光纤光学_复习课件
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《光纤光学教学课件》第三讲
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。
14.11.2020
.
2
© HUST 2012
14.11.2020
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。
2 (x ,y ,z) k2 (x ,y ,z) 0
ke /V p2/n0k
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12 14.11.2020
2.2 程函方程与射线方程
一、程函方程：光程函数方程
设上述的标量场方程的解有如下形式： 0 ( x, y, z)eik0Q( x, y,z)
Q(x,y,z) 是光程函数，代入亥姆赫兹方程得：
由 Q2 n2
.
n
14 14.11.2020
单位矢量相等：
u ndr Q
n ds
又有：
d dxi dr•
ds i dsxi ds
对式 Q2 n2 ，求导数得：
2 Q Q 2 n n
nddrsQnn
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© HUST 2012
15 14.11.2020
nd Qnn
ds ddsnddrsn
光线方程
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.
© HUST 2012
16 14.11.2020
光线方程的物理意义：
当光线与z 轴夹角很小时，有：
物理意义：
ddznddrznr
• 将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来;
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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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。
2 (x ,y ,z) k2 (x ,y ,z) 0
ke /V p2/n0k
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2.2 程函方程与射线方程
一、程函方程：光程函数方程
设上述的标量场方程的解有如下形式： 0 ( x, y, z)eik0Q( x, y,z)
Q(x,y,z) 是光程函数，代入亥姆赫兹方程得：
由 Q2 n2
.
n
14 14.11.2020
单位矢量相等：
u ndr Q
n ds
又有：
d dxi dr•
ds i dsxi ds
对式 Q2 n2 ，求导数得：
2 Q Q 2 n n
nddrsQnn
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nd Qnn
ds ddsnddrsn
光线方程
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16 14.11.2020
光线方程的物理意义：
当光线与z 轴夹角很小时，有：
物理意义：
ddznddrznr
• 将光线轨迹(由r描述)和空间折射率分布(n)联系起来;
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
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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。
第5章-光纤光学ppt课件光纤的特征参数与测试技术
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 155 Mbps速率系统没有问题，因为 其脉冲宽度为 6.5 ns，20％的展宽为1300ps。
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
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1.55μm的波长损耗比1.3μm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
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
如果采用线宽为 300 MHz的DFB激光器，在1 Gbps 调制 速率下光谱被展宽 2 GHz，即光源谱宽为2,300 MHz 或 .02 nm (1500 nm波长). 则传输10 公里距离，色散脉冲展 宽值为 : D = 17ps/nm/km × .02 nm × 10 km = 3.4 ps
显然这种情形下， 1 Gbps速率光通信系统没有任何问题。
课堂测验(7)
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1.55μm的波长损耗比1.3μm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
光纤的损耗
§5.1.1 光纤材料的吸收损耗
光纤的损耗谱
不断拓展的光纤窗口波长
2004年
7
§5.1.2 散射损耗
特点：不可能消除的损耗
散射损耗
特点：非线性散射
产生新的频率分量
散射
机理： 光
新光波长+声子
§ 5.1.3 光纤的弯曲损耗
物理机制
光纤发生弯曲
全反射条件破坏
约束能力下降
导摸转化为辐射摸
大？为什么？ 6. 简述光纤中三种色散的机理。在什么条件下光纤的色散为零？
习题：5.4~5.11
光纤光学18复习PPT
(ESF):热诺姆判据
• 等效阶型光纤参数V和a的选择应使│β2－β 2│ 为最 小； • g型光纤：n2(r) = n22[1+2(1-(r/a)g)] V＝V(1＋2/g)-1/2 Vc=3.401 (g=2, ESF近似) Vc=3.518 (g=2, 精确值) a＝a(g＋2)/(g＋3) • 凹陷光纤： n2(r) = n22{1+2[1-g(1-(r/a)g)]}
2 V V 1 ( g 1 )( g 2 ) ( g 1)(g 2)(g 3) - 6 a a ( g 3)[(g 2)(g 1) - （ 2 g 3） ]
2018年11月10日 4
1/ 2
单模光纤的双折射
• LP01 (HE11)包含两个相互正交的偏振模。 • 两个模式的相速并不完全相同。随着电磁波的向前 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：
2018年11月10日 2
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。
n( r )
V k0 n1a 2 V k0 n1a 2
只需求出 V 和
r
3
2018年11月10日
7
2018年11月10日
“纵横关系式”有何作用？ 光场分量的哪一个分量总是独立满足波导场方程？写出该 波导场方程式。 3. SIOF中波导场方程具有什么数学特征？ 4. 在SIOF中如何求波导场方程的解？ 5. 写出SIOF中推导本征值方程的主要数学步骤。 6. 导模截止与远离截止的物理意义是什么?写出SIOF中TE01、 TE02、TE03在临近截止和远离截止时的本征值。 7. 写出SIOF中模式数目与V值的关系式。 8. 根据SIOF色散曲线分析，在V=4.5时有那几个模式存在？ 总模式数目是多少？并与模式数估算公式的结果比较。 9. SIOF与GIOF中哪个导模数目更多？ 10. 为什么单模条件Vc<2.405只适应于SIOF？平方率光纤单 模条件Vc是多少? 1. 2.
