折射率分布不同•定义：o 衰减：单位距离/长度的光纤损耗（dB/km ） () = -10lg out in P Loss dB P ⎡⎤⎢⎥⎣⎦10(/) -lg out fiber in fiber Loss P A dB m L Lk P ⎡⎤==⎢⎥⎣⎦dB power ratio amplitude ratio 100 10 000 000 000100 00090 1 000 000 00031 62380100 000 00010 0007010 000 000 3 16260 1 000 000 1 00050100 000316.24010 00010030 1 00031.6220100101010 3.1626 3.981 1.995 (~2)3 1.995 (~2) 1.4131 1.259 1.122011-10.7940.891-30.501 (~1/2)0.708-60.2510.501 (~1/2)-100.10.316 2-200.010.1-300.0010.031 62-400.000 10.01-500.000 010.003 162-600.000 0010.001-700.000 000 10.000 316 2-800.000 000 010.000 1-900.000 000 0010.000 031 62 -1000.000 000 000 10.000 01本征损耗吸收损耗杂质离子的吸收过度金属离子OH -离子本征吸收紫外吸收红外吸收散射损耗制作缺陷折射率分布不均匀芯-包层界面不理想气泡、条纹、结石本征散射及其他瑞利散射布里渊散射拉曼散射•辐射损耗•两类弯曲o宏弯•弯曲半径与光纤直径相比很大•~临界半径o微弯•光纤随机微弯曲引起模式耦合•垂直于光纤轴方向的扰动。
光纤光学课件第一章
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------光纤光学课件第一章1幻灯片 1 光纤光学第一章光纤传输的基本理论 W-C Chen Foshan Univ. 幻灯片 2 1. 前言低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。
光纤在工程上的使用促使人们需要对光纤进行深入研究，形成一门新的学科光纤光学。
幻灯片 3 光纤的分类幻灯片 4 2实用光纤主要的三种基本类型 (a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c ）单模光纤横截面2a2brn折射率分布纤芯包Ait(a)输入脉冲光线传播路径～多模光纤幻灯片 5 阶跃折射率光纤剖面测量图（华工光通信研究所）3 单模光纤多模光纤幻灯片 6 光纤结构光纤（Optical Fiber）是由中心的纤芯(Core)和外围的包层(Cladding)同轴组成的圆柱形细丝。
纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。
包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。
设纤芯和包层的折射率分别为 n1 和 n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。
幻灯片 7 主要用途：1 / 15突变型多模光纤只能用于小容量短距离系统。
渐变型多模光纤适用于中等容量中等距离系统。
单模光纤用在大容量长距离的系统。
特种单模光纤大幅度提高光纤通信系统的水平 1.55 m 色散移位光纤实现了 10 Gb/s 容量的 100 km 的超大容量超长距离系统。
色散平坦光纤适用于波分复用系统，这种系统可以把传输容量提高几倍到几十倍。
偏振保持光纤用在外差接收方式的相干光系统，这种系统最大优点是提高接收灵敏度，增加传输距离。
4幻灯片 8 2.光纤的研究方法光线理论几何光学方法波动光学方法适用条件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/反射定理边值问题主要特点约束光线模式幻灯片 9 光线理论光线分类子午光线倾斜光线射线方程几何光学法分析问题的两个出发点数值孔径时间延迟幻灯片 10 设纤芯和包层折射率分别为 n1 和 n2，空气的折射率 n0=1，纤芯中心轴线与 z 轴一致。
《光纤光学教学课件》第十九讲
光纤传感器的原理与分类
原理
光纤传感器利用光在光纤中的传输特性变化来检测各种物理量（如温度、压力、 位移、速度等）的变化。当外界参数作用于光纤时，光纤中光的强度、相位、波 长等会发生改变，从而检测出外界参数的变化。
分类
根据不同的分类标准，光纤传感器可以分为多种类型。按工作原理可分为功能型 和非功能型；按被测物理量可分为强度型、干涉型、偏振型和分布式光纤传感器 等；按应用领域可分为工业、环境、医疗和军事等领域的光纤传感器。
04 新型光纤技术及发展趋势
CHAPTER
