光纤光学-1-3PPT
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光纤光学
光纤坚硬而又弯曲灵活，强度极大；光学性质：取决于结构和 成分，最明显的就是损耗或信号衰减特性等。光纤是绝缘体， 它不能直接传输电信号和能量。
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。
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。
光纤光学课件第一章
光纤光学第一章课件 ppt 转 word---陆众 制
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。
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。
物理光纤光学课件
理论——耦合模理论
基本思想：相耦合的两波导中的场, 各自保持了该波导独立 存在时的场分布和传输系数, 耦合的影响表现在场的复数振 幅的沿途变化。设两波导中的复数振幅为A1和A2。由于耦合作 用, 它们沿长度方向变化。
dA1 (z) dz
i(1
C11 ) A1
iC12 A2
dA2
(
Z
)
dz
i(2
•Light of the specified wavelength traveling along the fiber is
reflected from the grating back in the direction from which it came.
•Wavelengths which are not selected are passed through with little
制作工艺：熔锥型、磨抛型
熔锥型器件（强耦合模激励理论），使两光纤芯靠近，使 传播场向外扩展，以便在相当短的锥体颈部区域出现有效 的功率耦合。在耦合器中功率耦合最有效区域（颈部区域） 内的模式基本上是包层模，传播场脱离纤芯，这时场是在 包层和外部媒体（空气或其他适合的填料）所形成的新波 导中传播。
磨抛型器件（弱耦合理论），利用光学冷加工（机械抛磨） 除去光纤的部分包层，使光纤波导能相互靠近，以形成瞬 逝场相互渗透。利用微调装置改变两光纤的相对位置可以 改变耦合器的耦合率。
•the most important aspect is that the effect is asymmetric.
•materials : YIG (YttriumIron-Garnet)
2. Polarisation Independent Isolator
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。
chapter光纤光学ppt课件
Pin(dBm)=10log10[Pin(mW)/1mW] =10log10[200×10-3mW/1mW]=-7dBm
在z=30km时的输出功率（用dBm表示） Pout(dBm)=Pin(dBm)-αz
=-7dBm-0.8dB/km×30km =-31dBm
Pout=10-31/10(mW)=0.79×10-3mW=0.79uW
整理ppt
35
2.群延时
延时差：
d( 1 )
g
Vg d
色散系数
整理ppt
36
3.色散系数
引进色散系数D，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔
产生的时延差：Dd dgd d V 1 g 2 2c2 cd d2n 2
群速率色散参数β2
()n()c01012202...
mdd mm0
(dB /km )1 z0log10[P P ((0 z))]4.343 p
整理ppt
5
dB=10log10(PA/PB)是功率增益的单位，是一个相对值。 例如：PA的功率比PB的功率大一倍，那么
10log10(PA/PB)=10log10(2)=3dB
为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为光功率 的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW的功率。
=10log10[PA(mW)/PB(mW)] 例1：如果PA的功率为46dBm，PB的功率为40dBm,则PA比PB大 6dB。
46dBm-40dBm=6dB
10log10[PA/PB]=6 PA/PB=100.6=3.98≈4
整理ppt
7
例2：设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为 0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为200uW的光信号，求 其输出功率Pout。 解：首先将输入功率的单位转换成dBm。
在z=30km时的输出功率（用dBm表示） Pout(dBm)=Pin(dBm)-αz
=-7dBm-0.8dB/km×30km =-31dBm
Pout=10-31/10(mW)=0.79×10-3mW=0.79uW
整理ppt
35
2.群延时
延时差：
d( 1 )
g
Vg d
色散系数
整理ppt
36
3.色散系数
引进色散系数D，指的是光信号在单位轴向距离上、单位波长间隔
产生的时延差：Dd dgd d V 1 g 2 2c2 cd d2n 2
群速率色散参数β2
()n()c01012202...