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。
光纤光学重要知识点 PPT
《 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Байду номын сангаас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
写出SIOF中模式数目与V值的关系式。 弱导光纤中组成线偏振模式的理论依据是什么？
为什么LP0m模式只有两重简并？ 实际光纤中传播的模式是线偏振模式吗？为什么？
画出LP6,8模式场分布示意图。 高阶模式与低阶模式哪个输出角度大？
4
GIOF的数值孔径有何不同? 分别说明内散焦面、外散焦面、辐射散焦 面的物理意义。 为什么GIOF又称为“折射型”光纤？ GIOF中光线角向运动有何特点？ 分别说明约束光线、隧道光线和折射光线 的特点。
2
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？ “纵横关系式”有何作用？ 光场分量的哪一个分量总是独立满足波导场方 程？写出该波导场方程式。
大家有疑问的，可以询问和交流
光纤器件
重要概念
– 自聚焦透镜的成像特性、光纤耦合器/WDM器 件的工作原理及设计、光隔离器/环行器的工作 原理及设计、光纤光栅的工作原理及设计、光 纤激光器与放大器的工作原理及设计。
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Байду номын сангаас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
写出SIOF中模式数目与V值的关系式。 弱导光纤中组成线偏振模式的理论依据是什么？
为什么LP0m模式只有两重简并？ 实际光纤中传播的模式是线偏振模式吗？为什么？
画出LP6,8模式场分布示意图。 高阶模式与低阶模式哪个输出角度大？
4
GIOF的数值孔径有何不同? 分别说明内散焦面、外散焦面、辐射散焦 面的物理意义。 为什么GIOF又称为“折射型”光纤？ GIOF中光线角向运动有何特点？ 分别说明约束光线、隧道光线和折射光线 的特点。
2
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？ “纵横关系式”有何作用？ 光场分量的哪一个分量总是独立满足波导场方 程？写出该波导场方程式。
大家有疑问的，可以询问和交流
光纤器件
重要概念
– 自聚焦透镜的成像特性、光纤耦合器/WDM器 件的工作原理及设计、光隔离器/环行器的工作 原理及设计、光纤光栅的工作原理及设计、光 纤激光器与放大器的工作原理及设计。
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。
光纤光学-1-6课件
Ur cos(m -1)
J m+1 (
a
)
sin(m +1)
-
Jm-1(
a
)
sin(m -1)
EyI
A Jm (U )
Ur cos m
Jm(
a
)
sin m
HxI
-n
0 0
A Ur cos m
Jm (U )
Jm(
a
)
sin m
ExI 0
H
I y
0
2022/10/18
4
线偏振模LPml 的构成(r>a)
EyII
A Km
Wr cos m
Km (
a
)
sin m
H
II x
-n
0 0
A Km
Wr cos m
Km (
a
)
sin m
ExII 0
H
II y
0
2022/10/18
5
LPml模的偏振态:
• LPml模的简并态是以光纤的弱导近似为前提的。实 际上,n1和n2不可能相等,因此HEm+1,l模与EHm-1,l模的 传播常数β不可能绝对相等,即两者的相速并不完全 相同。随着电磁波的向前传播,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, 即差拍距离为:
Jm(U)
Km(W)
2022/10/18
8
LPml模式本征值
• 模式的截止与远离截止:
– 远离截止: W→∞, 场在包层中不存在 – 临近截止: W=0 , 场在包层中不衰减
• 截止与远离截止条件:
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
《光纤光学教学课件》第十二讲
培养实际动手能力和光纤器件的调试技能，提高对光纤通信系统的理解。