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型光纤，其结构由石英、聚合物或复合材料制成，具有光子 带隙特性。
光子晶体光纤具有高非线性、低损耗、低色散等优点，在光通信、光传感、激光等 领域具有广泛的应用前景。
光子晶体光纤的制造工艺主要包括微纳加工、化学气相沉积等，其应用场景包括光 子晶体激光器、光子晶体光纤传感器等。
光纤的传输损耗
光纤的传输损耗
光纤在传输过程中会因为吸收、散射和弯曲等原因产生能量损耗，这些损耗限 制了光信号的传输距离和信号质量。
减小传输损耗的方法
通过采用低损耗光纤、优化光纤制造工艺、减小光纤弯曲半径等方法可以减小 光纤的传输损耗。
02 光纤通信系统概述
CHAPTER
光纤通信系统的组成
光纤
传输光信号的介质，由石英等 材料制成。
在成本方面，多模光纤制造成本较低，而单模光纤制 造成本较高。
光纤技术的发展趋势
未来光纤技术的发展将更加注重高带宽、高速率、低损耗、低色散等方 面。新型光纤材料和制造工艺的不断涌现，将推动光纤技术的进一步发 展。
新型光纤技术还包括光子晶体光纤、光子带隙光纤等，这些光纤具有优 异的光学性能和潜在的应用前景。
光纤光纤光学及技术 第二章1
导模传播常数
每一模式有一截止波长lc ，当工作波长大于 该模式的截止波长时，该模式截止，反之，模 式传输 导模的模次越高，其截止波长越短 高次模都截止时，处于单模传输状态
数值孔径与相对折射率差
NA n0 sin m n12 n2 2 n1 2
Δ为光纤的相对折射率差，它反映纤芯和包层折 射率的差异程度
缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合， 以及光场分布等现象。而且当工作波长于芯径可比较 (单模光纤)，误差较大。
波动理论
一种严格的分析方法，严格性在于： 1）从光波的本质特性－电磁波出发，通过求 解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁场 的场分布，具有理论上的严谨性。 2）未作任何前提近似，因此适用于各种折射 率分布的单模光纤和多模光纤。
2 2 2 0 2 2 2 2 0 2
sin mθ j βz H z 2 [ B3 K m ( β - k n r ) B4 Im ( β - k n r )]{ e cos mθ
2 2 2 0 2 2 2 2 0 2
场分量脚标中的 “2”代表场分量是包层中的场 分量
边界条件的应用
为了方便，定义两个参量u和w
p
a
p
z z
n2
n1 n1
Q
n2
2a
Q
子午光线的传播路径及其在横截面的投影
光线的模式
导波（导模）：被限制在纤芯中以折线轨迹沿 光纤轴线方向传播，芯包界面产生全反射 辐射模：不满足全反射条件，芯包界面产生反 射和折射，多次折射后，光能量迅速减少 不同的模式入射角不同 满足1>c的角度是连续的，但是模式不是连 续的
光纤光学基础
光纤原理：光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。
一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。
光纤有两项主要特性：即损耗和色散。
光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km），关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。
光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。
每单位长度的脉冲展宽（ns/km），影响到一定传输距离和信息传输容量。
光纤的结构：光纤的结构：纤芯材料的主体是二氧化硅，里面掺极微量的其他材料，例如二氧化锗、五氧化二磷等。
掺杂的作用是提高材料的光折射率。
纤芯直径约5~~75μm。
光纤外面有包层，包层有一层、二层（内包层、外包层）或多层（称为多层结构），但是总直径在100~200μm上下。
包层的材料一般用纯二氧化硅，也有掺极微量的三氧化二硼，最新的方法是掺微量的氟，就是在纯二氧化硅里掺极少量的四氟化硅。
掺杂的作用是降低材料的光折射率。
这样，光纤纤芯的折射率略高于包层的折射率。
两者席位的区别，保证光主要限制在纤芯里进行传输。
包层外面还要涂一种涂料，可用硅铜或丙烯酸盐。
涂料的作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。
光纤的最外层是套层，它是一种塑料管，也是起保护作用的，不同颜色的塑料管还可以用来区别各条光纤。
光纤的折射率：光纤的结构一般用折射率沿光纤径向的分布函数来表征，这种分布函数成为光纤的折射率刨面。
在圆柱坐标系（λ、Φ、z）中n（λ）来表示。