mdd mm0
(dB /km )1 z0log10[P P ((0 z))]4.343 p
整理ppt
5
dB=10log10(PA/PB)是功率增益的单位，是一个相对值。 例如：PA的功率比PB的功率大一倍，那么
10log10(PA/PB)=10log10(2)=3dB
为了方便计算光纤链路中的光功率，通常将dBm作为光功率 的运算单位，这个单位的含义是相对于1mW的功率。
=10log10[PA(mW)/PB(mW)] 例1：如果PA的功率为46dBm，PB的功率为40dBm,则PA比PB大 6dB。
46dBm-40dBm=6dB
10log10[PA/PB]=6 PA/PB=100.6=3.98≈4
整理ppt
7
例2：设想一根30km长的光纤，在波长1300nm处的衰减为 0.8dB/km，如果我们从一端注入功率为200uW的光信号，求 其输出功率Pout。 解：首先将输入功率的单位转换成dBm。
光纤基础知识PPT演示课件
62.5/50m
8～10m
1.0m
125m2m
2%
245m10m
15m
2m
•16
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
• 模场直径 • 衰减系数 • 色散系数 • 截止波长 • 弯曲损耗 • 偏振模色散
•17
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
模场直径：
高斯分布的单模光纤， 模场直径是光场幅度 分布1/e处各点所围成 圆的直径，也等于光 功率分布1/e2处各点 所围成圆的直径。
一部分入射光将被反射
一部分入射光将进入第二种媒质，并产生折射
1 2
媒质1 折射率n1
媒质2 折射率n2
1=2
媒质1
1
折射率n1
2
媒质2
折射率n2
n1·Sin1=n2·Sin2
•3
折射率 n＝光在真空中的传播速度/光在该媒质中的传播速度
媒质 真空 空气 水 多模光纤 单模光纤 玻璃 钻石
折射率 1.0 1.0003 1.33 1.457 1.471 1.5~1.9 2.42
1
4
4
3
1 非色散位移光纤 2 色散位移光纤 3 色散平坦光纤 4 非零色散位移光纤
2
0 1200
1400 1500 1600 1700 1800 nm
-4
-8
波长(nm)
•22
光纤：参数
光纤的光学及传输特性参数
截止波长：
光纤作为单模光纤工作的最短波长。工作 波长超过此波长时，只能传输基模，此时光纤 为单模光纤；工作波长低于此波长时，除基模 外，高次模也可传输，此时光纤为多模光纤。
如：Corning的Submarine Leaf光纤 Lucent的TrueWave XL光纤
光纤光学1-3
2012年3月4日
7
模式命名
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; (2)横电模(TE): Ez＝0, Hz≠0; (3)横磁模(TM): Ez≠0,Hz＝0; (4)混杂模(HE或EH):Ez≠0, Hz≠0。 光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时也 出现TE(TM)模。
2012年3月4日
8
课堂测验(1) 课堂测验(1)
设计一种光波导结构，其传光波导层为平板形 状，标出折射率结构。 从数学上证明，在均匀折射率介质中，光纤轨 迹为直线传播。 如果已经知道光纤中只允许1个模式存在，能 否通过外界激励获得2个模式传播？
2012年3月4日
9
2012年3月4日 6
模式的场分量
模式场分布由六个场分量唯一决定： Ex Ey Ez H x H y H z Er Eφ Ez H r H φ H z 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。
令场分量为：
得到关于E(x,y,z)和H(x,y,z)的方程式，即 亥姆霍兹方程：
2012年3月4日
3
分离变量： 分离变量：空间坐标纵横分离：
前提条件：光纤中传播的电磁波是“行波”，场分布 沿轴向只有相位变化，没有幅度变化； 得到关于E(x,y)和H(x,y)的方程式：波导场方程 波导场方程
r r 2 E ( x, y ) 2 E ( x, y ) ∇t r +χ r =0 H ( x, y ) H ( x, y )
20一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 模式是波导结构的固有电磁共振属性的 表征。 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。
光纤光学基础
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
2a
1
n02
n12 sin
2
1
