实验八 光纤光学基本知识演示
光纤光学重要知识点共43页
31的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
光纤光学重要知识点
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
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-第四讲
2019/12/2 © HUST 2012
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N A B 1 B L
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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
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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
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临界角: zcarccno2/sn1()
2019/12/2 © HUST 2012
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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
《光纤基本知识》课件
光纤包装：将光纤进行包装， 便于运输和存储
光纤应用：光纤广泛应用于 通信、医疗、军事等领域
ห้องสมุดไป่ตู้纤的主要成分 是二氧化硅
光纤的制造过程 包括熔融、拉丝、 涂覆等步骤
光纤的直径非常 小，通常在125 微米左右
光纤的传输速度非 常快，可以达到每 秒钟数十万公里以 上
折射率： 决定光纤 的传输性 能
色散：影 响光纤的 传输距离 和带宽
光纤熔接：将两根光纤熔接在一起，形成永久性连接
光纤冷接：使用冷接子将两根光纤连接在一起，无需熔接 光纤适配器：用于连接不同类型光纤的接头，如SC-FC、ST-
LC等 光纤耦合器：用于连接多根光纤的接头，如1x2、2x4等 光纤测试仪：用于测试光纤的连接质量，如光功率、光损耗等
光功率测试：测量 光纤的传输功率
光纤的非线性 效应主要包括： 自相位调制、 交叉相位调制、
四波混频等
非线性效应对 光纤传输的影 响：产生非线 性失真、降低
传输质量
非线性效应的 解决方法：采 用非线性补偿 技术、优化光
纤设计等
非线性效应的 应用：非线性 光纤传感器、 非线性光纤通
信等
光纤连接器：用于连接光纤的接头，如SC、FC、ST等
PPT,a click to unlimited possibilities
汇报人：PPT
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光纤是一种由玻璃或塑料制成的细丝，用于传输光信号。 光纤具有高带宽、低损耗、抗干扰能力强等优点。 光纤分为单模光纤和多模光纤，单模光纤的传输距离更远，多模光纤的传输距离较短。 光纤的应用广泛，包括电信、互联网、广播电视等领域。
1870年，英国物理学 家John Tyndall首次提 出光纤传输光的概念
[讲解]光纤光学大学物理实验讲义
![[讲解]光纤光学大学物理实验讲义](https://img.taocdn.com/s3/m/8cba082a3868011ca300a6c30c2259010202f3f2.png)
光纤通信实验光纤通信就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信的目的。
光纤通信是现代通信网的主要传输手段，主要通过在发送端把传送的信息（如话音）变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度（频率）变化而变化，并通过光纤发送出去；在接收端，检测器收到光信号后把它变换成电信号，经解调后恢复原信息。
因此构成光纤通信的基本要素是光源、光纤和光检测器。
半导体激光器可以作为光纤通信的主要光源，其具有超小型、高效率和高速工作的优异特点，到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的激光光纤通信的重要光源.光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。
前香港中文大学校长高锟和George A. Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。
光检测器:把光发射机发送的携带有信息的光信号转化成相应的电信号并放大、再生恢复为原传输的信号的器件。
【实验目的】1.了解和掌握半导体激光器的电光特性和测量阈值电流2.了解和掌握光纤的结构和分类以及光在光纤中传输的基本规律。
3.对光纤本身的光学特性进行初步的研究，对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。