在理论分析中，折射率剖面n(r)就是光纤的数学模型：对于单包层光纤，纤芯直径为d，设纤芯轴心处的折射率n(0)=n1，包层折射率为n2,为了简略地表示的剖面特征，引入纤芯包层相对折射率差作为剖面参数Δ，其中定义为n1 2 ─n22 n1─ n2Δ = ──────≈─────2 n1 2 n1射线理论认为，光在光纤中传播主要是依据全反射原理。
光纤光学 学习指南
第一部分.光纤光学需要掌握的基本概念与重要结论第一章．绪论（4学时）1.光纤的优缺点优点：大容量；低损耗；抗干扰能力强；保密性好；体积小重量轻；材料取之不竭；抗腐蚀耐高温。
缺点：易折断；连接分路困难；怕水；怕弯曲。
2.光纤的分类重点掌握(1)光纤的结构，纤芯、包层、涂覆层的特点与作用(2)阶跃折射率分布光纤(SIOF)与渐变折射率分布光(GIOF)的特点与区别，折射率分布形式。
一些基本参数的意义与其表达式：相对折射差∆的意义与表达式；折射率分布参数g的意义（当g=∞时为SIOF，当g=2时为平方率分布光纤，当g=1时为三角分布光纤）。
(3)单模光纤与多模光纤的特点与区别（传输的模式数，芯径的大小，归一化频率）；归一化频率的意义与表达式（阶跃单模光纤的判据：V<2.405，渐变单模光纤的判据：V<3.508。
注意我们经常见到的2.405 是对阶跃光纤而言的）。
简单了解其它种类的光纤，例如保偏光纤与有源光纤（后面的课程会学到）。
3.光纤的制备工艺简单的了解一下。
第二章．光纤光学的基本方程（2学时）1.分析光纤波导的两种理论“几何光学方法”与“波动光学理论”的应用条件（几何光学方法：芯径远大于光波长；波动光学理论：芯径与波长可比例）与特点。
2.由麦克斯韦方程组出发推导波导场方程(1)“三次分离”，基本过程以及能够这样分离的依据“电磁”分离：由麦克斯韦方程组到波动方程“时空”分离：由波动方程到亥姆霍兹方程“横纵”分离：由亥姆霍兹方程到波到场方程(2)SIOF与GIOF中光线方程的意义，即SIOF与GIOF中光线的传播形式3.模式及其基本性质(1)模式的基本概念与定义(2)TEM、TE、TM、HE、EH模式的特点(3)纵向传播常数β横向传播常数W、U的意义（重点了解W的意义），以及W、U、V之间的关系(4)截止与远离截止的概念与基本条件（W=0截止，W=∞远离截止）(5)相速度、群速度、群延时的基本概念(6)线偏振模的概念第三章．阶跃折射率分布光纤（6学时）1.几何光学分析方法主要掌握一些基本的概念，“子午光线”与“偏斜光线”的定义；数值孔径的表达式，以及其物理意义(标志着光纤收光能力以及与光源耦合时偶和效率的大小)，数值孔径与传输带宽的关系（成反比）。
光纤光学课后答案
光纤光学课后答案【篇一：光纤应用习题解第1-7章】>1．详述单模光纤和多模光纤的区别（从物理结构，传播模式等方面）a：单模光纤只能传输一种模式，多模光纤能同时传输多种模式。
单模光纤的折射率沿截面径向分布一般为阶跃型，多模光纤可呈多种形状。
纤芯尺寸及纤芯和包层的折射率差：单模纤芯直径在10um左右，多模一般在50um以上；单模光纤的相对折射率差在0.01以下，多模一般在0.01—0.02之间。
2．解释数值孔径的物理意义，并给出推导过程。
a:：na的大小表征了光纤接收光功率能力的大小，即只有落入以m为半锥角的锥形区域之内的光线，才能够为光纤所接收。
3．比较阶跃型光纤和渐变型光纤数值孔径的定义，可以得出什么结论？a：阶跃型光纤的na与光纤的几何尺寸无关，渐变型光纤的na是入射点径向坐标r的函数，在纤壁处为0，在光纤轴上为最大。
4．相对折射率差的定义和物理意义。
n12-n22n1-n2a：d=2n12n1d的大小决定了光纤对光场的约束能力和光纤端面的受光能力。
5．光纤的损耗有哪几种？哪些是其固有的不能避免，那些可以通过工艺和材料的改进得以降低？a：固有损耗：光纤材料的本征吸收和本征散射。
非固有损耗：杂质吸收，波导散射，光纤弯曲等。
6．分析多模光纤中材料色散，模式色散，波导色散各自的产生机理。
a：材料色散是由于不同的光源频率所对应的群速度不同所引起的脉冲展宽。
波导色散是由于不同的光源频率所对应的同一导模的群速度不同所引起的脉冲展宽。
多模色散是由于不同的导模在某一相同光源频率下具有不同的群速度所引起的脉冲展宽。
7．单模光纤中是否存在模式色散，为什么？a：单模光纤中只传输基模，不存在多模色散，但基模的两个偏振态存在色散，称为偏振模色散。
8．从射线光学的观点计算多模阶跃光纤中子午光线的最大群时延差。
a：设光纤的长度为l，光纤中平行轴线的入射光线的传输路径最短，为l；以临界角入射到纤芯和包层界面上的光线传输路径最长，为linfc。
光纤光学基础知识
3 Rc 20 (2.748 0.996 ) 3/ 2 (n) c
光纤的传输特性
单模光纤的临界曲率半径与截止波长λc有关， λc越大 则Rc越小，也就是说，截止波长越大则弯曲特性越好。
微弯曲损耗 多模光纤微弯曲损耗：多模光纤的微弯曲情况非常复 杂，仅作定性描述。 多模光纤的微弯曲损耗与弯曲形状有关，如果对光纤 进行周期性弯曲时，如图6所示，将会在某个弯曲频 率下产生最大损耗，而且损耗与弯曲振幅A2成正比， 与弯曲总长度L成正比。 图6.多模光纤的周期性微弯曲