光线在光纤内单位长度内全反射的次数不仅取决于纤端入射
角以及相对折射率n0/n1，且与光纤的成直径反比。
12
2.斜光线的传播
斜光线：不在子午面内的光线，它与光纤的轴线
既不平行也不相交，其空间轨迹为空间螺旋折线
。它可以是左旋，也可以是右旋，但它与光纤的
中心轴是等距的。
斜光线在光纤内传输的条件：
o
0
P K
由折射定律有：
sin
0
n2 n1
Q
o
T
13
MH
由：sin cos sin
可得：
cos sin 0
1
n2 n1
2
同样在纤端由折射定律有： n0 sin n1 sin
之下降。实验表明，当R/a<50, 透光量开始下降；
R/a20，明显下降。
18
4.光纤端面的倾斜效应
19
光纤光学特性
光纤色散 光纤偏振与双折射 光纤损耗
光纤损耗
10 lg( Pi ) dB / km
L Po
21
由于：sin 1;
a 1 R
故有：S0 S子
光纤弯曲时，光线在光纤内单位长度的传输的路程小于 子午线时的情形。
17
单位光纤长度的反射点数：
0
1
1 a
子
光纤弯曲时，光线在光纤内单位长度的反射点数小 于子午线时的情形。
结论：光线弯曲时，比起不弯曲时其数值孔径、
光纤光学教学课件-第四讲
2019/12/2 © HUST 2012
2019/12/2
N A B 1 B L
2019/12/2
物理意义
• 反映光纤接收光的能力，NA越大，光纤收集光的 能力增大，增加了光源与光纤的耦合效率。应注 意，光纤的数值孔径只决定于光纤的折射率，而 与光纤的几何尺寸无关，这一点和普通的光学系 统有所不同。
• 增大NA，对于提高光纤耦合效率有利。但是却使
Hale Waihona Puke 2019/12/23.1 几何光学方法分析
几个基本概念： 1、什么是子午平面？
与纤轴相交且与纤壁垂直的平面。
2、什么是子午光线？
在子午平面上传输的光线。
z
偏斜光线：与纤轴既不相交又不限 于单一平面之内的光线。
2019/12/2 © HUST 2012
2019/12/2
子午的全反射条件：
cos z
第三章 阶跃折射率分布光纤
2019/12/2 © HUST 2012
2019/12/2
阶跃折射率分布光纤（SIOF）
折射率分布表达式：
n1 (0≤r≤a) （纤芯中） n( r ) =
n2 ( r >a) （包层中）
分析方法：几何光学方法分析、波动光学分析方法
2019/12/2 © HUST 2012
临界角: zcarccno2/sn1()
2019/12/2 © HUST 2012
2019/12/2
2019/12/2 © HUST 2012
2019/12/2
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
N A n isiin m n 1 2 n 2 2n 1 2
《光纤光学知识》幻灯片
• 光纤根据它们传输光线的方式不同，可以分成两大类， 一类是由均匀透明介质构成的，光线使光纤内部通过 外表的全反射和直线传播进展传输，称为全反射光纤 或阶梯型光纤。另一类光纤由非均匀介质构成，中心 折射率高，边缘折射率低，光线在光纤内部沿着曲线 传播，称为梯度折射率光纤，这两类光纤传播光线的 方式不同，应用的范围也不同，本章将分别介绍它们 的工作原理和应用。
(a)
• 位在子午面外的光线每经过一次反射都将扩散
• ，因此最后射出光纤时将形成一个锥面，如图
• 11-5(a)所示。如果入射光是一束斜入射的光线，
• 出射光束如图11-5(b)所示。
(b)
• 光通过光纤的光能损失，可以分成两局部，一
图11-
• 局部是入射端面和出射端面上的反射损失，它的计算和一般5 透镜外表的反
《光纤光学知识》幻灯片
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• 用来传递光能的单根光纤或光纤束，统称为光纤光学 元件。它早在本拙纪50年代就开场出现，目前巳影减 一系列实用化的光纤光学仪器，它们能够完成很多传 统光学仪所无法完成的任务。其中应用最广的是医学 私工业上广泛使用的各种内窥镜。近年来，一种新的 梯度折射率光纤，在通讯系统中得到了迅速的开展， 它正在使整个通讯系统发生一次革命，由于光纤的应 用日益扩大，因此对光纤的研究也不断深入。
•〔11-1〕N An2n'2 •对位在空气中的单质光纤，可以看作是n‘=l的外包光纤，将n’=l代入 NA公式，得到单质光纤的数值孔径N公A式n21 〔11-2〕
(a)
• 位在子午面外的光线每经过一次反射都将扩散
• ，因此最后射出光纤时将形成一个锥面，如图
• 11-5(a)所示。如果入射光是一束斜入射的光线，
• 出射光束如图11-5(b)所示。
(b)
• 光通过光纤的光能损失，可以分成两局部，一
图11-
• 局部是入射端面和出射端面上的反射损失，它的计算和一般5 透镜外表的反
《光纤光学知识》幻灯片