4.了解光纤通信的基本原理。
【实验仪器】导轨，半导体激光器+二维调整，三维光纤调整架+光纤夹，光纤，光探头+二维调整架，激光功率指示计，一维位移架，专用光纤钳、光纤刀，示波器，音源等。
【实验原理】一、半导体激光器的电光特性实验采用的光源是半导体激光器，由于它的体积小、重量轻、效率高、成本低，已进入了人类社会活动的多个领域。
因此对半导体激光器的了解和使用就显得十分重要。
本实验对半导体激光器进行一些基本的实验研究，以掌握半导体激光器的一些基本特性和使用方法。
半导体激光器的发光原理是基于受激光发射。
要使半导体激光器产生相干的受激光需满足两个条件：既粒子数反转与阈值条件。
粒子数反转就是使处于高能态的粒子（半导体能带中的电子）数多于低能态的粒子数，达到这个条件，工作物质就产生增益。
光纤光学实验报告-实验报告-书业网
光纤光学实验报告 - 实验报告 - 书业网篇一：实验八光纤光学基本知识演示实验报告专业班级：学号：---- 姓名：成绩：12篇二：光纤光学与半导体激光特性实验指导书光纤光学与半导体激光器的电光特性由于20世纪70年代光纤制造技术和半导体激光器技术的突破性发展，光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。
本实验利用通信用单模光纤和可见光（红光）半导体激光器对光通信过程进行了一个开放的、原理性的模拟，以期通过实际操作，对光纤本身的光学特性和半导体激光器的电光特性进行一个初步的研究。
使学生对光纤和半导体激光器有一个基本的了解和认识。
一．实验目的1．理解和巩固光学的基本原理和知识；2．了解掌握光纤的使用技巧和处理方法；3．了解掌握半导体激光器的使用方法和电光特性；4、了解掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法。
二．基本原理光纤通信的光学理论是建立在光的全反射理论和波导理论上的。
现代光通信中使用的光纤一般分为单模光纤和多模光纤两种。
它们在结构上的区别主要在于纤芯的几何尺寸上，图1是光纤结构图。
它由三层结构构成：（1）纤芯：由掺有少量其他元素的石英玻璃构成（为提高折射率），对于单模光纤，直径约9.2 mm，而对于多模光纤，纤芯直径一般为50 mm。
这是它们在结构上的最主要区别。
（2）包层：由石英玻璃构成，但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些，以形成全反射条件。
直径约为125 mm。
（3）涂覆层：为了增加光纤的强度和抗弯性、保护光纤，在包层外涂覆了塑料或树脂保护层。
其直径约245 mm。
激光主要在纤芯和包层中传播。
图1 光纤结构示意图1．光纤端面的处理为了使激光在输入光纤和输出光纤时有一个理想的状态，如较高的耦合效率，均匀对称的光斑和模式。
一般均需要对光纤的端面进行较为细致的处理。
一般光纤端面的处理有两种主要方法。
一种是使用专用刀具进行切割。
另一种为研磨处理。
在本实验中，采用较为简单的手工刀具切割，以使光纤端面较为平整。
光纤光学教学课件-第四讲
n2 n1
n1sinz n12n22
由光的折射定理：
nisini n1sinz
子午光线的约束条件：
nisini n12n22
2020/4/11 © HUST 2012
ni i
n2 z
z
n1
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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。
临界角: zcarccno2/sn1()
2020/4/11 © HUST 2012
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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
2020/4/11 © HUST 2012
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倾斜光线
传播时不与纤轴相交，不在单一平面内传输，光线是螺旋折线。
• 光线轨迹： (螺旋折线)
内散焦面半径： • 数值孔径：
(大于子午光线)
cosi sinA /sin
•
最大时延差： (大于子午光线)
• 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
光纤的另一重要传输特性“通信容量”降低。光
纤的通信容量正比于光纤的传输带宽，或单位长
s
n12
n1
2
NA S
1
n1
c
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实验八 光纤光学基本知识演示
实验数据记录与处理：
实验误差分析：
实验总结和思考：
1
2
实验报告
专业班级： 学号： ---- 姓名： 成绩： 实验课程：近代物理实验 实验名称：光纤光学基本知识演示 <实验 8〉 实验组号：第二大组 同组成员： 实验地点： 实验时间：.10.16 指导教师： 实验目的：通过具体演示，使实验者对光纤光学有基本的认识，为以后的实验打下基础。 实验仪器：光纤干涉演示仪 1 台（633nm 单模分束器 1 个，温度控制系统，压力控制系统，光纤耦合架 1