光纤的传输特性
弯曲损耗实例 1.多模光纤扰模：属于宏弯曲，高阶模的弯曲损耗较 大，经过多个扰模圈之后被损耗掉，剩余低阶模。 在实际光纤链路中，高阶模的传输不稳定，很容易损 耗掉，因此多模器件在扰模后的测试值，更符合实际 应用情况。 2.单模跳线BR测试中的Bending：属于微弯曲，单模 纤芯较小，通过Bending可将光路完全隔断。 多模纤芯大得多，从弯曲损耗产生机制(图5)来看，光 纤弯曲半径再小也不能将通过的低阶模完全损耗掉。 3.光纤Bending判定：在跳线组装和Coupler构装时， 我们经常依据1310nm光损耗远小于1550nm来判定光 纤Bending。
光纤的传输特性
光纤的色散 棱镜的色散 图7所示为棱镜的色散，由于棱镜材料对不同波长光的 折射率不同，产生的偏折角度不同，表现为不同波长 的光在空间展开。
图7.棱镜的色散 光纤材料色散 与棱镜色散类似，由于光纤材料对不同波长光的折射 率不同，也会产生色散，只是表现形式不同。
光纤的传输特性
1.619 2.879 (0.65 3 / 2 6 )a V V
我们看到，归一化频率V越大则模场半径ω越小，光能 量被约束得越集中，即导光能力越强。 模场半径对分析单模光纤的连接损耗、微弯曲损耗等 有重要作用。
光纤光学知识总结
光纤光学知识总结1. 引言光纤光学是一门研究光传输和操控的学科，它是现代通信、医学和工业等领域中不可或缺的关键技术。
光纤光学利用光纤作为传输介质，通过光的折射和全反射实现信号传输。
本文将对光纤光学的基本原理、传输性能和应用领域进行总结和介绍。
2. 光纤的基本原理光纤是一种通过内部光的全反射实现光信号传输的介质。
它由一个中心芯和一个外包层组成。
中心芯是光信号传输的主要部分，通常由高折射率的玻璃或塑料材料构成。
外包层则是低折射率的材料，用于包裹和保护中心芯。
光纤通过光的折射和全反射，实现将光信号沿着光纤传输的目的。
3. 光纤的传输性能3.1 传输带宽光纤的传输带宽是指光纤能够传输的最大频率信号的能力。
它受到光纤的材料特性、设计和制造工艺等因素的影响。
高质量的光纤能够支持更高的传输带宽，从而实现更高速率、更大容量的数据传输。
3.2 传输损耗传输损耗是光信号在光纤中传输过程中的能量损失。
它由散射、吸收和弯曲等因素引起。
传输损耗通常以每单位长度的衰减值（dB/km）来表示。
光纤的传输损耗越低，传输距离就越长，信号质量就越好。
3.3 色散色散是指光信号在光纤中传输过程中，不同频率的光信号由于折射率的差异而传播速度不同的现象。
色散会导致光脉冲的展宽和失真，限制了光信号的传输距离和速率。
4. 光纤光学的应用领域4.1 光通信光通信是光纤光学的主要应用之一。
光纤光学的高带宽和低损耗特性使得光纤成为主流的长距离通信传输介质。
光纤通信系统通过调制光信号来传输数据，实现了高速率、大容量的信息传输。
4.2 医学影像光纤光学在医学影像领域有广泛的应用。
通过光纤的灵活性和小尺寸，可以将光信号传输到人体内部，实现光学成像和激光手术等应用。
例如，内窥镜和激光手术器械中都使用了光纤。
4.3 工业检测光纤光学在工业检测领域也具有重要的应用价值。
光纤传感器可以通过测量光的强度、相位和波长等参数，实现对温度、压力、液位等物理量的测量。
光纤传感器具有高精度、抗干扰和耐腐蚀等特点，被广泛应用于工业自动化和安全监测等领域。
光纤光学-1-3公开课获奖课件
2024/10/1
14
角向运动
分析φ分量方程: n dr d d nr d 0
dS dS dS dS
有：
I ＝n r2dφ/dz
＝r0n(r0)sinθz(r0)cosθφ(r0)
I ---- 第二射线不变量
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角向运动特点
• 光线旳角动量：
10
园柱坐标系与光线入射条件
(dr／dS) |r0 ＝sinθz(r0)sinθφ(r0)
z
ez
e
(r dφ／dS)|r0 ＝sinθz(r0)cosθφ(r0)
(dz／dS)|r0 ＝ cosθz(r0)
r
rrˆ
zzˆ
x
r
z
er
r0
r0d
z dz
ds
r0
dr
y
e
er
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2
nr
0 rr1 rl1 rg1
a rg 2 rl 2
rl 3
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r
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约束光线
条件:
n2＜n(r0) cosθz(r0)＜n1
光线存在区域: rg1 < r < rg2
内散焦面半径：rg1 外散焦面半径：rg2
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隧道光线