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• 用来传递光能的单根光纤或光纤束，统称为光纤光学 元件。它早在本拙纪50年代就开场出现，目前巳影减 一系列实用化的光纤光学仪器，它们能够完成很多传 统光学仪所无法完成的任务。其中应用最广的是医学 私工业上广泛使用的各种内窥镜。近年来，一种新的 梯度折射率光纤，在通讯系统中得到了迅速的开展， 它正在使整个通讯系统发生一次革命，由于光纤的应 用日益扩大，因此对光纤的研究也不断深入。
•〔11-1〕N An2n'2 •对位在空气中的单质光纤，可以看作是n‘=l的外包光纤，将n’=l代入 NA公式，得到单质光纤的数值孔径N公A式n21 〔11-2〕
光纤光学讲义三PPT课件
光放大器
放大光信号，提高传输距离和可靠性。
半导体光放大器（SOA）和掺铒光纤放大器（EDFA）
SOA通常用于信号处理和逻辑门，EDFA则广泛应用于长距离通信。
光纤通信系统的性能指标
带宽与色散
带宽决定了传输速率，色散则 影响信号质量。
损耗与增益
光纤的损耗和增益对系统性能 有重要影响。
噪声与信噪比
噪声会影响信号质量，信噪比 则是衡量信号质量的重要参数 。
塑料光纤
由塑料材料制成，具有成本低、柔软 易弯曲的特性，通常用于短距离照明 、显示等领域。
光纤的损耗与色散特性
损耗特性
光纤传输光信号时会因为吸收、散射等原因产生能量损耗。石英光纤的损耗较 低，而塑料光纤的损耗较高。
色散特性
光信号在光纤中传输时会产生时延，导致信号畸变。石英光纤的色散较小，适 用于长距离通信；而塑料光纤的色散较大，适用于短距离应用。
05
光纤光学的未来发展
光子晶体光纤与光子束纤维
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其纤芯由光子晶体构成。由于其具有高非线性、低损耗、易于制作 等优点，因此在光通信、光学传感、激光器等领域具有广泛的应用前景。
光子束纤维
光子束纤维是一种能够传输高功率光束的特种光纤。它具有高强度、高光束质量、高稳定性等优点， 因此在激光武器、激光雷达、高能物理等领域具有重要的应用价值。
光纤互联网
利用光纤传输技术，实现全球范围内的互联互通，提供高速 、稳定的网络服务。
光纤物联网
通过光纤网络连接各种物联网设备，实现智能化、远程控制 等功能。
光纤传感技术及其应用
光纤传感原理
利用光纤的传光特性，感知外界物理 量（如温度、压力、位移等）的变化。
放大光信号，提高传输距离和可靠性。
半导体光放大器（SOA）和掺铒光纤放大器（EDFA）
SOA通常用于信号处理和逻辑门，EDFA则广泛应用于长距离通信。
光纤通信系统的性能指标
带宽与色散
带宽决定了传输速率，色散则 影响信号质量。
损耗与增益
光纤的损耗和增益对系统性能 有重要影响。
噪声与信噪比
噪声会影响信号质量，信噪比 则是衡量信号质量的重要参数 。
塑料光纤
由塑料材料制成，具有成本低、柔软 易弯曲的特性，通常用于短距离照明 、显示等领域。
光纤的损耗与色散特性
损耗特性
光纤传输光信号时会因为吸收、散射等原因产生能量损耗。石英光纤的损耗较 低，而塑料光纤的损耗较高。
色散特性
光信号在光纤中传输时会产生时延，导致信号畸变。石英光纤的色散较小，适 用于长距离通信；而塑料光纤的色散较大，适用于短距离应用。
05
光纤光学的未来发展
光子晶体光纤与光子束纤维
光子晶体光纤
光子晶体光纤是一种新型的光纤，其纤芯由光子晶体构成。由于其具有高非线性、低损耗、易于制作 等优点，因此在光通信、光学传感、激光器等领域具有广泛的应用前景。
光子束纤维
光子束纤维是一种能够传输高功率光束的特种光纤。它具有高强度、高光束质量、高稳定性等优点， 因此在激光武器、激光雷达、高能物理等领域具有重要的应用价值。
光纤互联网
利用光纤传输技术，实现全球范围内的互联互通，提供高速 、稳定的网络服务。
光纤物联网
通过光纤网络连接各种物联网设备，实现智能化、远程控制 等功能。
光纤传感技术及其应用
光纤传感原理
利用光纤的传光特性，感知外界物理 量（如温度、压力、位移等）的变化。
光纤光学-1-3公开课获奖课件
• GIOF带宽敞于SIOF!
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
2024/10/1
15
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
2024/10/1
2
nr
0 rr1 rl1 rg1
a rg 2 rl 2
rl 3
2024/10/1
r
20
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
2024/10/1
21
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