根据器件制作流程，选择合适的材料和工具，按照工艺要求进行制作，并进行调试和测试。
光纤器件的制作与调试实验
总结词
详细描述
实验目的
实验步骤
光纤通信系统的搭建与测试实验
01
02
03
04
熟悉光纤通信系统的搭建与测试方法
通过搭建光纤通信系统，了解系统的组成和各部分的功能，掌握系统的搭建和测试方法。
光纤激光器概述
光纤激光器可以分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，根据不同的应用需求选择不同类型的激光器。
光纤激光器分类
光纤激光器的工作原理基于光的受激辐射，通过在光纤中形成稳定的谐振腔，实现对光的放大和振荡。
光纤激光器原理
光纤激光器在工业加工、医疗、军事等领域有广泛应用，用于实现高效、高精度、高可靠性的激光输出。
02
光纤器件与系统
CHAPTER
光纤放大器
光纤放大器概述，具有体积小、重量轻、可靠性高等优点。
光纤放大器原理
光纤放大器的工作原理基于受激辐射，通过在光纤中注入泵浦光，使稀土元素达到粒子数反转态，实现对信号光的放大。
光纤放大器分类
光纤放大器可以分为掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镱光纤放大器（YbFA）等类型，根据不同的应用场景选择不同类型的放大器。
光纤放大器应用
光纤放大器在光通信、光传感、激光雷达等领域有广泛应用，用于实现信号光的放大、传输和检测。
光纤激光器是一种利用光纤作为增益介质进行激光输出的器件，具有效率高、稳定性好、结构简单等优点。
第十二讲
目录
CONTENTS
光纤光学基本理论 光纤器件与系统 光纤应用 未来发展趋势与挑战 实验与实践
根据器件制作流程，选择合适的材料和工具，按照工艺要求进行制作，并进行调试和测试。
光纤器件的制作与调试实验
总结词
详细描述
实验目的
实验步骤
光纤通信系统的搭建与测试实验
01
02
03
04
熟悉光纤通信系统的搭建与测试方法
通过搭建光纤通信系统，了解系统的组成和各部分的功能，掌握系统的搭建和测试方法。
光纤激光器概述
光纤激光器可以分为连续光纤激光器和脉冲光纤激光器，根据不同的应用需求选择不同类型的激光器。
光纤激光器分类
光纤激光器的工作原理基于光的受激辐射，通过在光纤中形成稳定的谐振腔，实现对光的放大和振荡。
光纤激光器原理
光纤激光器在工业加工、医疗、军事等领域有广泛应用，用于实现高效、高精度、高可靠性的激光输出。
02
光纤器件与系统
CHAPTER
光纤放大器
光纤放大器概述，具有体积小、重量轻、可靠性高等优点。
光纤放大器原理
光纤放大器的工作原理基于受激辐射，通过在光纤中注入泵浦光，使稀土元素达到粒子数反转态，实现对信号光的放大。
光纤放大器分类
光纤放大器可以分为掺铒光纤放大器（EDFA）、掺镱光纤放大器（YbFA）等类型，根据不同的应用场景选择不同类型的放大器。
光纤放大器应用
光纤放大器在光通信、光传感、激光雷达等领域有广泛应用，用于实现信号光的放大、传输和检测。
光纤激光器是一种利用光纤作为增益介质进行激光输出的器件，具有效率高、稳定性好、结构简单等优点。
第十二讲
目录
CONTENTS
光纤光学基本理论 光纤器件与系统 光纤应用 未来发展趋势与挑战 实验与实践
第4章 光纤光学课件渐变折射率分布光纤
r0n(r0 )sinθZ(r0 )cosθφ(r0 )
角向运动特点
光线的角动量：
恒为常数
r
2
r2
df
dt
I n
Hale Waihona Puke dz dtI nVp
Ic
n2
– 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。
子午光线：θφ＝π/2， I 0
dφ/dz＝0 光线保持在同一平面
(dz/dS)|r0
＝rcosθrzr(ˆr0) zzˆ
x
P
r r
zdz
r P0 r0
ds
r0 p
r0df dl dr
f
y
ef
Q er
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 ---- 第一射线不变量
0
rl1
rl 2 a rl 3
r
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
n2(a)- I2 /a2
在r>rr1的所有区域均有光线存在，因此光线的约束作 用完全消失，光线毫无阻挡地进入包层中传播。
角向运动
分析φ分量方程:
光纤光学第二章
第22页，本讲稿共39页
d ds