条件:
n2> n(r0) cosθz(r0)>√n22－(r02/a2)n2(r0)sin2θz(r0)cos2θφ(r0)
r2ω=r2dφ/dt=
Ic/
2n 恒为常数
• 这表白,光线角向运动速度将取决于光线
轨迹到纤轴距离r:在最大旳r处光线转动最
光纤光学基础
同样在纤端由折射定律有：
n0 sin n1 sin
临界角对应的纤端入射角为 0： n0 sin 0 n1 sin 0
2 n0 sin 0 n12 n2
9
0
孔径角0 ：当纤端入射角小于0时，光线在光纤内满足全
反射条件，光线被限制在光纤内传输。 0反映了光纤的集光 能力称之为孔径角。
tg ; 表示单位长度光纤对应的反射次数。 2a
11
S
1 1 cos sin 1
sin
n0 2 n1
1
2
光线在光纤内单位长度传输的路程仅取决于纤端入射角以及 相对折射率n0/n1，与光纤的直径无关。
tg 1 2a 2atg 1 n12 2a 2 2 1 n0 sin
子午面：通过光纤中心轴任意平面都称为子午 面，子午面有无数个。 子午线：位于子午面内的光线，它和光纤的轴 线平行或相交。 子午线传播的特征：子午光线的入射线、反射线 和分界面的法线三者均在同一子午面内 , 分界面 的法线方向即为纤芯的半径。
2a
7
2a
n0 : 光纤周围媒质的折射率 n1：纤芯的折射率 n2：包层的折射率
光纤光学基础
光纤的基本概念 光纤的光学特性 光纤传感原理 物理量的光纤传感原理
1
第1章 光纤传输的基本理论
光纤：光导纤维，它是工作在光波波段的一
种介质波导，通常为圆柱形。
纤芯
包层
缓冲涂覆层
把光波能量利用全反射的原理约束在其界面 内，并引导光波沿光纤轴线前进。
2
光纤的分类：
纤芯直径2a 2 ~ 12μm 单模光纤 n1 n2 纤 - 皮折射率差 n 0.0005 ~ 0.01 1 按传输的模式数量 纤芯直径2a 50 ~ 500μm 多模光纤 n1 n2 纤 皮折射率差 0.01 ~ 0.02 n1
光纤光学第一章
全球海底光缆网络
我国陆地光缆网络
二、光纤到户
1）“最后一公里”成为现代电信网络的瓶颈。 2）光纤到户较比电缆接入具有优势;
光纤到户为无源网络，可靠稳定，维护运营成本低
光接入带宽大、距离长，网络规模大
光纤承载业务种类多（语音、数据、图像、多媒体）
光纤传输支持的协议灵活，数据格式透明
1、了解光纤的发展和新型光纤特性。 2、了解光纤通信技术的发展趋势。
3、了解光纤传感技术的发展趋势。
1、 光纤的发展 多模光纤 单模光纤 保偏光纤 掺杂光纤 塑料光纤 光子晶体光纤
一、聚合物/塑料光纤 POF
塑料光纤与石英光纤：纤芯较粗、柔性好、易安装、 易弯曲、易连接、耦合效率高、价格便宜。 塑料光纤与同缆电缆：抗干扰能力强，无电磁辐射， 保密性好，通信容量大，使用寿命长；
10）1966年，高锟博士（“光纤之父”）发表著名论文
“用于光频率的绝缘纤维表面波导管”。首次明确提出，
通过改进制备工艺，减少原材料杂质，可使石英光纤的
从而使光纤可用于通信之中。 11）1970年，美国的 Coring Glass
损耗大大下降，并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤，
Corporation 采用化
光纤到户实现方式多样（APON、EPON、GPON）
3）2004年4月，武汉电信与烽火公司开通“光纤到 户·数字家庭”应用试点项目，标志我国FTTH网络建设 的起步。
1.4 光纤与传感技术
传感器技术是一种能按一定规律将各种被检测的物理 量转换为便于处理的量（如电、磁等）的器件。
光纤传感器所具有的独特优势：
1）抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。 广泛应用石油化工、矿井、等易燃易爆场合。 2）灵敏度高。 广泛应用光纤化学传感器和光纤生物传感器。 3）重量轻、体积小、可绕曲。 应用于航空航天、雷达等狭小空间场合。 4）便于复用、便于成网。 与光纤通信网构成遥测网和光纤传感网络。
《光纤光学教学课件》第五讲
光纤的构造
1
光心
光纤中心区域，光线从这里一直传输下去。
2
包覆层
保护光心，确保光线能够顺畅传输，同时防止信号损失。
3
护套
外部保护层，起到保护作用。
光纤的特点
高速传输
光纤的传输速度远高于铜线， 这也是光纤比铜线更受欢迎 的原因之一。
小的尺寸
光纤通常非常细，因此它们 可以轻松地安装在难以到达 的地方，例如壁橱或在建筑 结构内部。
应用广泛
光纤的应用不仅限于通信领域，而且已经渗 透到许多其他行业。
光纤的未来
预计随着技术的不断进步，光纤将继续在许 多领域中发挥重要作用。
计算机
光纤技术在计算机网络中扮演着至关重要的角 色，我们将研究它是如何工作的。
医疗
光纤可用于医疗设备，例如内窥镜或手术灯， 以提高精度和效率。
工业
光纤传感器可用于工业自动化和监测管道中流 体的速度和浓度。
总结
技术的进步