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
2024/10/1
15
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
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zzˆ
x
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er
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r0d
z dz
ds
r0
dr
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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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21
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
《光纤光学教学课件》第二讲.ppt
Constructive interference
Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap device Total reflection for Δ centred around
2021/3/11 © HUST 2012
2021/3/11
Bandgap Guiding Fiber Cartoon picture of light guidance in BGF
2021/3/11 © HUST 2012
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
2021/3/11
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
2021/3/11 © HUST 2012
2021/3/11
c.光纤器件所涉及到的方面：
①自聚焦透镜； ② 光纤耦合器； ③ 光学隔离器、光学环形器； ④ 光纤光栅； ⑤ 光纤放大器与光纤激光器。
2021/3/11 © HUST 2012
2021/3/11
光纤光学的研究方法
几何光学方法：
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。
⑤ 光信号的畸变；
⑥ 传输损耗；
⑦ 模式的偏振特性；
⑧ 模式的耦合。
2021/3/11
© HUST 2012
2021/3/11
Multi-stack mirror is 1D photonic bandgap device Total reflection for Δ centred around
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2021/3/11
Bandgap Guiding Fiber Cartoon picture of light guidance in BGF
2021/3/11 © HUST 2012
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
2021/3/11
Cartoon picture of light guidance in BGF
forbidden range of angles
2021/3/11 © HUST 2012
2021/3/11
c.光纤器件所涉及到的方面：
①自聚焦透镜； ② 光纤耦合器； ③ 光学隔离器、光学环形器； ④ 光纤光栅； ⑤ 光纤放大器与光纤激光器。
2021/3/11 © HUST 2012
2021/3/11
光纤光学的研究方法
几何光学方法：
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。
⑤ 光信号的畸变；
⑥ 传输损耗；
⑦ 模式的偏振特性；
⑧ 模式的耦合。
2021/3/11
© HUST 2012
2021/3/11
光纤光学-第三章概要
波导场方程
第3页
《光纤光学》第Βιβλιοθήκη 章阶跃折射率分布光纤Ｏ
θz 纤壁入射角 n1 n2
n0 sin c n1Sin c
2 n12 n2
ψ
θz 线轴角 Ｏ’
端面入射角
n0
• 通常将 称之为孔径角，它表示光纤集光能力的大小。工 c 程上还用数值孔径来表示这种性质，记作 N.A. 定义为
《光纤光学》第三章 传输容量限制
阶跃折射率分布光纤
返回框图
n1 1 Ln12 T 1 L c sin c cn2 •色散导致的传输光脉冲展宽
1 n2 c T BL 2 B n1
1/B