个，SZ-42 型调整架 1 个，光纤架 1 个，SZ-13C 型调整架 1 个） ，GY-10 型 He-Ne 激光器 1 套，手持式光源 1 台，SGN-1 光能量指示仪 1 台，手持式光功率计 1 台，633nm 单模光纤 1m，普通通信光纤跳线 3m，光纤切割 刀 1 套。
实验内容与步骤：
1．观察光纤基模场远场分布 取一根约 1m 长的 633nm 单模光纤， 剥去其两端的涂敷层， 用光纤切割刀切制光学端面， 然后参照图 8-1 示意，由物镜将激光从任一端面耦合进光纤，用白屏接收光纤输出端的光斑，观察光场分布。其中，中心亮 的部分对应纤芯中的模场，外围对应包层中的场分布。 2．观察光纤输出的近场和远场图案 取一根普通通信光纤（单模、多模皆可，相对 633nm 为多模光纤） ，参照演示 1 的操作步骤，将 He-Ne 激光器的输出光束经耦合器耦合进入光纤，用白屏接收出射光斑，分别观察其近场和远场图案。
Ne 激光器
五维微调架
光纤耦合架 图 8-1
单模光纤 光纤基模场远场分布
光纤支架 输出光
白屏
3．观察光纤输出功率和光纤弯曲（所绕圈数及圈半径）的关系 取一根约 3m 长的普通通信光纤（为方便起见，可带 FC/PC 接头） ，将光源输出的光耦合进光纤，由手 持式光功率计检测光纤输出光的功率，并记录此时的功率读数；将光纤绕于手上，改变绕的圈数和圈半径， 观察并分析光纤输出功率与所绕圈数及圈半径大小的关系。
光纤光学演示文稿
E1t＝E2t; H1t＝H2t; B1n＝B2n; D1n＝D2n
第十四页，共25页。
分离变量：电矢量与磁矢量分离
得到只与电场强度E(x,y,z,t)有关的方程式及只与磁
场强度H(x,y,z,t)有关的方程式：波动方程
第十五页，共25页。
分离变量: 时空坐标分离
前提：光纤传播单色光波，时间函数为简谐函数 令场分量为：
第二十页，共25页。
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。
2＝w2emb2＝n2 k02b2横向传播常数
bn(r)k0cosqz 纵向传播常数
第十七页，共25页。
波导场方程的数学物理意义
波导场方程：是波动光学方法的最基本方程。 它是一个典型的本征方程,其本征值为或β。 当给定波导的边界条件时,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”.
分析思路
电磁分离
时空分离 纵横分离
第十三页，共25页。
波动方程 wave equation
亥姆赫兹方程 Helmholtz equation 波导场方程
麦克斯韦方程
H D/t EB/t
D 0 B0
D＝εE B＝μH
e＝e0n2
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,
第二十一页，共25页。
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专业班级： 学号： ---- 姓名： 成绩： 实验课程：近代物理实验 实验名称：光纤光学基本知识演示 <实验 8〉 实验组号：第二大组 同组成员： 实验地点： 实验时间：.10.16 指导教师： 实验目的：通过具体演示，使实验者对光纤光学有基本的认识，为以后的实验打下基础。 实验仪器：光纤干涉演示仪 1 台（633nm 单模分束器 1 个，温度控制系统，压力控制系统，光纤耦合架 1
个，SZ-42 型调整架 1 个，光纤架 1 个，SZ-13C 型调整架 1 个） ，GY-10 型 He-Ne 激光器 1 套，手持式光源 1 台，SGN-1 光能量指示仪 1 台，手持式光功率计 1 台，633nm 单模光纤 1m，普通通信光纤跳线 3m，光纤切割 刀 1 套。
实验内容与步骤：
1．观察光纤基模场远场分布 取一根约 1m 长的 633nm 单模光纤， 剥去其两端的涂敷层， 用光纤切割刀切制光学端面， 然后参照图 8-1 示意，由物镜将激光从任一端面耦合进光纤，用白屏接收光纤输出端的光斑，观察光场分布。其中，中心亮 的部分对应纤芯中的模场，外围对应包层中的场分布。 2．观察光纤输出的近场和远场图案 取一根普通通信光纤（单模、多模皆可，相对 633nm 为多模光纤） ，参照演示 1 的操作步骤，将 He-Ne 激光器的输出光束经耦合器耦合进入光纤，用白屏接收出射光斑，分别观察其近场和远场图案。
He-Ne 激光器
五维微调架
光纤耦合架 图 8-1
单模光纤 光纤基模场远场分布
光纤支架 输出光
白屏
3．观察光纤输出功率和光纤弯曲（所绕圈数及圈半径）的关系 取一根约 3m 长的普通通信光纤（为方便起见，可带 FC/PC 接头） ，将光源输出的光耦合进光纤，由手 持式光功率计检测光纤输出光的功率，并记录此时的功率读数；将光纤绕于手上，改变绕的圈数和圈半径， 观察并分析光纤输出功率与所绕圈数及圈半径大小的关系。
实验数据记录与处理：
实验误差分析：
实验总结和思考：
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2