光纤技术是现代许多新兴技术的基础。
自然界的启示
光纤的构造和性能灵感来自于自然界中的大 量生物。
《光纤光学教学课件》第 五讲
在这一讲中，我们将深入了解光纤光学的基础概念、构造、特点、分类以及 应用。让我们开始吧！
基础概念
光的折射
让我们从光线的折射开始最基本的定义和构造，为以后的了解 打下坚实基础。
激光的原理
激光在光纤通信中老少皆宜，了解激光原理对 光纤通信的理解很有帮助。
抗电磁干扰
与铜线不同，光纤可以抵抗 电磁干扰，这意味着它们可 以更好地保持信噪比。
光纤的分类
1 多模光纤
在光缆中传输多种光信号，距离较短。
2 单模光纤
只能传输单种光信号，距离更远。
光纤光学教学课件-第二讲
(limited by CD and PMD - see next slides)
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1.465 1.460
2019/10/31 © HUST 2012
r
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光纤的设计与制作
2019/10/31 © HUST 2012
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1、光纤的设计
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。
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forbidden range of angles
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
forbidden range of angles
2019/10/31 © HUST 2012
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波动光学方法：
是一种严格的分析方法，从光波的 本质特性电磁波出发， 通过求解电磁波所遵从的麦克斯韦方程，导出电磁波的场分布。
优点：具有理论上的严谨性，未做任何前提近似，因此适用于 各种折射率分布的单模和多模光纤。 缺点：分析过程较为复杂。
光纤芯径远大于光波波长λ0时, 可以近似认为λ0→0，从而将 光波近似看成由一根一根光线所构成, 因此可采用几何光学方法来分 析光线的入射、传播(轨迹) 以及时延(色散) 和光强分布等特性，这 种分析方法即为光线理论。
优点：简单直观，适合于分析芯径较粗的多模光纤。 缺点：不能解释诸如模式分布、包层模、模式耦合以及光场分 布等现象，分析单模光纤时结果存在很大的误差。
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光纤预制棒工艺：PCVD
(Plasma-Activated Vapore Deposition)
n
n
PCVD 与MCVD 的工艺相似之处是，它们都 是在高纯石英玻璃管管内进行气相沉积和高温 氧化反应。所不同之处是热源和反应机理， PCVD工艺用的热源是微波，其反应机理为微 波加热产生等离子使气体电离。离子重新结合 时释放出的热能熔化反应物形成透明的石英玻 璃沉积薄层。 PCVD方法可以更为准确地控制光纤的折射率 分布。而且沉积效率高, 沉积速度快, 有利于消 除SiO 2 层沉积过程中的微观不均匀性, 从而 大大降低光纤中散射造成的本征损耗, 适合制 备复杂折射率剖面的光纤。
刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
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课程内容与进度安排
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
绪论(2学时) 光纤光学的基本方程 (2学时) 阶跃折射率分布光纤 (6学时) 渐变折射率分布光纤 (4学时) 光纤的特征参数与测试技术 (8学时) 光纤无源及有源器件(8学时) 光纤的连接与耦合 (2学时) 光子晶体光纤 (4学时) 特种光纤与光缆 (2学时) 光纤应用技术 (2学时)
刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
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教学要求
n n
n
n n
先导课程： 物理光学、数学物理方法。 课程要求: 1. 掌握光纤光学基本概念和重要结论 2. 学习分析和解决问题的思路与方法 3. 注重物理内涵而不必拘泥于繁杂的数学运算 授课形式: 1. 课堂讲授 2. 课堂提问与讨论 3. 课堂练习与习题课 考试: 开卷/闭卷相结合. 成绩: 课程考试80%；平时成绩20%(测验、提问).