色散对光纤所能 传输的最大比特 率B的影响可利 用相邻脉冲间不 产生重叠的原则 来确定，即
最大 时延差
子午光线
数值 孔径
入射媒质折射率 与最大入射角的 正弦值之积，只 与折射率有关， 与几何尺寸无关
相对折 射率差
(n n ) / 2n
2 1 2 2 2 1
2 NA ni sin im n12 n2 n1 2
第5页
《光纤光学》第三章 模间色散
阶跃折射率分布光纤
波导方程 边界条件
t2 k 2 2 e 0 t2 k 2 2 h 0
第13页
场的通解 边界条件
特征方程
传输常数
模场分布 场的解
《光纤光学》第三章
阶跃折射率分布光纤 §3.2 阶跃光纤场解
E i H H i E
1 T B
L
T
例如：
第8页
n1 1.5
2 103
《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。
光缆教学课件汇总ppt
2.3.2
光纤的光学特性
2．最大理论数值孔径（NAmax）
最大理论数值孔径的定义为：
Nm Aax(n12n2 2)1/2
其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心 的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。
19
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
13
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
1.1.2
光纤的分类
4．单模光纤的分类
（4）G.654光纤
G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口
光纤的分类
4．单模光纤的分类
（1） G.651光纤 ：多模渐变型光纤，中小容量、中短距离。 （2）G.652光纤
G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色 散为零的波长）在1 310nm附近的光纤。
（3）G.653光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1
550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所 以叫色散位移光纤。
7
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
1.1.2
光纤的分类
1．按传输模数分类
传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何 尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播 模式进行传播。
光纤的光学特性
2．最大理论数值孔径（NAmax）
最大理论数值孔径的定义为：
Nm Aax(n12n2 2)1/2
其中，n1为阶跃光纤均匀纤芯的折射率（梯度光纤为纤芯中心 的最大折射率），n2为均匀包层的折射率。
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寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
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寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
1.1.2
光纤的分类
4．单模光纤的分类
（4）G.654光纤
G.654光纤是截止波长移位的单模光纤。其设计重点是降低1 550nm的衰减，其零色散点仍然在1 310nm附近，因而1 550nm窗口
光纤的分类
4．单模光纤的分类
（1） G.651光纤 ：多模渐变型光纤，中小容量、中短距离。 （2）G.652光纤
G.652光纤，也称标准单模光纤（SMF），是指色散零点（即色 散为零的波长）在1 310nm附近的光纤。
（3）G.653光纤 G.653光纤也称色散位移光纤（DSF），是指色散零点在1
550nm附近的光纤，它相对于G.652光纤，色散零点发生了移动，所 以叫色散位移光纤。
7
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
1.1.2
光纤的分类
1．按传输模数分类
传播模式概念：当光在光纤中传播时，如果光纤纤芯的几何 尺寸远大于光波波长时，光在光纤中会以几十种乃至几百种传播 模式进行传播。
光纤光学第三章PPT课件
子 cos
第14页/共95页
斜光线绕光纤轴线成螺旋形传播。 斜光线是三维空间光线，而子午光线只在二维平面内传播。