n
r
dr ds
n
r
1. 在均匀折射率介质中，光线轨迹为直线传播。
2. 设R是光线弯曲的曲率半径，N为光线法向单位
矢量，则：
1 R
1
nr
N
n r
3. 球面对称媒质中的光线都是平面曲线，位于通过原
点的某一平面上
第23页，本讲稿共39页
5. 波导场方程与模式
亥姆霍兹方程： 2 x, y, z k 2 x, y, z 0
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及多模光纤
缺点：分析过程较为复杂
第4页，本讲稿共39页
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
几何光学方法
d 光线 射线方程 折射/反射定理 光线轨迹
波动光学方法
d 模式 波导场方程 边值问题 模式分布
n2k0 n1k0
•β实际上是等相位面沿z轴的变化率；
•β数值分立，对应一组导模；
•不同的导模对应于同一个β数值，则称这些导模简并
2
r
n12n22为实数 包层 : 为纯虚数
第28页，本讲稿共39页
3. 归一化频率（V）
对于给定的光纤，其传输的导模由其结构参数限定。 光纤的结构参数可由其归一化频率V表征：
E0, H0是振幅, k0Q是相位,Q是光程
E E0 ik0Q E0 expik0Q
当0 0或k0 时
k0Q很大, 上式右方的第一项可略去(几何近似),可得:
第14页，本讲稿共39页
E ik0Q E0 expik0Q
同理：
H ik0Q H0 expik0Q
d ds
n
r
dr ds
n
r
1. 在均匀折射率介质中，光线轨迹为直线传播。
2. 设R是光线弯曲的曲率半径，N为光线法向单位
矢量，则：
1 R
1
nr
N
n r
3. 球面对称媒质中的光线都是平面曲线，位于通过原
点的某一平面上
第23页，本讲稿共39页
5. 波导场方程与模式
亥姆霍兹方程： 2 x, y, z k 2 x, y, z 0
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及多模光纤
缺点：分析过程较为复杂
第4页，本讲稿共39页
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
几何光学方法
d 光线 射线方程 折射/反射定理 光线轨迹
波动光学方法
d 模式 波导场方程 边值问题 模式分布
n2k0 n1k0
•β实际上是等相位面沿z轴的变化率；
•β数值分立，对应一组导模；
•不同的导模对应于同一个β数值，则称这些导模简并
2
r
n12n22为实数 包层 : 为纯虚数
第28页，本讲稿共39页
3. 归一化频率（V）
对于给定的光纤，其传输的导模由其结构参数限定。 光纤的结构参数可由其归一化频率V表征：
E0, H0是振幅, k0Q是相位,Q是光程
E E0 ik0Q E0 expik0Q
当0 0或k0 时
k0Q很大, 上式右方的第一项可略去(几何近似),可得:
第14页，本讲稿共39页
E ik0Q E0 expik0Q
同理：
H ik0Q H0 expik0Q
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子午光线
传输 容量
时延差的倒数 t 0 /c z - t 0 o t 0 (s 1 - n 2 )2 / n n 1 /c
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!
阶跃 光纤
由一点发出的光线不能会聚在另一点 －－结论2:
色散曲线
n1
k0
n2
n1~n2
HE11
TE01 TM01
EH11 HE12
EH21 HE41 TE02
HE21
HE31
2
4
HE22 TM02
6V
光纤光学_复习
单模工作条件
• 单模条件: Vc＝（2π/λ0）a√n12－n22 ＜2.405 (仅适用于SIOF！）
• 单模光纤尺寸: ac＝1.202λ0/（π√n12－n22）
• 导模对应于分立的本征值； • 辐射模对应于连续的本征值； • 离散的导模与连续的辐射模构成了波导的完整正
交模系； • 在这里，我们重点研究的是导模的传输； • 在光纤损耗和模式耦合的研究中辐射模的性质非
常重要；
光纤光学_复习
两种方法的比较
导模 泄漏模 辐射模 TE/TM模 HE/EH模
光纤
约束光线 隧道光线 折射光线 子午光线 倾斜光线
• 保证单模传输条件下，V尽量取高值，以避免弯曲损耗.