E-commerce E-government
Video telephone
Network game
Browse/download
Online shopping
FTTH is not only just a broadband access solution but also means to enhance our quality of life!
1985
1990
1995
Year
8
刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
武汉-中国光谷
n n n n n n
光纤通信技术产业 激光技术产业 光纤传感技术产业 光存储技术产业 照明与显示技术产业 IC技术产业
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刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
“光通信的第二个春天”
n
n
n
n
3G的即将启动。运营商暗自布局，为即将到来的 3G运营做准备。 村村通工程的全面铺开也需要大量的光纤光缆及 相关通信用产品。 随着用户对带宽需求的提高,技术的突破和新标准 的确定以及光纤光缆及相关元器件价格的大幅度 下降,FTTH 出现迅速发展的势头。 铜价的迅速飙升进一步加速了“光进铜退”的步伐 和F T T x接入的浪潮汹涌。
I/O rates = optical wavelength capacity
10 Gb/s
10 10 10
3 140Mb/s
565Mb/s
Gbit Ethernet Fast Ethernet
T3 STM1
STM16 Ethernet STM4
2
1
Ethernet
E1
Transport capacity Ethernet Standards Internet backbone 2000
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刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
拉丝工艺
n
n n
n
n
预制棒被电加热炉加热到 1850~ 2000 °C 进行拉丝 同时检测光纤的直径和控制拉丝 速度 光纤外径(125mm) 进行涂敷 (250mm)，材料为丙烯酸酯。 制成的光纤缠绕在直径为20cm 左右的转盘上。
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刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
In house
VoIP
2 layer VDSL modem
ONU
VDSL
VLAN Advance Controll IGMP
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刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
三网合一: 高质量生活
Tele-medicine HDTV
Video conference
Tele-education
Online library household
h
刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
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光纤通信系统的发展
n
76年，美国在亚特兰大开通了世界上第一个实用化光纤通 信系统。码率为45Mb/s，中继距离为10km。80年，多 模光纤通信系统商用化（140Mb/s），并着手单模光纤 通信系统的现场试验工作。 90年，单模光纤通信系统进入商用化阶段 （565Mb/s），并着手进行零色散位移光纤和波分复用 及相干通信的现场试验，而且陆续制定同步数字体系 （SDH）的技术标准。 93年，SDH产品开始商用化（622Mb/s 以下）。 95年，2.5Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 96年，10Gb/s 的SDH产品进入商用化阶段。 97年，采用波分复用技术（WDM）的20Gb/s 和 40Gb/s 的SDH产品试验取得重大突破。 此外，在光孤子通信、超长波长通信和相干光通信方面也 正在取得巨大进展。 刘德明：光纤光学
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刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
“光纤之父”----高锟博士
n
n