第15页/共95页
3.2.4 变折射率光纤的光线理论 见光纤光学（刘德明，向清，黄德修）P9面
程函方程/光线方程：
d ds
n(r)
dr ds
n(r)
若媒介是各向同性而又均匀，有
n dr const ds
当m不等0时当m1时得到混合模eh1n和he1n模的截止条件为jua0其第一个根对应u0也就是说它所对应的模在任何条件下都不会截止这个模为最低阶模称为基模he11在单模波导中导波模只有基模其余展开分量全部转变成耦合损失所以为减小耦合损失应尽量使入射光束的形状与波导基模的形状相同
参考文献： [1] 廖延彪.光纤光学，清华大学出版社，2000，3 [2] 刘德明，向清，黄德修.光纤光学，国防工业出版社，1999 [3] 马军山.光纤通信技术，人民邮电出版社，2004
第24页/共95页
分析思路
第25页/共95页
1、光纤介质的特性
响应的局部性 各向同性 线性 均匀 无损
第26页/共95页
2、光纤中麦克斯韦方程组
玻璃光纤中传导电流J =0，电导率σ=0 ；无自由电荷ρ =0，所以光纤中麦克斯韦方程 组微分形式为：
E B t H D t •D 0 •B 0
s in 2
0
r0 r
2
1 2
自聚焦透镜的折射率服从平方率分布规律：
n2 (r) n2(0)(1 Ar2)
z
z0
n(r0 ) cosz (r0 )
n(0) A
sin1
n(0) Ar
n2 (0) n2 (r0 ) cos2 z (r0 )
1-3 光纤导光原理(1-2)
模场直径 d
由于单模光纤没有明确的边界，纤芯之 外有相当大的光场存在，故不能象多模光 纤一样用纤芯表示横截面的导光范围，只 能用模场直径 d 表示。它表示了单模光纤 的基模能量集中的程度。CCITT规定，单模 光纤1.31μ m处的模场直径应在9～10μ m, 偏差不应超过±10%。
模场直径表示单模光纤的基模能量集 中的程度。 基模在纤芯区域轴心线处光强最大， 并随着偏离轴心线的距离增大而逐渐 减弱，一般将模场直径定义为光强降 低到轴心线处最大光强的1/e的各点中 两点最大距离。
波导的模式
电磁波的传播遵从麦克斯维尔方程，而在光纤中传播的电 磁场，还满足光纤这一传输介质的边界条件。因此根据由 光纤结构决定的光纤的边界条件，可求出光纤中可能传播 的模式 麦克斯韦方程的一个解即对应一个模式，对应着电磁场在 光纤中的一种分布形式。 模式：物理上理解就是一种基本场分布,数学上就是一个 基本解.
2 NA(r ) n0 (r ) sin i max (r ) n 2 (r ) n2
r
rip
n(r)
z(r)
nz1 cos z1 nz 2 cos z 2 nz 3 cos z 3 ....
渐变光纤的导光原理示意图
为了分析渐变型光纤中光的传播，将纤芯划分成若干同 轴的薄层 ，假设各层内折射率均匀分布，而每层折射率 从里到外逐渐减小，即有 n11＞ n12＞n13＞ n14 ＞…。 若光以一定的入射角从轴心处第一层射向与第二层的交 界面时，由于是从光密介质射向光疏介质，折射接角大 于入射角，光线将折射进第二层射向与第三层的交界面， 并再次发生折射进入第三层，依次第推，由于光线都是 从光密介质射向光疏介质，入射角将随折射次数增大。
主要内容
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11.06.2020
6
SIOF中光线的传播: 倾斜光线
• 光线轨迹： (螺旋折线)
内散焦面半径：
cosi sinz sin ric acos
•
数值孔径： (大于子午光线)
NS ANA /sin
•
最大时延差： (大于子午光线)
s
n12
n1
2
NA S
1
n1
c
11.06.2020
7
11.06.2020
11.06.2020
1
1.3 光线理论
• 光线分类 • 光线轨迹：子午光线 • 光线轨迹：倾斜光线
11.06.2020
2
光线分类
• 子午光线：
– 限制在子午平面内传播的光线 – 与光轴相交
• 倾斜光线：
– 轨迹曲线不限制在一个平面内 – 不过光轴
11.06.2020
3
子午平面
z
11.06.2020
8
GIOF中光线的传播:子午光线
–渐变折射率分布： n (r) n 112 (r/a)g1/2 n 2
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园心的直线，但一般不与纤壁相交。
–广义折射定律: n(r)cosz(r)（ n 常数）
–局部数值孔径: 定义局部数值孔径NA(r)为入射点媒质折射率 与该点最大入射角的正弦值之积,即
4
SIOF中光线的传播:子午光线
–折射率分布: n(r) n n21
0ra ra
–光线轨迹: 限制在子午平面内传播的锯齿形折线。 光纤端面投影线是过园心交于纤壁的直线。
–导光条件: –临界角:
nisini n12nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
zcarccno2/sn1()
i
n2 n1
–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
N (r)A n 0 (r)siim n (r a ) x n 2 (r) n 2 2
–外散焦面: 光线转折点(rip)的集合
–导光条件:
n2 nn1
11.06.2020
9
• 射G线I方O程F中光线d(n 的dr 传)播n:(r倾) 斜光线
dSdS
• 分量方程 轴向分量：
角向分量：
径向分量：
d n dz 0 dS dS
(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
11.06.2020
11
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)
N A n isiin m n 1 2 n 2 2n 1 2
–相对折射率差:(n12 n22)/2n12 –最大时延差： •n1/c
11.06.2020
5
SIOF的传输容量
• 传输容量: 时延差的倒数 • 多模光纤: n1=1.5, ∆=1%, ∆ =50 ns/km
传输带宽: 1/ ∆ = 20 MHz·km 结论1: 多模光纤通信容量并不高! • 由一点发出的光线不能会聚在另一点: 结论2:多模光纤不适合于传输图像!
n
2 1
2
ng
n
2 l
n
2 2
n2(r) n2(r)-I2 /r2 n2(a)- I2 /r2
2
nr
0 rr1 rl1 rg 1
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a
rg 2 rl 2
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)
• GIOF带宽大于SIOF!
11.06.2020
14
角向运动
分析φ分量方程: ndrddnrd0
dSdSdS dS
有：
I ＝n r2dφ/dz
r
a rip
ric
z1
z2
z
11.06.2020
18
光线分类判据
判据:
11.06.2020
n2(dr/dz)2＝g(r)
g ( r ) n 2 ( r ) I 2 /r 2 n 2
当g(r)≥0时,光线存在; 当g(r)＜0时,为光线禁区； 当g(r) = 0时,为内外散焦面。
19
g ( r ) n 2 ( r ) I 2 /r 2 n 2
n ---- 第一射线不变量
11.06.2020
12
轴向运动： 广义折射率定理
r
rip
n(r)
z(r)
n z 1 co z 1 s n z 2 co z 2 s n z 3 co z 3 s .. C .. onst
11.06.2020
13
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
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径向运动
分析 r 分量方程: dndrnrd2d(nr)
dS dS dS dr
导出： n 2(dr/dz)2＝g(r)
2
g(r)n2(r)n2
I r2
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径向运动特点
• 对于相同r值,dr/dz可正可负,且在z1和z2处 分别达到最大和最小(dr/dz＝0),因此,r－z 关系曲线关于z1和z2对称并呈周期性振荡
ndrddnrd0
dSdSdS dS
dndrnrd2d(nr)
dS dS dS dr
上述推导中应用了关系式: der/d=e ; der/d=-er
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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)
复习与思考
1. 一根空心玻璃管能否传光？为什么？ 2. 光纤纤芯变粗时，允许存在的模式数目如何变化？ 3. 光纤中传播的光波有何特征？ 4. 推导波导场方程经历了哪几种分离变量？ 5. 本征方程有什么特点？ 6. 模式是什么？ 7. 如何唯一确定一个模式？ 8. 由射线方程推导光线轨迹，只需要知道什么？ 9. 渐变折射率分布光纤中光线如何传播？为什么？
＝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
• 这表明,光线角向运动速度将取决于光线
轨迹到纤轴距离r:在最大的r处光线转动最
慢;在最小的r处光线转动最快。
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