光纤光学_复习
光纤光学_复习
模式本征值: 小结
• 模式的截止与远离截止:
• 临近截止: W=0 , 场在包层中不衰减 • 远离截止: W→∞, 场在包层中不存在
光纤光学_复习
弱导光纤与线偏振模
• 弱导条件：n1n2 n n1n2，一般=0.01%
混杂模 (HE或EH)
Ez≠0 Hz≠0
•可以证明，光纤中不可能存在TEM模 •光纤中存在的模式多数为HE(EH)模,有时也出现TE(TM)模
光纤光学_复习
贝塞尔函数
光纤光学_复习
贝塞尔函数
光纤光学_复习
场解的选取
• 依据： 导模场分布特点: • 在空间各点均为有限值 ➢在芯区为振荡形式 ➢在包层则为衰减形式 • 导模场在无限远处趋于零 贝塞尔函数形式: • J呈振荡形式 • K则为衰减形式
模式是波导结构的固有电磁共振属性的表征。 给定的波导中能存在的模式及其性质是已确定的, 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_复习
模式命名
横电磁模 (TEM)
Ez＝Hz＝0
根据场的纵向分量Ez和Hz的存在与否
模式分类
横电模(TE) Ez＝0 Hz≠0
横磁模(TM) Ez≠0 Hz＝0
• W→0，有W定义：在包层中n2k0 =n1k0cosz(z)n1k0→z0
• V→0, n1k0n2k0 • 场特点： • 光线理论：光线与纤轴的夹角小； • 波动理论： ➢芯区对光场的限制较弱； ➢消逝场在包层中延伸较远。
光纤光学_复习
线偏振模LPι-1,m的场分量
• LPιm=HEι+1,m+EHι-1,m 是这两种精确模式的叠加！！（牢记） • HEι+1,m模式与EHι-1,m色散曲线相近 两者简并，本征值相同 旋向相反，合成线偏振光 • 在直角坐标系中求解，各分量具有固定的偏振方向 • LPιm模只有四个不为零的场分量： Ey、Hx、Ez和Hz→沿y方向偏振（以下讨论对象） 与之正交的Ex、Hy、Ez和Hz →沿x方向偏振
光纤光学_复习
横向传播常数
光纤光学_复习
模式分布 n 归一化频率V: 给定光纤中,允许存在的导模由其结构参数所 限定。光纤的结构参数可由其归一化频率V表征: V值越大, 允许存在的导模数就越多。
➢ 导模的“截止”: 除了基模之外,其它导模都可能在某一个V 值
以下不允许存在, 这时导模转化为辐射模。使某一导模截止 的Vc值称为导模的"截止条件"。 ➢ 导模的“远离截止“: 当导模的本征值β→n1k0时,导模场紧 紧 束缚于纤芯中传输,称之为导模的“远离截止”。同样,每一 个 导模都对应于一合适的V值光使纤光其学_复远习 离截止,称之为导模的“远
阶跃光纤不适合于传复习
轴向运动
光纤光学_复习
光纤光学_复习
光纤光学_复习
光纤光学_复习
GIOF中的最佳折射率分布
光纤光学_复习
光纤光学_复习
模式的基本特征
每一个模式对应于沿光波导轴向传播的一种电磁波
本征解 －－模式
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向场分布
光纤光学_复习
线偏振模LPιm的简并
• 当ι 0时，每一个LPιm模式有四重简并
• 径向两种模式：沿x或y方向偏振 • 角向两种变化：cosιf 或 sinιf
• 当ι=0时，LP0m模式只有两重简并
光纤光学 复习
光纤光学_复习
光纤的分类（按折射率分布）
光纤
阶跃型光纤SIOF
渐变型光纤GIOF
折 射 率 分 布
光纤光学_复习
光纤光学的基本方法
几何光学 方法
•λ«d •光线 •射线方程 •折射/反射定理 •光线轨迹
研究方法
适用条件 研究对象 基本方程 研究方法 研究内容
光纤光学_复习
波动方程 方法
•λ～d •模式 •波导场方程 •边值问题 •模式分布
光纤光学_复习
光纤光学_复习
分析思路
光纤光学_复习
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
光纤光学_复习
光纤光学_复习
光纤光学_复习
• 单模光纤截止波长: λc＝（πa√n12－n22）/ 1.202
• 单模光纤截止频率: fc＝1.202c/（πa√n12－n22）
• 仅当λ＞λc或f＜fc时方可在光纤中实现单模传输.这时,在光纤 中传输的是HE11模,称为基模或主模。紧邻HE11模的高阶模是 TE01、TM01模和HE21模,其截止值均为Vc＝2.405。
• 本征解选取:
J0 J1
K0 K1
在纤芯中选取贝赛尔函数J 在包层中选取变态汉克尔函数K
光纤光学_复习
光纤光学_复习
r
a rg2 rg1
导模
光纤光学_复习
光纤光学_复习
r
rι 3
r
a
ι2
rι 1
泄漏模
光纤光学_复习
光纤光学_复习
辐射模
r a r r1
光纤光学_复习
导模与辐射模的重要区别