1966年：高锟博士发表他的著名论文“光频介 质纤维表面波导”首次明确提出,通过改进制备 工艺,减少原材料杂质 , 可使石英光纤的损耗大 大下降 , 并有可能拉制出损耗低于20dB/km的 光纤,从而使光纤可用于通信之中。 1970年,康宁玻璃公司率先研制成功损耗为 20dB/km的石英光纤,取得了重要的技术突 破。
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刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
光纤通信系统基本结构
光发送 端机
光中继 放大
光接收 端机
电发送 端机
电发送 端机
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刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
光纤通信：21世纪的“信息高速公 路”
以光信号作为载波，以光纤为传输媒介 h 光纤带宽极宽、通信容量极大 h 光纤重量轻、韧性好、易于敷设 h 光纤损耗极低, 使无中继通信距离更长 h 保密性好、绝缘性好 h 抗干扰、抗辐射、抗腐蚀 h 成本低、节约金属线材
光纤光学
刘德明
光电子科学与工程学院 Tel. 87556188 Email: dmliu@
刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
1
“导光”的古老历 史
l中国古代烽火台 l1854年：英国的廷达尔(Tyndall)就观察 到光在水与空气分界面上作全反射以致 光随水流而弯曲的现象 l1929-1930年：美国的哈纳尔(Hanael) 和德国的拉姆(Lamm)先后拉制出石英光 纤并用于光线和图象的短距离传输
刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
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FTTH光纤到户
Government
Personal User
VoIP IP TV …
10/100/1000 Base-T/SX/LX
UNI
CATV DTV HDTV
ONU Fiber
PON
IP Network
Dist.
In house
OLT
19 layer VDSL modem
7
光电子科学与工程学院
2000: “光通信的第一个春天”
System capacity (Mbps)
10 10 10
6 STM64, 32l STM64, 16l STM64, 8l
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Important Threshold!
1.7Gb/s STM16
STM64, 4l STM64, 2l
STM64c
12 刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
光纤技术的应用领域
光纤技术
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
有源无源器件 光纤通信干线 光交换接入网 AON DWDM OADM OTDM FTTC,B,O,H
光纤光学的发展
n n
n
n
光纤光学已经愈来愈成为光学与光电子学科领域 的一门重要的基础课程。 光纤在通信、传感、信息处理以及在工业和医疗 等领域的获得广泛 新型光纤的不断涌现，例如色散位移光纤、色散 平坦光纤、色散补偿光纤、全波光纤、双包层光 纤以及光子晶体光纤等。 多种光纤光学器件得以发展，例如自聚焦透镜、 光纤耦合器、光纤光栅、光纤起偏器、光纤退偏 器、光纤调制器、光纤激光器、光纤放大器、光 纤衰减器、光纤隔离器与环行器、光纤色散补偿 器以及各种光纤传感器等等。
22 刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
光纤预制棒工艺：VAD
(Vapour-Phase Axial Deposition) VAD（轴向气相沉积法）是由 日本开发出来的, 其工作原理 与OVD 相同, 不同之处预制棒 的生长方向是由下向上垂直轴 向生长的。VAD 的重要特点 是可以连续生产, 适合制造大 型预制棒, 从而可以拉制较长 的连续光纤。
3
刘德明：光纤光学 光电子科学与工程学院
爆炸性发展
n
n
自一九七０年以后，世界各发达国家对光纤通信的研究倾 注了大量的人力与物力，其来势之凶，规模之大、速度之 快远远超出了人们的意料之外，从而使光纤通信技术取得 了极其惊人的进展。 从光纤的衰耗看： 七O年：20dB/km 七二年： 4 dB/km 七四年：1.1dB/km 七六年：0.5dB/km 七九年：0.2dB/km 九O年：0.14dB/km 光纤的损耗已由1000dB/km下降到已经接近石英光纤的 理论衰耗极限值0.1dB/km。 致使光纤通信在世界范围内 形成了一个充满活力的新兴产业。